Page 157 - 《高原气象》2026年第2期
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2 期                王彦淇等：基于CEEMD 方法对森林下垫面湍流相干结构的通量贡献研究                                      457
               流相干结构及其特征量的研究是边界层湍流领域                             过加入白噪声集合平均后的改进方法称为集合经
               研究的重要部分（Thomas et al， 2005）。                      验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposi‐
                   关 于 相 干 结 构 的 定 义 有 多 种（Kang  et  al，         tion， EEMD）， EEMD 方法以及更新的互补集合经
               2014； 白士伟等， 2018）， 但在气象学界普遍认为相                    验 模 态 分 解（Complementary  Empirical  Mode  De‐
               干结构是低频的、 具有相位相关（phase-correlated）                 composition， CEEMD）， CEEMD 分解通过加入互
               的有组织运动（Hussain， 1983； 赵建华等， 2019）。                补的白噪声减少了白噪声的残余量， 使分解结果能
               Taylor（1958）在一次对不同高度的温度时间序列的                      够更加精准， 这些类 EMD 算法对边界层湍流这类
               观测研究中发现了相干结构， 相干结构存在于各种                           不稳定的变频信号研究有重要作用。目前， 该方法
               大气层结下， 在温度时间序列中表现为斜坡状结构                           被广泛应用于大气科学研究（Chen et al， 2012； 魏
              （ramp）， 在标准化的温度时间序列中， 稳定层结下                        伟等， 2013； 姜浩等， 2018； 张汉九等， 2022）， 如
               表现为以由负转正的过零点为标志的反斜坡结构；                            Gao et al（2017， 2019）利用 EEMD 算法分析了位相
               而在不稳定条件下表现为以由正转负的过零点为                             差对地表能量不平衡的影响， 同时也利用该方法分
               标志的正斜坡结构（Collineau et al， 1993； Chen et           析了二氧化碳在能量不平衡中的机制。
               al， 2004）。                                            国内外科学家对草原、 沙漠、 城市等各种下垫
                   人们目前对湍流相干结构的产生和发展机制                           面进行了深入的研究， 对不同下垫面的湍流统计特
               的研究尚不清晰。普遍认为， 垂直风切变（Gao et                        征进行了详尽的分析（黄鹤等， 2011； 胡文峰等，
               al， 1989； Paw et al， 1992）、 开尔文-亥姆霍兹不稳            2018； 金莉莉等， 2019； 杨斌等， 2022）。森林是重
               定性（（Brunet et al， 2000； Thomas et al， 2007）、 冠    要的生态系统， 与大气不断进行着水分、 能量、 二
               层 尺 度 的 波 动（Cava et al， 2004； Mortarini et al，    氧化碳及其他物质的交换并影响着气候， 是重要碳
               2022）等都可能是相干结构产生的原因。边界层湍                          汇系统（王靖钰等， 2024）。由于森林多位于高大起
               流的相干结构在物质和能量的输送中起着重要作                             伏的山地， 且存在高大植被冠层对风场的影响， 在
               用， 一些研究表明相干结构在不同的下垫面上对动                           植被冠层与常通量层之间存在着粗糙副层（约 1. 3
               量、 热量和标量等物质的输送有不同的贡献， 相干                          倍的冠层高度）， 影响着物质和能量的交换（Collin‐
               结 构 对 通 量 贡 献 百 分 比 在 10%~100%（Raupach，           eau et al， 1993）， 研究森林这类复杂下垫面湍流相
               1981； Barthlott et al， 2007； Zhang et al， 2011）。由  干结构及其统计特征， 对于理解森林等复杂下垫面
               于相干结构的复杂性和差异性， 对于相干结构特征                           下物质和能量的输送特征至关重要（Cava et al，
               的统计分析一直是研究的主要目标， 以便能够更好                           2022）。
               地理解相干结构的性质及其对通量的影响。                                   因此， 本文选取 2021年 5月位于四川省乐山市
                   一直以来， 象限分析和小波分析两种方法在湍                         四峨山地区森林下垫面下的湍流数据， 并基于
               流相干结构的研究中占有重要地位（Shaw et al，                       CEEMD 算法对相干结构通量贡献及其特征量进行
               1983； Chen et al， 2004）， 有很多学者都基于这两种              量化分析以加深对森林等复杂下垫面的物质和能
               方法对湍流中的相干结构特征进行研究（姚菡，                             量的输送和湍流相干结构特征的理解， 为学界在相
               2011； 郑保锋等， 2023）。但是这两种方法都存在                      干结构的研究中提供一定的参考和认识。
               一定的缺陷： 象限分析中存在双曲线阈值的选择，                           2  数据选取与方法介绍
               该阈值选择比较主观， 缺乏一定的物理意义， 且无
               法从时域展开分析； 小波分析虽然能从时频域共同                           2. 1 观测站点概况及资料选取和处理
               展开， 但是不同的小波基函数的选取对研究结果的                               本文所使用的湍流数据观测点位于四川省乐
               影响较大（Chen et al， 2004； Barthlott et al， 2007）。    山市四峨山人工森林地区（29. 52°N， 103. 34°E），
                   希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform，             人工森林平均冠层高度为 15 m， 海拔约为 970 m
               HHT）是一种自适应的能够将不同时间尺度的信号                          （图 1）， 西北方向为高海拔山脉， 其余方向为河流
               分离的时频分析方法， 该方法的核心步骤为经验模                           环绕。
               态分解（Empirical Mode Decomposition， EMD）， 通             观测地点架设了一座 60 m 高度的气象观测
               过 EMD 方法能够将待分析信号自适应分离为不同                          塔， 涡动相关系统分别安装在 20 m、 38 m 和 56 m
               时间尺度的基函数。但是， EMD 方法存在一定模                          处， 分别观测了粗糙副层、 粗糙副层和常通量层边
               态混叠缺陷， 而后 EMD 方法经过一定的改进， 通                        界、 常通量层的湍流特征。涡动相关系统包含有三
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