Page 164 - 《高原气象》2026年第2期
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高 原 气 象 45 卷
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结构在近冠层处清扫起主要作用的结论类似（Rau‐ 湍流数据， 在利用希尔伯特-黄变换算法中CEEMD
pach， 1981； Raupach et al， 1996）。 算法的基础上对粗糙副层、 粗糙副层和常通量层边
3. 3 相干结构斜坡强度与局地湍流参数的关系 界、 常通量层三个高度的湍流相干结构特征、 相干
大气边界层中局地湍流参数对相干结构的特 结构的通量贡献以及相干结构与局地湍流参数的
征有重要影响， 通常局地湍流参数一般有稳定度参 关系等方面进行了分析。据此， 本研究所得结论
数 ζ， 表征了热力分层作用对相干结构的影响（热力 如下：
因子）； 摩擦速度u * ， 表征了湍流强度对相干结构特 （1） 通过条件平均算法， 对 IMF5-IMF7尺度的
征的影响（动力因子）。本研究分别研究了稳定度 模态进行条件平均得到了相干结构的平均模态。
参数 ζ和摩擦速度 u * 在不同高度上对相干结构特征 相干结构的平均模态分别显示出了不同时间尺度上
量的影响。 稳定层结和不稳定层结下的不同变量(u'，w'，T '，q')
z
其中稳定度参数的计算公式为 ， z 为观测高 的相干结构特征， 具体表现为在稳定条件下水平减
L
速， 同时伴随着上升气流， 标量表现为温度 T 下，
度， L 为奥布霍夫长度， 计算公式如式（6）， 其中 k
同时伴随着相对湿润的空气， 然后紧随而至的是水
为卡门常数， 取值 0. 4； g 为重力加速度； w′和 T′分
平加速， 同时伴随着下降气流， 而标量表现为温度
别为垂直风速和温度的脉动量。
T 上升， 同时伴随着相对干燥的空气， 整体反映出
3
L = - g - ------- （6） 了变量之间的相干性且不稳定条件下温度模态发
u *
k w′T′
T 生了反转现象。
斜坡强度（Ramp Intensity）是相干结构统计研 （2） 本研究计算了不同高度和不同层结下的
究中的一重要特征量， 过去很多学者对其进行了系 相干结构通量贡献， 结果表明相干结构的通量贡献
统的研究， 参照过去学界对相干结构斜坡强度的研 随着观测高度的不同而表现有所差异， 在 20 m 处
究（Barthlott et al， 2007； Zhang et al， 2011）， 为全 相干结构对感热、 潜热、 动量的通量贡献分别为
面考虑 IMF5-IMF7模态的斜坡强度， 斜坡强度在本 21%， 17%， 11%， 在 38 m 处 分 别 为 13%， 11%，
研究中定义为三个模态 IMF5-IMF7 条件平均后的 7%， 而在 56 m 处分别为 12%， 10%， 6%， 这一计算
最大值与最小值之差的平均值。 结果说明相干结构在三个高度上对于标量的输送
图 7 和图 8 分别给出了三个高度的水平风速脉 效率都要大于动量通量。并且通量的贡献随着观
动 u' 和垂直风速脉动 w'， 斜坡强度随稳定度参数 测高度的提高而逐渐减小， 这可能是由于冠层尺度
（ζ）和摩擦速度 u * 的 变化情况。从图 7 来看， 三个 湍涡的存在导致了相干结构通量贡献的提升， 而在
高度的表现情况相似， u'的斜坡强度在中性条件下 更高高度上物质输送由更大尺度的湍涡控制。
最大并且随着稳定性和不稳定性的增加而减小。 （3） 对于不同层结下的相干结构通量贡献研
然而， 对于摩擦速度 u * ， u' 斜坡强度随着摩擦速度 究表明， 相干结构对通量的贡献随着通量类型的不
的增加而增加。从图 8 来看， w' 的斜坡强度与 u' 表 同和层结类型的不同而有所不同。平均而言， 相干
现出了不同的特征， w'的斜坡强度在不稳定条件下 结构对感热通量的输送在三个高度上均出现在中
相对最大， 并且随着不稳定度的增加斜坡强度转而 性条件下， 其次是稳定条件下和不稳定条件下， 而
减小， 这说明了不稳定边界层更有利于相干运动的 对于潜热通量最大的通量贡献在三个高度均出现
垂直变化， 而稳定层结下抑制了垂直运动。相似的 在稳定条件下， 其次是中性条件和不稳定条件。另
是 w' 和 u' 的斜坡强度都随着摩擦速度的增加而增 外， 从整体上看， 仍然可以发现在三种层结下相干
加， 这反映了机械动力学因子机制对不同层结的相 结构对感热和潜热通量的输送都比动量通量占优。
干运动的促进作用。 （4） 对于相干结构喷射和清扫过程的通量贡
献的计算结果表明， 相干结构在较高高度上（38 m
4 结论
和 56 m）， 喷射过程的通量贡献相比清扫过程有更
本文主要利用四川省乐山市四峨山人工森林 大的通量贡献， 喷射过程起着主导作用。但是在
地区不同高度（20 m、 38 m 和 56 m）2021 年 5 月的 20 m高度处清扫过程占了主导地位， 特别是对于动
