全 文 ：第 l1卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
Vo1．11 No．4
0ct．， 2003
玉米冠层内外风速变化周期特征的研究
姜朝 阳 王天铎 于 强 孙晓敏
(中国科学院上海植物生理生态研究所 上海 200032)(中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)
摘 要 应 用 M。 1et连 续小 波 变换 对玉 米冠 层 内外 4个 高度 风 速 数 据 的变 化 分 析 结 果 表 明 ，lh平 均 风 速 的连 续
小波 变换 提 供 了不 同高度 风速 数 据所 包含 的多种 周 期分 量 的清 晰 图像 ，1d和 18d周 期 是 4组风 速 数据 包 含 的 主 要
周期分量。连续小波变换 的平均谱显示 了风速数据的时间变异性和能量在不同周期分量 中的分布。
关键 词 玉米 冠层 风 速 小波 变换
The periodic characteristic of wind speed above and within a maize canopy．JIANG Zhao-Yang，WANG Tian—Duo
(Shanghai Institute of Plant Physiology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200032)，YU Qiang，SUN Xiao-Min
(Institute of Geographical Sciences and Natural Resources，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101)，CJEA，2003，
11(4)：63～65
Abstract In this paper，the variabilities of wind speed within and above maize canopy have been analyzed by using Morlet
continuous wavelet transform ．The main results show that the continuous wavelet analysis provides a concise and compact
information in the scale—time domain，it reveals the ld and 18d period components of the data．Averaged wavelet spectra
over time and scales give the temporal variability and the energy distributions with different period ic compo nents of the
data．
Key words Maize canopy，W ind speed，W avelet transform
近地层大气运动常具有明显的湍流特征 ，近地层物质和能量传输主要通过湍流运动来进行 。风速变化
可视为非线性 、非平稳 变化 的随机过程 ，1组连续 观测的近地层 风速数据 可包 含从 数秒 到数小 时各种 尺度 的
周期分量。分析近地层风速变化特征是了解近地层大气运动和微气象特征的重要步骤。通过一些数学变换
如 Fourier变换 、小波变换等可对反映风速变化的湍流信号进行相似性分析 ，从而分解出各种不同尺度的旋
涡对湍流总动能的贡献 ，此即湍流分析的谱方法 ]。传统谱分析方法主要使用 Fourier变换分析信号的周期
特征，小波分析(Wavelet analysis)是 20世纪 80年代后期发展起来的应用数学分支 ]，其核心技术为小波变
换(Wavelet transform)，80年代后期小波变换逐渐发展为一种成熟有效的信号分析工具(尤其对非线性时间
过 程 的分析 ) 。本研究 应用 Morlet连续 小波变换方法 分析玉米冠层 内外风速变 化的周期特 征。
1 研究方法
本研究应用 Morlet连续小波变换方法 ，小波变换具有多分辨率(Multi—resolution)或多尺度(Multi—scale)
特点，可由粗及精逐步观察信号 ，能同时提取序列 (t)在时间、频率二域中的信息 ，对信号的瞬态和奇异点
有较强检测能力 ，被称为信号分析的“数学显微镜”，可应用到信号分析 、噪声排除、数据压缩及图像处理等方
面。非平稳信号的时间序列含有多种频率分量，为更好地确定信号中的信息 ，需在不同频率部分使用不同的
时间窗，以获得高精度的高频信息和完整的低频信息。小波变换提供 了 1个可调节的时间一频率窗，在高频
部分 自动变窄 ，提高时间分辨率，在低频部分 自动变宽 ，提高频率分辨率。小波分析方法主要包括连续小波
变换 (Continuous wavelet transform，简称 CwT)和离散 小波变换 (Discrete wavelet transform，简称 DWT)2种
分析方 法 。序 列 (t)的 连 续 小 波 变 换 即 在 连 续 尺 度 a 和 位 移 r值 下 ，序 列 (t)与 小 波 函 数
1 ， + 一 一 、
， (t)=— f l的卷积：
√ a ＼ a ／
^ + ∞
(a，r)= I (t) ． (t) f (1)
*国家重点基础研究(973)发展规划项 目(G1999一n708)部分研究内容
收稿 日期 ：2002—11—30 改回日期 ：2003—01—06
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
式 中， 为小 波函数 的 共 轭 函数 。本文 用 于连续 小 波变 换 的基小 波 函数 为 Mrolet小 波 ，其数 学 表达
式 为 ：
(t)= P-t／2 e 。 (2)
式 中，(O0为 中心 频率。微气象 观测试验 于 2001年 8月 1～30日在 中国科 学 院地 理科 学 与资源 研究所 禹城
农田综合试验站(N36。57 ，El16。36 ，海拔高度 28m)灌浆期玉米田中进行。微气象观测仪设置 lm、2m、3m、
4m 4个不同高度分别测定冠层内外风速。其中冠层内设置 lm和 2m 2个高度 ，冠层外设置 3m和 4m 2个
高 度 ，所得观测数据 取 lh平均值 。
E
交
匮
坦
{
E
商
区
坦
乓
圭
商
匮
挺
E
谄
区
坦
墨
0 1o0 200 300 40O 5OO 60O
时间，h
图 1 玉 米冠 层 内外 4个 高 度 1h平均 风速 (2001⋯08 01 28)
Fig．1 Time series of wind speed above and below maize
canopy from April 1 to 28，2001
度风 速 的 小 波 变 换 谱 均 有 1
个接近 18d周期 的能量集 中
区域 。 比较 这 些 谱 图可 知 各
周期分量 的时间分布差别 细
微 。所 有 4个高 度 风 速 的 1h
平均值 包 含相 似 的 >1d的周
期分量 ，且这些周期分量随时
间分 布 也 相似 。图 3中小 波
变换 谱 的 短 周 期 区 域 集 中在
图上 方 ，不 易分辨 。玉 米冠 层
内外 4个 高 度 及 对 应 的短 周
期 (周 期 < 5d)小 波 变 换 谱 见
图 4，图 4表 明玉 米冠 层 内外
4个高度 风速 及对应 的短周 期
小波 变 换 分 量 谱 同样 表 现 出
极 大 相 似性 。为 从 整 体 上 观
察数 据 的时 间 变 异 和 周 期 特
E
潮
区
妪
巨
姜
硝
区
幄
E
2 结果与分析
图 1表 明玉 米冠层 内外 4个 高
度风速 1h平均值随高度 降低而减
小 ，有 明 显 日变 化 及 不 规 则 脉 动 。
由图 2可知 ，玉米冠层 内外 4m 与
3m、4m 与 2m、3m 与 2m 等高 度 间
风速相关性较好 ，而 4m 高度处风
速与 lm 高度处风速相关性最差。
玉米冠层 内外 各高度 风速 时间序 列
及其对应的 Morlet连续小波变换谱
见 图 3，图 3中颜 色灰度变化反映 了
各周期分量能量(即小波变换 系数 的
方差 )密度 的 变化 ，颜色 越亮 表 明该
处所对应周期分量的能量越集中，反
之则 表 明该 周 期分 量 的能 量 越 弱 。
根据灰度变化可知 ，每组 观测数据 的
小波 变 换 谱 中均 有 1d、2～3d和
5d的周 期 分 量 出 现 ，且 所 有 4个 高
’
g
潮
区
坦
E
4m高处风速／m．s一‘ 4m高处风速／m．S 4m高处风速／m。S一
3m高处Bla~K／m·S一‘ 3m高处风速／m·S 2m高处Bla~／m·S一
图 2 玉米 冠层 内外 4个高 度 闻风 速相 关关 系
Fig．2 Correlatographs between each two of the time series of
wind speed measured at fotlr heights
征 ，对小波变换谱求平均 得出对时间平均的小波谱 (总体小波谱 ，见图 5a)和对尺度(NN)平均 的小波谱
(见图 5b)。图 5a表明玉米冠层内外 4个高度风速均在 1d和 18d周期表现出高峰值，而 1m高度风速则在
4～5d周期还有 1个明显峰值。小波谱的时间平均使原数据包含的主要周期分量更加突出，但损失一些能
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第 4期 姜朝 阳等 ：玉 米冠 层 内外 风速 变化 周 期特 征 的研 究
量较低的周期分量。图 5b为对尺度(周期)平均的小波谱 ，其用途在于观察原数据所包含的各周期分量
间变异性。图 5b中 3大峰值表明原数据中有 3个波动剧烈时期 ，每时期持续 8d左右；对应于 lm高度
曲线约 20h处多出 1个峰值 ，而其他 3个高度风速曲线均无此峰值。
O
5
1O
，s
重
2o
25
O
5
1O
意 幅
匮
2o
25
图3 玉米冠层内外4个高度风速的Morlet小波变换谱
Fig．3 Continuous wavelet transforms of wind speed
*a2、b2、c2、d2分别为各高度风速时间序列的小波变换谱，图4同。
图4 玉米冠层内外4个高度风速的短周期(
transforms of wind speed
oo 2OO 300 ●oo 5oo 600
时间，h
图 5 Morlet小波 变换 谱 的时 间平 均 (a)与 尺度 平 均 (b)
Averages in time(a)and scale(b)for wavelet spectra of the time series of wind speed at four heights
玉米冠层内外 4个高度风速 lh平均值包含多种周期分量 ，且一些周期的周期值大小和能量强弱均J
时间变异性质，这是近地层大气运动复杂性的表现之一。2m、3m和 4m 3个高度风速对应的小波谱极相
与 lm高度风速对应的小波谱有明显差异 ，该差异可能来 自玉米冠层的影响。
参 考 文 献
1 崔锦泰．小波分析导论 ．西安 ：西安交通大学出版社，1995 1～24
2 Baldocchi D·，Falge E ，W ilson K
． A spectral analysis。f biosphere-atmosphere trace gas flux densitieS and mete0r0logical variables a
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