全 文 ：第 v|卷 第 y期
u s s v年 tt 月
林 业 科 学
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长白山阔叶红松林显热和潜热通量
测算的对比研究 3
王安志 刘建梅 关德新 裴铁
k中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 ttsstyl
摘 要 } 为了探寻近地面层湍流运动规律 o定量分析森林下垫面物质与能量垂直输送 o本文利用常规气象梯
度和开路涡动相关观测系统的数据 o应用涡动相关法和空气动力学法对长白山阔叶红松林的显热和潜热通
量进行了测算 o并对两种方法得到的结果进行了对比 ∀结果表明 o两种方法得到的显热和潜热通量结果相差
不大 o而且随时间变化的曲线形状也极其相似 ∀而且 o二者得到结果的线性相关性显著 ∀
关键词 } 显热通量 o潜热通量 o阔叶红松林 o涡动相关法 o空气动力学法
收稿日期 }ussv p sv p ts ∀
基金项目 }中国科学院知识创新工程项目 Ž≤÷v p ≥• p wux !Ž≤÷t p ≥• p st p st„t和国家自然科学基金项目 vsuzsu{s资助 ∀
3 裴铁 为通讯作者 ∀
ΧΟΜΠΑΡΙΣΟΝ ΟΦ ΤΗΕ ΜΕΑΣΥΡΕΜΕΝΤ ΑΝ∆ ΕΣΤΙΜΑΤΕ ΟΦ ΣΕΝΣΙΒΛΕ
ΑΝ∆ ΛΑΤΕΝΤ ΦΛΥΞΕΣ Ος ΕΡ ΒΡ ΟΑ∆ΛΕΑς Ε∆ ΚΟΡΕΑΝ ΠΙΝΕ
ΦΟΡΕΣΤ ΙΝ ΧΗΑΝΓΒΑΙ ΜΟΥΝΤΑΙΝ
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kΙνστιτυτε οφ Αππλιεδ Εχολογψo Χηινεσε Αχαδεµψοφ Σχιενχεσ Σηενψανγttsstyl
Αβστραχτ } Œ± ²µ§¨µ·²©¬±§²∏··«¨ µ∏¯¨²©·∏µ¥∏¯ ±¨¦¨ ¤±§·² ∏´¤±·¬©¬¦¤·¬²±¤¯ ¼¯ ¤±¤¯¼½¨ ·«¨ √¨ µ·¬¦¤¯ ·µ¤±¶³²µ·²© ±¨¨ µª¼ ¤±§
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Κεψ ωορδσ} ≥¨ ±¶¬¥¯¨«¨¤·©¯∏¬o¤·¨±·«¨¤·©¯∏¬o…µ²¤§¯ ¤¨√¨ §Ž²µ¨¤± °¬±¨ ©²µ¨¶·o∞§§¼¦²√¤µ¬¤±¦¨ °¨ ·«²§o„ µ¨²§¼±¤°2
¬¦°¨ ·«²§
对于近地层大气来说 o垂直方向上的水汽 !热量 !动量和污染物等的输送是受湍流运动支配的 o因
此 o对湍流输送理论与过程的研究一直是边界层气象学研究的重点与难点k赵鸣等 ot||tl ∀潜热与显热
是湍流输送的两个重要成分 o显热通量和潜热通量是下垫面热量平衡方程的重要分量 o因此 o对显热通
量和潜热通量的测算不仅是气象学 !边界层气象学和大气物理学研究的重点 o而且越来越受到生态学和
植物生理学的关注 ∀由于潜热通量可以直接推算下垫面的蒸散量 o对水循环过程研究和水资源的合理
开发与利用具有重要作用 o因此 o对显热通量和潜热通量过程的研究也引起水文学家 !水利学家等的浓
厚兴趣 ∀自从澳大利亚著名微气象学家 ≥º¬±¥¤±®在 t|xt年提出涡动相关理论以来 o随着观测技术的不
断完善以及仪器精度的提高和响应时间的缩短 o涡动相关法被越来越多地应用于近地面层显热和潜热
通量的观测 ∀ …¤¯§²¦¦«¬等人在 t|{{年就应用涡动相关法作为显热通量和潜热通量的观测值 o≥¤∏ª¬¨µ等
用涡动相关法对森林蒸散量进行研究k • ¬¯¶²±ousstl ∀空气动力学法对近地面层显热和潜热通量测算是
基于 ²±¬±2’¥∏®«²√相似性理论 o根据湍流通量与温度 !湿度和风速梯度间的相关关系来估算的 ∀早在
t|wu年 o׫²µ±º¤¬·和 ‹²¯½°¤±就成功地应用该方法对潜热和显热通量进行了估算k¤¯ ®¨ot||vl ∀此后 o
很多研究者k≥·¤±«¬¯¯ ot|y| ~’®¨ ot|zsl对空气动力学法进行了改进 o并对该法估算的误差k׫²°³¶²± ετ
αλqot|{tl进行了讨论 ∀
长白山阔叶红松林是我国东北东部中温带湿润气候区最主要的森林植被类型 o是中国东北样带东
部最典型的生态系统k金昌杰等 ousssl ∀以往人们对于该地区显热和潜热通量的研究较少 o因此 o对阔
叶红松林显热和潜热通量进行测算 o进而探求长白山阔叶红松林的湍流规律 o是十分必要的 ∀本文应用
涡动相关法和空气动力学法对长白山阔叶红松林在 ussu年 |月 u日 ) ut日 o共 us§的湍流通量进行了
测算 o并对两种方法得到的结果进行了对比 ∀
t 材料与方法
111 研究地自然概况
研究在中国科学院长白山森林生态系统定位站 t号标准地附近的阔叶红松林内进行kwuβuwχ‘otu{β
yχ∞o海拔 zv{ °l o林地坡降不超过 w h ∀受季风影响的温带大陆山地气候 o年均温 s1| ∗ v1| ε o年均降水
量 yvu1{ ∗ z{u1w °°k李金中等 ot||{l ∀山地暗棕色森林土 o厚度在 tss ¦°左右 ∀主乔木为红松k Πινυσ
κοριαενσισl !椴树k Τιλια αµυρενσισl !蒙古栎k Θυερχυσ µονγολιχαl !水曲柳k Φραξινυσ µανδσηυριχαl !色木k Αχερ
µονοl等 ∀林分为复层异龄结构 o平均株高约 uy ° o密度约 xys株#«°pu o总蓄积量为 v{s °v#«°pu o郁闭
度 s1{ ∀灌木覆盖度为 s1w o以毛榛子k Χορψλυσ µανδσηυριχαl !忍冬kΛονιχερα χηρψσαντηαl !山梅花k Πηιλαδελ2
πηυσσχηρενκιιl和溲疏k ∆ευτζια αµυρενσισl为主 ∀草本覆盖度高达 s1z o以山茄子k Βραχηψβοτρψσ παριδοφορµισl !
宽叶苔草k Χαρεξ σιδεροτιχταl和木贼k Εθυισετυµ ηιεµαλεl等为主k金昌杰等 ousss ~吴刚等 ot|||l ∀
研究地建有 yu °高的气象观测塔以及用于安置监视设备的工作室k位于塔东 ts °处l o塔上安装了
常规气象梯度 !开路涡动相关观测系统及其数据采集器 o所有数据采集器通过网线与工作室的 °≤ 计算
机相连 o从而实现对数据的实时监视和拷贝 ∀
气温 !湿度和风速的梯度观测数据来自常规气象梯度观测系统 o观测高度分别为 u1x !{ !uu !uy !vu !
xs !yu °∀其中 o温度Π湿度传感器为 ‹°wx≤k∂¤¬¶¤¯¤oŒ±¦l o风速传感器为 „tss• k∂ ¦¨·²µŒ±¶·µ∏°¨ ±·¶o
Œ±¦l o数据采集器为 ≤• ts÷2×⁄k≤¤°³¥¨¯¯ ≥¦¬¨±·¬©¬¦oŒ±¦l o采样频率为 s1x ‹½o每 vs °¬±自动记录平均值 ∀
风速和温度的脉动值以及水汽密度脉动值来自开路涡动相关观测系统的三维超声风温仪 ≤≥„×vk≤¤°³2
¥¨¯¯ ≥¦¬¨±·¬©¬¦oŒ±¦l和 ≤’uΠ‹u ’开路红外气体分析仪Œp zxssk¬2≤²µoŒ±¦l o安装高度为 wu ° o数据采集器
为 ≤• xsss k≤¤°³¥¨¯¯ ≥¦¬¨±·¬©¬¦oŒ±¦l o采样频率为 ts ‹½∀
112 基本理论
根据涡动相关理论 o计算潜热通量和显热通量的公式可分别表示为k⁄¬¤º¤µ¤ ετ αλqot||t l }
ΛΕ € ΛωχΘχϖ ktl
Η € ΘΧ³ ωχΤχ kul
式中 }ΛΕ为潜热通量k • #°pul ~Λ为汽化潜热k#ªptl ~Ε为蒸散量kª#¶pt °p ul ~ωχ为垂直风速的脉动值
k°#¶ptl ~Θχϖ为水汽密度的脉动值kª#°pvl ~ Η为显热通量k • #°pul ~Θ为空气密度k®ª#°pvl ~Χ³为空
气定压比热k#®ªpt ε p tl ~Τχ为空气温度的脉动值k ε l ~上横线表示在一定时间间隔上的平均 ∀
同时 o摩擦速度 υ 3 可按下式计算k刘辉志等 oussul }
υ 3 € k υχωχu n ϖχωχultw kvl
式中 }υ 3 为摩擦速度k°#¶ptl ~υχ和 ϖχ分别为主导风向上的风速和横向风速k°#¶ptl ∀
空气动力学是通过描述近地面层的空气动力学特征来解释其控制各种能量和物质输送的物理过
程 o从而 o根据 ²±¬±2’¥∏®«²√相似理论 o可将粗糙下垫面的风速 !温度和湿度梯度表示为k刘树华等 o
t||v ~关德新等 ousstl }
9 υ
9 ζ €
υ 3 <°
κkζ p δl
9 Τ
9 ζ €
Τ3 <«
κkζ p δl
9 θ
9 ζ €
θ 3 <º
κkζ p δl
kwl
uu 林 业 科 学 v|卷
而且 o显热通量和潜热通量可表示为 }
Η € p ΘΧ³ υ 3 Τ3
ΛΕ € p ΘΛυ 3 θ 3
kxl
由于水汽压和比湿之间的关系可表示为 }
θ € ΕεΠ kyl
因此 o将式kwl !kyl代入式kxl可得到近地面层显热和潜热通量的计算公式 }
Η € p ΘΧ³ υu3 <° ΛΕ € p ΘΧ³Χpt υu3 <° kzl
且
Χ € Χ³ ΠΕΛ Υ s qsyx k{l
式中 }κ为 √²± Ž¤µ°¤±常数ks1wl ~Τ3 和 θ 3 分别为特征温度k ε l和特征比湿k h l ~<° !<«和 <√ 分别为风
速 !温度和湿度廓线关系通用函数 o均为无量纲量 ∀ υ为主导风向上的风速k°#¶ptl ~Τ为空气温度
k ε l ~Χ为干湿表常数k®°¤# ε p tl ~Ε为水汽和空气分子量之比ks1yuul ~ε为水汽压k®°¤l ∀
在近中性稳定条件下 o冠上风速廓线按对数形式变化 o可表示为 }
υ € υ 3κ ±¯
ζ p δ
ζs k|l
式中 }δ为零平面位移高度k°l ~ζs 为下垫面的粗糙度k°l ∀
根据 °µ∏¬·kt|zvl得到的结果 o可将 <° o<«和 <√ 表示为梯度理查逊数 Ριkªµ¤§¬¨±·•¬¦«¤µ¶²± ±∏°¥¨µl
的函数 oΡ¬ !Υ° oΥ«和 Υ√ 可表示为 }

Ρι €
γ
cΗ #
9 Η
9 ζ
9 υ
9 ζ
u €
γ
cΗ #
kΗu p Ηtl # kζu p ζtl
k υu p υtlu kts¤l
Ρι €
γ
cΗ #
9 Η
9 ζ
9 υ
9 ζ
u €
γ
cΗ #
kΗu p Ηtl # kζu p δlkζt p δl ±¯ kζu p δlkζt p δl
k υu p υtlu kts¥l
其中 o当已知零平面位移高度 δ的情况下应用式kts¥l o反之应用式kts¤l ∀
<° € kt n ty Ριltv
<« € <º € s q{{xkt n vw Ριlsqw Ρι ∴ s kttl
<° € kt p ty Ριltv
<« € <º € s q{{xkt p uu Ριlps qw Ρι  s ktul
式中 }cΗ为两个观测高度上绝对温度的平均值kŽl ~γ 为重力加速度 ~ζt !ζu 和 ζ分别为两个观测高度和
计算高度k°l o且 ζ € kζt n ζulΠu ~Ηt !Ηu 和 υt !υu 分别为两个观测高度上的绝对温度和风速 ∀
113 数据处理方法和计算步骤
对于开路涡动相关观测系统所获得的数据 o首先去掉奇异点 o然后进行坐标变换 o使得变换后数据
的平均垂直和横向风速等于 s ∀再按 vs °¬±的时间间隔 o对三个方向的风速 !温度和湿度的观测结果进
行线性去倾 o从而可以得到相应的三个方向的风速 !温度和湿度的脉动值 ∀最后根据式ktl !kul和kvl计
算潜热通量 !显热通量和摩擦速度 ∀通过上述方法共得到 {|{组有效数据k共计 ww| «l o其中 o|月 ts日
) ut日的观测数据是连续的 ∀
vu 第 y期 王安志等 }长白山阔叶红松林显热和潜热通量测算的对比研究
选择 uy °和 vu °的常规气象梯度观测系统的风速和温度数据 o按式kts¤l计算不同时刻的梯度理
查逊数 Ρι o再根据计算结果确定出现近中性稳定层结状态k p s1t [ Ρι  s1tl的时刻k¤¯ ®¨ot||vl ∀最
后用这些时刻的常规气象梯度观测系统得到的各层风速和计算得到的 υ 3 值 o应用最小二乘法按式k|l
进行曲线回归 o从而可得到 δ和 ζs ∀
再一次应用 uy °和 vu °的常规气象梯度观测系统的风速和温度数据 o但根据式kts¥l计算不同时
刻的梯度理查逊数 Ρι o将计算结果代入式kttl !ktul o从而得到不同时刻对应的 <° o<«和 <√ 的值 ∀最
后 o利用式kzl o即可得到关于潜热和显热通量的空气动力学估算结果 ∀
图 t 零平面位移 δ的计算结果
ƒ¬ªqt ≤¤¯¦∏¯¤·¬²± µ¨¶∏¯·¶²©½¨ µ²§¬¶³¯¤¦¨ °¨ ±·«¨¬ª«·
u 结果与讨论
因为本研究不涉及粗糙度 ζs o因此 o只对空气动力学零平
面位移 δ的计算结果k见图 tl进行讨论 ∀对 δ 的计算结果中 o
最大值为 t|1|{ ° o最小值为 ty1vu ° o平均值为 tz1{ ° o标准差
为 s1z{ °∀可以看出 o计算结果较为集中 o可以将平均值作为零
平面位移 §的计算结果 ∀因此 oδ € tz1{ °∀
确定了零平面位移 δ后 o就可以得到空气动力学方法对潜
热通值和显热通值的计算结果 o选取数据连续的时期k|月 ts日 ) ut日l的数据可得到图 u和图 v ∀图
中横坐标的时间序列以开始日期的 s }ss为 t o每隔 vs °¬±时间序列数加 t ∀
图 u 涡动相关法和空气动力学法对潜热通量随时间变化的测算结果
ƒ¬ªqu ≤²°³¤µ¬¶²± ²©·«¨ §¨§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ ¤±§¤¨µ²§¼±¤°¬¦° ·¨«²§¶©²µ° ¤¨¶∏µ¨°¨ ±·²© ¤¯·¨±·«¨¤·©¯∏¬¦«¤±ª¬±ªº¬·«·¬°¨
空气动力学法 „ µ¨²§¼±¤°¬¦°¨ ·«²§ 涡动相关法 ∞§§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ °¨ ·«²§下同 ∀ ׫¨ ¶¤°¨ ¥¨ ²¯º q
图 v 涡动相关法和空气动力学法对显热通量随时间变化的的测算结果
ƒ¬ªqv ≤²°³¤µ¬¶²± ²©·«¨ §¨§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ ¤±§¤¨µ²§¼±¤°¬¦° ·¨«²§¶©²µ° ¤¨¶∏µ¨°¨ ±·²© ¤¯·¨±·«¨¤·©¯∏¬¦«¤±ª¬±ªº¬·«·¬°¨
从图 u !v中可直观地看出 o空气动力学法对潜热和显热通量的计算结果与涡动相关法得到的结果
相差不大 o而且曲线形状也极其相似 ∀从统计学的角度来分析 o应用所有的数据可得到图 w和图 x ∀
从图 w ∗ x线性回归的计算结果上看 o空气动力学法对潜热和显热通量的计算结果与涡动相关法得
到的结果的线性相关显著 o回归直线的斜率较接近 t ∀从图 x可以看出 o在显热通量方向向下时 o空气
动力学法得到的结果偏高 o但这种现象在潜热的计算结果中并不明显 ∀从理论分析和综合研究式kzl !
kttl和ktul o都可以看出显热通量方向向下是发生在逆温的情况下 o即空气温度随高度升高而增加 o而
此时梯度理查逊数 Ρι 一般都小于 s ∀因此 o式ktul对 <° o<«和 <√ 的估算应该进行修正 ∀但上述情况
wu 林 业 科 学 v|卷
多发生在早 !晚及夜间 o此时 o潜热和显热通量都较小 o对一天以上垂直方向上的总能量传输影响不大 ∀
因此 o在能量平衡和水量平衡的计算中 o应用涡动相关法和空气动力学法可以得到较为一致的结果 ∀
图 w 涡动相关法与空气动力学法得到的
潜热通量之间的关系
ƒ¬ªqw ¤·¨±·©¯∏¬} §¨§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ ° ·¨«²§√¶q¤¨µ²§¼±¤°¬¦° ·¨«²§
图 x 涡动相关法与空气动力学法得到的
显热通量之间的关系
ƒ¬ªqx ≥¨ ±¶¬¥¯¨©¯∏¬} §¨§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ ° ·¨«²§√¶q¤¨µ²§¼±¤°¬¦° ·¨«²§
在应用空气动力学法时 o选用不同观测高度以及不同高差的两组数据会对计算结果带来差异 ∀从
本研究得到的观测数据来分析 o应用不同观测高度以及不同高差的两组数据得到的显热通量的差异不
大 o而对于潜热通量来说 o差异是明显的 ∀究其原因 o在于高度的增加和观测高差的减小 o两个观测高度
上得到的温度 !湿度和风速差将减小 o这一减小量占温度和风速差相对较小 o因此对计算结果的影响不
大 o但对于湿度差的获得影响是巨大的 o因为水汽含量小 o仪器精度会直接影响观测结果 ∀在应用空气
动力学方法计算潜热过程中 o观测高度应尽量靠近冠层 o而且两个观测层之间的高差应足够大 ∀但由于
本研究的仪器高度固定 o仪器型号单一 o不便于对误差的分析与计算 o从而对适宜安装高度和合理安装
高差的研究不够深入 ∀因此 o该方面的研究应在日后的研究中加强 ∀本研究选用 uy °和 vu °高的观测
数据 o就是考虑了仪器误差的影响确定的 ∀uy °的观测高度正处在平均冠层高度 o这对估算结果会有
一定的影响 o但从计算结果上看 o这种影响不大 ∀
参 考 文 献
关德新 o朱廷曜 o韩士杰 q单株树的阻力系数模式 q林业科学 ousst ovzkyl }tt p tw
金昌杰 o关德新 o朱廷曜 q长白山阔叶红松林太阳辐射分光谱特征 q应用生态学报 ousss ottktl }t| p ut
李金中 o裴铁 o李晓晏等 q森林流域土壤饱和渗透系数与有效孔隙度模型的研究 q应用生态学报 ot||{ o|kyl }x|z p ysu
刘辉志 o洪钟祥 q北京城市下垫面边界层湍流统计特征 q大气科学 oussu ouykul }uwt p uwz
刘树华 o陈荷生 q近地面层湍流通量间接计算方法的比较 q见 }中国科学院沙坡头沙漠试验研究站年报 t||t ) t||u q兰州 }甘肃科学技术
出版社 ot||v otv| p twy
吴 刚 o梁秀英 o张旭东等 q长白山红松阔叶林主要树种高度生态位的研究 o应用生态学报 ot||| o|kvl }uyu p uyw
赵 鸣 o苗曼倩 o王彦昌 q边界层气象学教程 q北京 }气象出版社 ot||t
⁄¬¤º¤µ¤ „ o²∏¶·¤∏⁄o…¨ µ¥¬ª¬¨µ° q≤²°³¤µ¬¶²± ²©·º² °¨ ·«²§¶©²µ ¶¨·¬°¤·¬±ª·«¨ √¨¤³²µ¤·¬²± ²©¤ Πινυσ πιναστερk„¬·ql ¶·¤±§}¶¤³©¯²º ¤±§ ±¨¨ µª¼ ¥¤¯2
¤±¦¨ º¬·«¶¨±¶¬¥¯¨«¨¤·©¯∏¬ °¨ ¤¶∏µ¨° ±¨·¶¥¼ ¤± §¨§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ °¨ ·«²§q„ªµ¬¦ƒ²µ ·¨¨²µ²¯ ot||t oxw }w| p yy
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§¨§¼ ¦²√¤µ¬¤±¦¨ ¤±§¦¤·¦«° ±¨·º¤·¨µ¥¤¯¤±¦¨ q „ªµ¬¦ƒ²µ ·¨¨²µ²¯ ousst otsy }txv p ty{
’®¨ × • q×∏µ¥∏¯ ±¨··µ¤±¶³²µ·±¨ ¤µ·«¨ ªµ²∏±§¬± ¶·¤¥¯¨¦²±§¬·¬²±q „³³¯  ·¨¨²µot|zs o| }zz{ p z{y
°µ∏¬· • ’ q ²°¨ ±·∏° ¤±§ °¤¶¶·µ¤±¶©¨µ¶¬±·«¨ ¶∏µ©¤¦¨ ¥²∏±§¤µ¼ ¤¯¼¨ µq ±∏¤µ· •²¼  ·¨¨²µ≥²¦ot|zv o|y }ztx p zut
≥·¤±«¬¯¯ Š q„ ¶¬°³¯¨¬±¶·µ∏° ±¨·©²µ·«¨ ©¬¨ §¯ °¨ ¤¶∏µ¨° ±¨·²©·∏µ¥∏¯ ±¨·§¬©©∏¶¬²± ©¯∏¬q „³³¯  ·¨¨²µot|y| o{ }xs| p xtv
׫²°³¶²± ’ ∞o°¬±®¨µ• × q„± µ¨µ²µ¤±¤¯¼¶¬¶²©·«¨ ׫²µ±·«º¤¬·¨p ‹²¯½°¤± ¨´ ∏¤·¬²±©²µ¨ ¶·¬°¤·¬±ª¶¨±¶¬¥¯¨¤±§ ¤¯·¨±·«¨¤·©¯∏¬¶²√ µ¨¦µ²³¤±§©²µ¨¶·¦¤±2
²³¬¨¶q „³³¯  ·¨¨²µot|{t ous }uxs p uxw
xu 第 y期 王安志等 }长白山阔叶红松林显热和潜热通量测算的对比研究