长白山阔叶红松林的零平面位移和粗糙度3赵晓松1,233 关德新1 吴家兵1 金昌杰1 韩士杰1(1中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;2中国科学院研究生院,北京100039)摘 要 根据长白山阔叶红松林气象观测塔上16个月的风速、温度、湿度及气压的连续观测资料,根据中性层结条件下风速随高度的对数变化规律,利用廓线法中的牛顿迭代法计算了该森林的零平面位移d 和粗糙度z 0,结果表明,d 和z 0均存在着较明显的季节变化,在生长季d 较大,z 0较小,而非生长季恰好相反,标准化的零平面位移d/h 和粗糙度z 0/h 在生长季和非生长季平均分别为01867,01764和4147×10-2,3159×10-2。
与叶面积指数对比分析发现,d/h 和z 0/h 与叶面积指数分别存在正相关和负相关的关系。
敏感性分析表明,牛顿迭代法求d 和z 0对风速的精度要求较高,需要精度高的仪器和长期的数据积累。
关键词 零平面位移,粗糙度,阔叶红松林,牛顿迭代法中图分类号 S716 文献标识码 A 文章编号 1000-4890(2004)05-0084-05Z ero 2plane displacement and roughness length of the mixed forest of broad 2leaved and K orean 2pine in Changb ai Mountain.ZHAO Xiaosong 1,2,GUAN Dexin 1,WU Jiabing 1,J IN Changjie 1,HAN Shi 2jie 1(1Institute of A pplied Ecology ,Chinese Academy of Sciences ,S henyang 110016,China ;2Graduate School of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100039,China ).Chinese Journal of E 2cology ,2004,23(5):84～88.Based on logarithm law of wind profile under neutral stratification ,zero 2plane displacement d and roughness length z 0of the mixed forest of broad 2leaved and K orean 2pine in Changbai Mountain were calculated with Newton iteration according to the 16months profile measurements of wind speed ,air temperature ,humidity and pressure.The results showed that d and z 0had obvious seasonal variation.In growing season was relatively high and z 0was lower.Normalized values ,d/h and z 0/h ,were in the magnitude of 01867,01764and 4147×10-2,3159×10-2in growing season and dormant sea 2son ,respectively.d/h and z 0/h were positively and negatively correlated with leaf area indexes of the forest.Sensitive analysis showed that the iteration approach of calculating d and z 0demanded high precision measurements of wind speed in the profiles.This work should be based on the long term measurements with high 2precision instruments.K ey w ords zero 2plane displacement ,roughness length ,mixed forest of broad 2leaved and K orean 2pine ,Newton iteration approach.3国家自然科学基金项目(30370293)和中国科学院知识创新工程重大资助项目(KZCX12SW 201201A1)。
33通讯作者收稿日期:2004-02-27 改回日期:2004-07-011 引 言零平面位移(d )和粗糙度(z 0)是植被动量、热量和气体交换等参数化过程的重要因子,用来表达这些量的湍流交换系数[17]。
随着涡动相关技术越来越广泛地应用于森林等高大植被的CO 2、水汽等气体交换的测量,作为空气动力学分析中的重要因子,同时也是footprint 等多种模型的重要输入参数,d 和z 0得到了很大的关注。
求解d 和z 0的方法主要有廓线法[6,9,23]、解析分析[3,12,13,14,19]、数值模拟[20,22]和湍流综合法[1,5]等方法。
廓线法的优点是反映了流场实际观测结果,但需要高精度、运行稳定的自动观测仪器;数值模拟方法的流体力学机理明确,但需要野外实际观测的验证;湍流综合法建立在湍流统计关系的基础上,并需要超声风温仪等精密仪器,应用较少。
获取观测数据的方法主要有风洞模拟实验和野外实地观测,由于风洞模拟实验具有模型可随意改变的优点,所以很多学者进行了不同类型模型的风洞实验研究[2,4,7,8,16,24],但风洞实验中的模型很难实现与野外实际植被之间严格的几何相似(如枝叶尺度及其分布)和物理相似(如层结稳定度、枝杆的力学性质等),所以只能模拟特定条件的情况,与野外实际观测结果相互补充是十分必要的。
因为d生态学杂志Chinese Journal of Ecology 2004,23(5):84～88和z0是植被与大气之间动力、热力作用研究的基本参数,分析其长期变化(如季节变化)有重要的意义,特别是落叶林的叶面积季节变化很大,d和z0也应有明显的改变,Shaw(1982)的数值模拟结果证明了这一点,但至今还没有实际观测的研究结果来完整地描述落叶森林d和z0的季节变化过程,绝大部分是生长季某一时段的研究[1,5,10,11,18,21,23]。
本文拟利用先进的自动观测仪器获得的较长时间的观测数据(16个月),用廓线方法中的牛顿迭代法计算长白山阔叶红松林的d和z0,分析其季节动态变化规律以及与叶面积指数(LAI)的关系,为森林-大气物质、能量交换的研究提供基本参数。
2 研究地区与方法211 自然概况本项研究在中国科学院长白山森林生态系统定位站一号标准地阔叶红松林内进行(42°24′N,128°6′E,海拔738m)。
年平均气温为316℃,年平均降雨量713mm。
土壤为山地暗棕色森林土。
观测场附近下垫面地势平坦,林型为成熟原始林,主乔木为红松(Pi nus koraiensis)、椴树(Tilia am urensis)、蒙古栎(Q uercus mongolica)、水曲柳(Fraxi nus m and2 shurica)和色木(A cer m i mo)。
林分为复层结构,下木覆盖度40%,平均株高26m,立木株数约560株・hm-2。
212 方法21211 观测方法 观测林地建有高62m的微气象观测塔,在观测塔上安装了7层气象要素探头,高度分别为215,8,22,26,32,50和60m,测量要素有风速(A100R,Vector Instruments,Denbighshire,U K)、大气温度和湿度(HMP45C,Vaisala,Helsinki,Fin2 land)。
另外,215和60m分别测量气压(CS105, Vaisala,Helsinki,Finland)和风向(W200P,Vector Instruments,Denbighshire,U K),而40m的风速用三维超声风速仪(CAST3,Campbell,USA)测量。
原始采样频率为2Hz,通过数据采集器(CR23X and CR10X,Campbell,U T,USA)采集并按30min计算平均值进行存储。
观测时间从2003年8月24日～2004年12月31日。
同步进行叶面积指数LAI的测量(Li2000, LiCor Inc1,Lincoln,N E,USA),时间从2004年4月～10月末。
21212 数据处理 在中性条件下,风速廓线表达式为U(z)=u3klnz-dz0(1)式中,U(z)为z高度上的平均风速,u0为摩擦风速,k为von Karman常数,取014,z为测量高度,d 为零平面位移,z0为粗糙度。
用梯度理查孙数(R i)来判断近地面层的大气稳定度,Ri=gθv5 θv5z5 U5z2(2)式中,Ri为梯度理查孙数,g为重力加速度,取10m ・s-2,θv为虚位温,根据公式θv=θ・(1+0161r)计算得到,其中r为未饱和空气混合比(g・g-1),θ为位温(θ=T(p0/p)01286,T为大气温度(K),p为气压(kPa),p0为基准气压,取100kPa)。
根据方程(2)的差分形式,选择26和50m两个高度差计算每一时刻的R i值,选取R i值区间(-0103,0103)作为中性层结[15]。
根据方程(1),应用牛顿迭代法计算出d。
具体算法如下:设z1,z2,z3三个测量高度的风速分别为u1, u2,u3,则首先确定迭代公式为f(d)=u1-u2u1-u3=ln(z1-d)-ln(z2-d)ln(z1-d)-ln(z3-d)(3)和迭代函数g(d)=d-f(d)f′(d)(4)给d的初值,求得g(d),再令d=g(d),代入迭代函数求g(d),反复迭代,直到相邻两次g(d)之间的差值小于某个给定的误差(本文取01001),则g(d)即为所求的d。
把d代入(1)中,则(1)变为l n(z-d)为自变量、U(z)为因变量的一元线性方程,用线性回归方法即可求出z0。
本文选择[z1,z2,z3]=[26,32,50m]的风速梯度计算d和z0。
为了减小计算结果的波动性,取5 d的平均值进行时间系列分析。