非湍流运动与斑块景观异质性对动量和标量交换谱特征的扰动机制研究

本研究针对地中海生态系统湍流谱和协谱受非平稳性及景观异质性影响的关键问题，通过9个月高频观测数据，揭示了近中性条件下低频运动对水汽谱的显著影响及动量协谱对Kansas实验模型的适应性，为复杂下垫面涡动协方差数据解析提供了新范式。

　　

在地中海生态系统的生物圈-大气交换研究中，湍流运动与景观异质性如何协同影响动量和标量传输始终是微气象学领域的核心挑战。传统理论基于Kansas实验建立的均匀平坦地形模型，难以解释实际观测中由低频非湍流运动和斑块状植被分布导致的光谱畸变。这一认知缺口严重制约了涡动协方差（EC）数据在非理想条件下的解读精度，尤其影响碳通量监测和蒸散发分拆等关键应用。

为破解这一难题，中国科学院的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表了一项创新性研究。团队通过9个月的高频观测（采样频率10Hz），系统采集了三维风速、水汽（Q）、二氧化碳（C）浓度及气温（T）数据，重点分析春/夏两季及东南（SE）、西北（NW）主导风向下湍流特征。研究采用5分钟傅里叶截止滤波分离湍流与非湍流运动，结合Kansas实验理论谱模型，首次量化了低频运动对水汽谱k_x^-1标度律的干扰程度。

关键技术包括：1）基于三维超声风速仪和红外气体分析仪的高频通量观测系统；2）泰勒冻结湍流假说实现时-空尺度转换；3）预乘谱分析结合积分时间尺度Γ校正；4）地中海橄榄林生态系统原位观测队列的建立。

【速度谱特征】研究发现，经5分钟滤波后，u、w速度谱方差受低频运动影响<5%，验证了近中性条件下动量传输的稳健性。SE风向（上风侧橄榄林密集区）的纵向速度谱F_uu(n)与Kansas模型吻合度达90%，而NW风向（稀疏树木干扰）需调整积分时间尺度参数b_uu至28.6。

【标量谱畸变】水汽谱F_QQ(n)在低频段（f<0.01Hz）呈现显著超预期能量，滤波后则恢复k_x^-1标度，符合附着涡假说。值得注意的是，CO₂协谱F_wC(n)在惯性副层（f>1Hz）呈现f^-2而非经典的f^-7/3衰减，但该频段对总通量贡献<3%。

【机制阐释】通过简化协谱预算模型，研究揭示压力-标量解耦时间尺度与景观异质性的交互作用是标量协谱畸变的主因。东南风向因冠层聚集效应增强湍流相干结构，而西北风向受孤立树木引发的尾流干扰导致谱能重分布。

该研究建立了非理想条件下EC数据解析的标准化框架，证实了5分钟滤波对分离湍流/非湍流信号的有效性。理论层面，修正的协谱模型为混合层湍流传输提供了新见解；应用层面，成果可直接优化地中海农业生态系统的通量观测协议。研究特别指出，惯性副层标量协谱的异常衰减虽不影响通量总量，但可能干扰基于高频特征的湍流混合效率评估，这对发展下一代陆地表面模型具有重要启示意义。