复杂地形区落叶林冠层上方大气边界层湍流垂直结构特征及其对数值天气预报的改进意义

这篇研究通过WindCube V2.1激光雷达与60米气象塔的协同观测，揭示了复杂地形森林冠层上方低层大气边界层（ABL）湍流垂直结构的日/夜变化规律。研究发现晴空强风条件下湍流动能（TKE）和垂直速度方差（σw2）显著增强，而多云天气则呈现高度无关的TKE分布特征，为改进数值天气预报（NWP）模型的湍流参数化方案提供了关键实证依据。

　　

Highlight

本研究利用田纳西州东部森林山脊的WindCube V2.1激光雷达（观测高度40-300米）与气象塔数据，系统分析了不同辐射和风况下湍流特征的垂直演变。关键发现包括：

1. 晴空强风日出现最显著的昼夜风速差异，对流边界层（CBL）低层TKE和σ_w²增加伴随正垂直速度偏度（S）；

2. 多云条件下TKE呈高度均匀分布，对应较小σ_w²和近零S值；

3. 夜间边界层（NBL）稳定分层显著抑制湍流强度。

Site description

观测点位于美国东南部田纳西州栗树岭（35.9618°N, 84.2865°W），激光雷达布设在海拔343米处，周围5公里范围内落叶林覆盖率达85%，冠层高度约25米。配套60米塔搭载三维超声风速仪，为湍流分析提供地面验证数据。

Wind speed and wind direction intercomparison

激光雷达最低层（40米）与塔顶风速仪的对比显示：

• 早晨（0800-1200 LST）和夜间（0000-0400 LST）风向一致性达82%；

• 风速差异主要发生在强对流时段，与地形诱导的局地环流有关。

Summary and conclusions

研究证实复杂地形区湍流特征显著受云量和背景风场调制：

1. 晴空强风是触发CBL底部湍流增强的关键条件；

2. 激光雷达与塔基观测的协同使用有效填补了近地层（<100米）湍流观测空白；

3. 成果可直接应用于改进NWP模型中的Monin-Obukhov相似理论（MOST）参数化方案。

Conclusion

该工作首次系统量化了森林复杂地形上湍流参数的垂直梯度变化，为理解山地-平原耦合系统的物质能量交换提供了新视角，对提升极端天气预测精度具有重要实践价值。