《Agricultural and Forest Meteorology》：Why sensible and latent heat fluxes vary differently with height: horizontal advection and multiscale turbulent transport over a heterogeneous surface
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本研究基于能量平衡实验（EBEX）在加州圣华金河谷一块漫灌棉田上获取的双层涡动相关（EC）观测数据，识别出8.7 m与2.7 m之间四种反复出现的感热通量（SH）与潜热通量（LE）辐合/辐散组合类型。研究人员采用含自适应噪声的完全集合经验模态分解（CEEMDA
本研究基于能量平衡实验（EBEX）在加州圣华金河谷一块漫灌棉田上获取的双层涡动相关（EC）观测数据，识别出8.7 m与2.7 m之间四种反复出现的感热通量（SH）与潜热通量（LE）辐合/辐散组合类型。研究人员采用含自适应噪声的完全集合经验模态分解（CEEMDAN）方法，结合方差、输送效率、象限分析、小波与傅里叶谱诊断手段，考察了区分这些类型的高度依赖性多尺度湍流输送特征。结果表明，中层（10–500 m）与大尺度（>500 m）运动而非局地小尺度湍流是区分四类通量梯度的主要因素。最强的分类机制证据为上层（8.7 m）垂直混合减弱，尤其是在中层尺度上；而改向下的标量输送则作为辅助机制，有助于解释SH与LE呈相反梯度符号的行为。代表性个例的小波与傅里叶交叉谱分析进一步支持了上述合成统计结论。该研究强调，在水平平流有利的异质灌溉地表条件下，单高度EC测量的通量可能与近地层较低高度处的实际交换量存在系统性偏差，从而对通量高度代表性评价与地表能量平衡闭合研究提出重要启示。
**一、研究背景与科学问题**
大气近地面层中的湍流输送调控着地表与大气之间的动量及热量、水汽、二氧化碳等标量交换。经典的涡动相关（EC）方法通常假定在常通量层内，某一高度上测得的湍流标量通量可代表其下垫面的实际交换量。然而，当下垫面存在强烈的温度、湿度、反照率及土壤含水量等非均匀性时，局地平流、内边界层发展及非局地大尺度运动的共同作用会使通量在垂直方向上发生辐合或辐散，导致不同高度的通量测量值不再等效。已有研究（如EBEX实验，Energy Balance Experiment，能量平衡实验）表明，在灌溉农田周边存在干湿过渡的异质下垫面条件下，感热和潜热通量的垂直梯度可以呈现不同符号组合，但其背后的尺度分解与物理机制尚未得到系统解释。为此，本研究利用EBEX实验中8.7 m与2.7 m两层EC观测，识别SH与LE通量辐合/辐散的四种反复出现的配对类型，并围绕两个科学问题展开：一是何种尺度依赖的湍流输送特征区分了这些类型；二是哪些机制最能解释这些差异。
**二、研究方法与数据来源**
研究数据来自加利福尼亚州圣华金河谷一块漫灌棉田的EBEX实验（Oncley等，2007；Mauder等，2007；Kohsiek等，2007）。实验点位于棉田中部附近，北侧为大面积干燥裸土区，沿主导风向形成显著干湿过渡；北—南向漫灌又造成额外斑块尺度异质性。分析时段为2000年8月5日至23日，保留主导风向为偏北气流（315°–360°及0°–45°）的时段，以维持一致的干—湿上游源区配置。两层EC系统分别架设于2.7 m和8.7 m高度，各配有三维超声风速计（CSAT3, Campbell Scientific, Inc.）、细丝热电偶（FW05, Campbell Scientific, Inc.）和氪灯湿度计（KH?O, Campbell Scientific, Inc.），原始采样频率10 Hz，数据经30分钟平均处理。通量处理流程包括：基于30分钟全局中位数绝对偏差（MAD）的去尖峰、风分量的二次旋转、超声虚温湿度订正、氧气吸收订正、WPL密度订正，以及30分钟平均通量与湍流统计量计算。
质量控制条件包括：湍流强度 I<0.5（保证Taylor冻结湍流假设成立）、净辐射 Rn>100 W/m2（限定白天辐射强迫显著时段）、|SH|>5 W/m2、|LE|>10 W/m2（避免通量比值分辨率过低），并排除灌概活动期间及数据连续性不足的时段。经过CEEMDAN重构检验（重构通量与原始通量偏差<5%，DiffR重构偏差<5%且符号不变），最终保留458个白天30分钟时段中的153个（33%）用于后续分析。
在尺度分解方面，研究人员采用含自适应噪声的完全集合经验模态分解（CEEMDAN，complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise）方法，将垂直速度与标量脉动分解为若干固有模态函数（IMF）后，基于Taylor冻结湍流假设将IMF时间频率转换为空间尺度，划分为小尺度（<10 m）、中尺度（10–500 m）、大尺度（>500 m）三个诊断尺度段。CEEMDAN在Python中通过PyEMD v1.9.0实现，采用300个集成试验、噪声尺度参数ε=0.001，并用镜面填充减小边界效应。对于尺度贡献通量，研究人员认为湍流标量通量的本质是垂直速度对标量的输送，因此仅按垂直速度所属IMF尺度来分配通量贡献，而允许该尺度垂直速度输送多个标量尺度的脉动。输送效率定义为该通量贡献与垂直速度方差和标量总标准差之比，即相关系数γ。此外，研究还采用广义Morse小波连续小波变换（CWT）及快速傅里叶变换（FFT）交叉谱对代表性个例进行诊断。
基于感热与潜热通量的两层差值比率DiffR = (Flux_8.7m?Flux_2.7m)/|Flux_2.7m|，每个30分钟时段被划分为四种经验类型：F_CSH_FCLE（SH辐合、LE辐合，22例）、F_DSH_FCLE（SH辐散、LE辐合，44例）、F_DSH_FDLE（SH辐散、LE辐散，40例）、F_CSH_FDLE（SH辐合、LE辐散，21例），共127个稳定性一致的时段用于类型对比分析。
**三、主要研究结果**
（1）中层与大尺度运动主导类型分离
研究发现，局地小尺度湍流在两个高度上均表现为较稳定的背景贡献，其通量贡献普遍在2.7 m处更大，因此总体有利于辐散，但不同SH–LE类型之间的差异有限。与之相对，中尺度（10–500 m）运动是四类通量梯度结构最敏感和最有辨识度的尺度组：在F_CSH_FCLE类型中，8.7 m高度对SH与LE的贡献均偏大，产生两种通量的辐合；在F_DSH_FCLE类型中，8.7 m的SH贡献偏小但LE贡献偏大，直接形成SH辐散与LE辐合并存的混合状态；在F_DSH_FDLE类型中，中尺度贡献对两种通量均趋向辐散；在F_CSH_FDLE类型中，SH的上层贡献与低层接近，而LE上层贡献偏小。大尺度运动则进一步强化类型差异：SH垂直梯度主要受8.7 m处贡献的符号变化控制；LE大尺度贡献在各类别中提供不同程度的辐合增强。综上，中层运动提供主要类型分离，大尺度运动进行选择性强化。
（2）上层垂直混合减弱是最强机制
垂直速度方差σ2(w)与输送效率γ的分析显示，最清晰的类别依赖性信号出现在8.7 m高度：在中尺度范围内，垂直速度方差随类型从F_CSH_FCLE向F_DSH_FCLE、F_DSH_FDLE、F_CSH_FDLE逐步下降，输送效率同样在8.7 m处明显减弱，而2.7 m处的变化则相对缓和。σ2(w)与γ的同步衰减表明上层不仅垂直运动强度减弱，垂直运动与标量脉动之间的耦合效率也在降低，构成“上层垂直混合减弱”的操作性定义。
（3）标量输送路径改变为辅助机制
水汽密度方差σ2(q)并不严格遵循σ2(w)的下降趋势，说明仅凭混合强度无法完全解释感热与潜热的差异。象限分析进一步显示，中尺度运动的喷射、扫掠及内向/外向相互作用贡献随类型发生系统性变化，提示不同类型中向上与向下输送的相对占比不同。该路径对SH与LE符号相反的混合类型（如F_DSH_FCLE、F_CSH_FDLE）最具解释力：穿入采样层的空气块可能携带不同的温度与湿度属性，使两种标量的通量梯度不必一致。由于未直接观测空气块的源地与标量属性，该路径被作为辅助性、谨慎的解释。
（4）代表性个例验证
选取各类型的代表时段进行小波与傅里叶交叉谱分析。结果显示，辐合较强的类型（如F_CSH_FCLE）在8.7 m处以10–50 m尺度出现更强、更连贯的羽流状结构；辐散较强的类型（如F_DSH_FDLE）上层结构明显减弱。这些独立于CEEMDAN尺度划分的诊断与合成统计一致，为中层与大尺度运动主导类型分离提供了个例层面支持。
**四、讨论与结论**
本研究表明，非均匀灌溉农田上SH与LE可以对同一多尺度湍流环境做出不同响应，四种类型代表标量特异的通量梯度状态，而非同一状态的强弱差异。这对EC通量测量的高度代表性具有直接意义：辐合意味着8.7 m有符号通量大于2.7 m，辐散则意味着小于2.7 m，因此单高度EC测量在平流有利的异质下垫面条件下可能系统性地偏离近地层低层交换。研究同时指出其局限性：水平标量梯度未直接测量，平流仅作为背景强迫而非直接事件成因；IMF尺度分配具有非唯一性；F_CSH_FDLE类型主要发生于稳定层结，样本需谨慎解读。未来研究建议结合多层通量测量、风温湿廓线及直接平流观测，并通过大涡模拟（LES）与控制体积分析分离斑块尺度强迫、内边界层发展与大气边界层大尺度运动的作用。
翻译研究结论部分：利用灌溉棉田上的双层EC测量资料，研究人员识别出8.7 m与2.7 m之间四种反复出现的SH–LE通量辐合/辐散类型。中层与大规模运动提供了主要类型分离依据，而小尺度湍流主要形成背景倾向。最强的支撑机制是上层垂直混合减弱（尤其在中尺度尺度），改向下的标量输送则为SH与LE相反响应提供了辅助性解释。干—湿站址几何与偏北气流将结果置于平流有利的绿洲效应背景中，此类干湿对比在灌溉农业景观中广泛存在。由于水平标量梯度未测量，平流被视作更广泛的物理强迫而非个别类型的事件尺度成因。该类型结构受到两层多尺度湍流信号的直接支撑。这些类型对高度代表性具有直接启示：辐合意味着8.7 m有符号通量大于2.7 m，均散发散则较小。因此，在异质灌溉地表上，单高度EC测量可能因层内输送而与低层交换存在系统性偏差。四类框架为识别此类偏差提供了基于过程的依据，并为未来多层测量与边界层廓线及直接平流诊断的结合提供了支持。
