欧洲森林上方粗糙度亚层内的微气候变化：利用ICOS网络数据评估理论

《Agricultural and Forest Meteorology》：Microclimate variations in the roughness sublayer above European forests: assessing theories using ICOS network data

　　

森林是空气动力学粗糙表面，其上方湍流交换增强，导致风速和空气温度的垂直梯度小于Monin-Obukhov相似理论（MOST）的预测值。基于冠层结构的粗糙度亚层（RSL）修正已被提出用于解释这种湍流交换增强效应，但在多种森林类型上对上述RSL修正的评估仍然缺乏。在本研究中，研究人员利用ICOS欧洲网络的多年冠层结构、湍流通量和微气候梯度数据集，评估了两种广泛使用的RSL修正方案在不同气候、森林结构和大气条件下的表现。与预期一致，这些森林站点上观测到的风速梯度小于MOST预测值。两种RSL修正方案均以相似的精度改善了风速梯度预测，且不受大气稳定度条件影响。与风速相比，预测森林上方空气温度梯度所需的RSL修正存在更大差异，且取决于站点和大气稳定度条件。总体而言，冠层高度处的RSL修正量相对较小，空气温度平均约为0.5°C，风速平均约为0.5 m s^-1，并且在稳定大气条件下最为显著。基于对每种RSL修正背后简化假设的评估，研究人员提出了在模型中实施这些修正的建议。研究人员还讨论了风速传感器位置对估算应用MOST和RSL修正所需空气动力学参数的潜在影响，并为改进ICOS网络提供了建议。研究结果凸显了估算位移高度并将其与冠层结构相关联的难度，并对阻力系数不随叶面积或聚集度变化的观点提出了质疑。

**论文解读：欧洲森林粗糙度亚层微气候变化的评估——基于ICOS网络数据对理论体系的检验**

**1. 研究背景与科学问题**

陆地表面与大气之间的动量、感热和水汽交换对景观尺度上的微气候条件具有至关重要的调节作用。在森林等空气动力学粗糙表面上方，湍流交换显著增强，导致风速和气温的垂直梯度相较平滑下垫面明显减小。这种增强的湍流混合能力对于森林生态系统在极端天气事件（如冬季风暴、夏季热浪及伴随干旱）中为多种生物提供庇护具有重要意义。因此，理解植被冠层结构如何影响近地面湍流交换，对于制定缓解气候极端事件和生物多样性丧失的森林经营策略至关重要。

在经典的Monin-Obukhov相似理论（MOST）框架下，地表层中的风速和温度垂直梯度通过通量-梯度关系与湍流通量相联系。然而，大量研究表明，在林木顶端以上的粗糙度亚层（RSL）内，由于粗糙元对湍流的直接扰动，风速和温度梯度显著小于MOST的预测值。为修正MOST在该层内的偏差，学界发展了多种RSL修正函数，其核心思想是在MOST公式中引入一个以相对高度为变量的修正因子。目前，主流的RSL修正方案可归为两类：一类基于RSL高度（z*）的闭合参数化方案，如De Ridder (2010)提出的RSL-DR方案；另一类基于冠层剪切长度尺度（L_s）的连续修正方案，如Harman和Finnigan (2007, 2008)提出的RSL-HF方案。尽管这些方案已被提出，但现有的直接对比研究多局限于单站点、短周期观测，缺乏多站点、多年份的系统性评估。鉴于此，本研究依托欧洲综合碳观测系统（ICOS）网络的多年连续观测数据，系统评估了上述两种主流RSL修正方案在欧洲多种气候条件、森林结构和大气稳定度下的适用性，并尝试回答四个核心科学问题：离散风速廓线是否能可靠地估算空气动力学参数？这些参数与冠层结构的季节变化有何关联？在何种大气稳定度条件下RSL修正最为必要？哪个RSL表达式在多站点多季节间拟合最优？

**2. 数据来源与关键技术方法**

研究者选取了ICOS生态系统站网中具备至少五层水平风速观测、包含两层冠层以上高度的8个欧洲森林站点，并依据2019年疏伐作业导致的冠层结构变化将法国FR-Bil站点数据分为两个子集，最终形成9个数据集，时间跨度从10个月至4年不等。观测数据包括：风速与气温垂直廓线（由二维超声风速仪和通风式温湿度传感器获取）、涡度协方差系统测定的动量与感热通量（位于冠层上方参考高度）、以及ICOS协议框架下的冠层结构参数（如植物面积指数PAI、叶聚集指数、树高分布等）。研究采用多步数据过滤程序以保证数据质量，包括剔除降水时段、低摩擦速度（u^*≤0.05 m s^-1）时段、受塔体干扰的风向、以及温度廓线异常值。基于过滤后的数据，利用三次样条插值将离散风速廓线转化为连续廓线，进而计算五个关键空气动力学参数：空气动力学冠层高度（h_a）、位移高度（d）、剪切长度尺度（L_s）、中性条件下u^*与冠层顶风速之比（β_N）、以及冠层顶湍流普朗特数（Pr_N）。其中，h_a被定义为风速梯度最大处（即插值廓线的拐点）。随后，采用局部加权回归（LOWESS）算法对参数进行季节性平滑处理，并仅选取中性条件（|L_O|>500 m）下的中值进行理论评估。评估过程中，将MOST、RSL-DR和RSL-HF三种理论分别代入通量-梯度积分方程，对比预测值与实测的冠层高度处风速和气温差异。

**3. 主要研究结果**

**3.1 冠层空气动力学参数的季节变化**

对空气动力学冠层高度（h_a）的频率分布分析显示，多数站点的h_a分布峰值与生物计量冠层高度的第75百分位数接近，而非平均树高。这一发现表明，少数优势木对冠层的空气动力学行为起主导作用。在FR-Bil站点，疏伐后平均树高增加了24%，但h_a仅增加了2%，进一步印证了h_a主要受冠层最上层结构控制。部分站点（如FR-FBn、FI-Hyy）的h_a分布出现双峰现象，这并非由风向或季节变化引起，而是由于风速传感器布设高度未能有效包围树高统计值，导致样条插值无法准确再现风速廓线。剪切长度尺度L_s和β值表现出明显的季节变化，夏李（叶面积最大期）L_s较小而β较大，且落叶林的季节变化幅度大于常绿林。中性条件下的β_N分布显示，多数站点中值集中在0.30-0.40的经典范围内，但部分站点（如FR-FBn、NL-Loo、DE-Hai）的中值高达0.50-0.80，推测可能与h_a低估有关。

**3.2 冠层结构对空气动力学参数的影响**

将季节中位数的空气动力学参数与同步观测的PAI和叶聚集指数进行关联分析后发现，位移高度比d/h_a与PAI及叶聚集指数的相关性均较弱，且各站点间数值分散。然而，β_N与PAI及叶聚集指数呈正相关，但当PAI大于4 m² m^-2或叶聚集指数大于0.92后，β_N趋于平台，约为0.4-0.45。利用Inoue(1963)的混合长度理论，研究验证了L_s/(2h_aβ²_N)与1/(C_dPAI)的理论关系，其中C_d（冠层阻力系数）需设为0.4左右，高于常用的0.25。进一步分析发现，由数据反演的C_d随PAI增加而递减，与Massman (1997)提出的遮蔽系数公式一致，表明C_d并非常数，而是随冠层密度增加而减小，反映了冠层叶片的相互遮蔽效应。

**3.3 RSL理论评估：风速与温度梯度**

在统一以1.5h_a作为参考高度后，研究者比较了三种理论（MOST、RSL-DR、RSL-HF）预测的冠层顶风速和气温与实测值的偏差。结果表明，RSL-DR和RSL-HF在预测风速梯度方面表现出几乎相同的精度，并且在所有稳定度条件下均显著优于MOST，MOST系统地高估了中性（10%-25%）和稳定（25%-100%）条件下的风速梯度，导致冠层顶风速预测值偏低约0.5 m s^-1。对于气温梯度，RSL修正的必要性更具站点依赖性。在某些站点（如FR-Bil2），RSL-HF在稳定条件下表现出色，而在其他站点则并无明显优势。总体而言，RSL修正对气温梯度的改善幅度有限，平均修正量约为0.5°C，且主要集中在稳定层结条件下。

**3.4 RSL理论简化假设的检验**

对RSL-HF理论推导所需的中间变量（β/β_N和Pr/Pr_N）随大气稳定度的变化进行了实测与理论对比。结果显示，β/β_N随稳定度的变化幅度远小于Harman和Finnigan (2007)的预测（即与φ_m相关），而与式(10)所表达的φ^-1/3_m关系更为吻合。这一结果与观测到的L_s/(h_a-d)比值（约0.8，小于理论值2）相一致，暗示冠层内动量吸收并非完全均匀，L_c（冠层长度尺度）并非常数，且地面动量吸收不可忽略。Pr/Pr_N的观测数据因普朗特数难以精确测量而分散较大，但总体趋势与理论预测一致。

**4. 讨论与结论**

研究结果表明，利用离散风速廓线估算空气动力学参数需谨慎。传感器高度应至少包含：(1)包围树高上四分位数的两层；(2)其上额外一层；(3)其下若干层，以确保h_a、L_s、β和Pr的可靠估计。当前ICOS网络中部分站点的传感器布设未达此标准，这是导致某些站点参数估计偏差的重要原因。尽管d与冠层结构的关系未表现出明确的规律性，但在复杂地形站点（如CH-Dav），近地面二次风速极大值导致了偏低的d估计，这反映了局地流动复杂性对参数估算的影响。在RSL理论的适用性方面，RSL-DR和RSL-HF在风速梯度预测上无显著优劣，但在气温梯度预测上均表现不稳定。鉴于实测β/β_N的变化趋势更符合RSL-DR背后的更一般化假设，研究者建议在模型应用中使用更为通用的β参数化方案。同时，De Ridder(2010)提出的解析近似方法在近冠层顶处会产生非物理的逆梯度温度修正，故推荐使用数值积分法以避免此问题。总体而言，RSL修正虽能提高微气候要素梯度模拟的准确度，但其影响幅度较小，不应大幅改变微气候研究的总体结论。研究还指出，阻力系数随叶面积增大而减小的现象挑战了传统恒定C_d的假设，这一发现对冠层-大气交换过程的理论建模具有重要启示意义。未来研究应进一步探讨d和L_s对大气稳定度的依赖性，以进一步完善RSL理论体系。