植被冠层湍流与空间异质性的关联

《Agricultural and Forest Meteorology》：Linking vegetated canopy turbulence to spatial heterogeneity

　　

•通过风洞实验研究了湍流边界层流经活体苔藓和比例模型树冠冠层的情况。•提出了一种构建具有代表性的模型树冠的方法。•量化了树冠的空间异质性，并将其与边界层特征联系起来。

**引言**

森林树冠中的湍流通过独特的双向耦合过程受到生物现象的影响：树木和其他植物在适应流动的同时，也在塑造其结构。许多风播植物依赖湍流将种子、花粉和孢子从树冠中弹出并输送到新的栖息地（Nathan等人，2002；Soons等人，2004；Bohrer等人，2008；Damschen等人，2014；Pan等人，2014；Pan等人，2015；Cruzan和Hendrickson，2020）。湍流混合促进了标量传输，并通过整个树冠的气体通量增强植物呼吸作用（Kaimal和Finnigan，1994；Finnigan，2000；Conan等人，2015；Gerken等人，2017），而缺口处和树冠边缘的阵风会损坏或吹倒部分树冠（Dupont和Brunet，2008a；Dupont和Brunet，2008b；Dupont等人，2011；Gromke和Ruck，2018）。同时，森林树冠剪切大气边界层（ABL）的下部，导致树冠内外形成几种独特的流动状态（Kaimal和Finnigan，1994；Finnigan，2000；Finnigan等人，2009）。

在森林树冠内部，流体力学受无数树干、树枝和叶片的累积效应驱动。在上层树冠中，植被对平均流动产生拖曳，产生特征性的拐点速度剖面和内部边界层（Raupach等人，1996；Finnigan，2000；Finnigan等人，2009；Mo等人，2022）。特定树冠的动量吸收程度取决于树冠叶片的垂直分布，即叶面积密度（LAD），以及以林分密度表示的树冠占据度。在动量吸收方面，林分密度类似于孔隙率：茂密的林分类似于不可渗透体（Cassiani等人，2008），而稀疏的林分对流几乎不构成阻碍（Russell等人，2018）。叶面积密度驱动拐点速度剖面的形成和树冠尺度相干结构的产生（Raupach等人，1996；Finnigan，2000；Dupont和Brunet，2009；Conan等人，2015；Bailey和Stoll，2016；Perez等人，2025）。实际上，叶面积密度和林分密度通常取为物种、空间或区域平均值（Wieringa，1986；Raupach和Shaw，1982；Mason，1988；Bou-Zeid等人，2007；Nakao和Hattori，2019），因为叶面积密度特定于某棵树的生长史，而林分密度受降水、地形以及火灾、虫害或森林砍伐等多种外部因素的影响（Peh等人，2015）。然而，对树冠结构差异进行平均处理可能会掩盖关键的流动现象，因为森林树冠本质上是不均匀的，而树冠湍流本身就是复杂树冠几何结构的产物。例如，树冠覆盖的间断会引入回流区（Rodrigo等人，2007；Lopes等人，2015；Nakao和Hattori，2019；Kadum等人，2025）、边缘效应如增强的雷诺应力（Yang等人，2006；Gromke和Ruck，2018；Gromke，2018），以及通过改变动量传输和干扰大气边界层而延长内部边界层的形成过程（Lopes等人，2015；Nakao和Hattori，2019）。此外，由树冠异质性引起的流动不稳定性驱动了若干瞬态湍流现象，如发卡涡卷的形成（Finnigan，2000；Perez等人，2025）。

树冠结构与流动动力学之间的关系给树冠湍流的研究带来了独特的复杂性。用于模拟和风洞实验的树冠模型必然与实际森林不同，而野外测量则具有场点特异性并受外部因素影响（Maurer等人，2013）。在模拟中，可以显式地解析全尺度不均匀森林树冠（Yue等人，2007；Bohrer等人，2007；Bohrer，2007；Bohrer等人，2008；Bohrer等人，2009），或将其包含为具有空间定义拖曳项和亚网格应力项的多孔介质体积（Lopes等人，2015；Nakao和Hattori，2019；Perez等人，2025）。相比之下，为风洞实验创建合适的缩尺树冠替代物需要制造缩尺的树冠几何形状并选择合适的材料以确保代表性的流体力学特性（Gromke和Ruck，2008；Gromke，2018；Kadum等人，2025）。鉴于这些复杂性，许多替代树冠模型是基于目标叶面积密度和林分密度而非三维森林结构设计的。尽管如此，树冠模型的变化很大，它们由各种材料制成，包括木钉（Poggi等人，2004）、金属丝网（Aubrun和Leitl，2004；Aubrun等人，2005；Conan等人，2015；Coudour等人，2016）、泡沫块（Rodrigo等人，2007），以及成型泡沫配合原位木钉（Gromke和Ruck，2008；Gromke，2018；Kadum等人，2025；Mo等人，2022）。在模型树冠中，单个元件可能是随机分布的、排列在规则网格上的，或者在实心泡沫块的情况下完全不存在。因此，在不同实验研究之间复现研究结果具有挑战性，因为制造等效的树冠替代物往往不可行，而不同的模型几何形状可能会模糊相关的湍流现象。虽然工程设计树冠替代物不被期望重现自然森林树冠中的实时流体相互作用，但捕捉代表性的树冠湍流所需的空间保真度仍然是一个悬而未决的问题。

本工作通过一系列风洞实验，利用活体苔藓树冠和具有不同程度空间异质性的缩尺替代树冠，研究了湍流与树冠结构之间的耦合关系。具体而言，本研究旨在量化制造的树冠模型在多大程度上再现了自然森林树冠的湍流流动特征，此处以活体苔藓为代表。在斑块尺度和个体尺度两个层次上考察树冠异质性，并提出了一个基于生物信息的可重复设计的树冠替代物框架。缩尺树冠模型由高通孔率网状泡沫制成，排列方式包括具有均匀结构的均质树冠或受老龄森林林分启发的异质树冠。斑块尺度异质性通过树冠段之间等间距的缺口引入，以及通过移除植被层的木钉配置实现。使用两根时间同步的热线风速仪沿垂直断面收集瞬时速度测量数据，以获得高阶湍流统计量并表征树冠内部边界层的发展。湍流统计量、频谱和相关性根据树冠空间异质性进行分析，以识别特定异质性尺度与流动特征之间的关联。利用孔度分析量化树冠异质性，并与特征异质性长度尺度相关联。随后，将边界层厚度和形状因子作为空间异质性指数的函数进行评估。

第2节介绍基本理论和定义。第3节提供实验方法和树冠替代物制造的详细信息，异质树冠设计和制造的更多信息分别见附件A和附件B。第4节呈现并讨论了研究结果。第5节给出结论性评论和未来的工作建议。

**理论**

稳态不可压缩流体的雷诺平均纳维-斯托克斯方程表示为：

u??u?/?x?（I）= -1/ρ ?p/?x?（II）- ?(u?'u?')?/?x?（III）- F?

其中I表示对流项，II表示与主流动分量对齐的压力梯度，III表示雷诺应力张量，F?是阻碍物（如单棵树木或整个林分）对流产生的反作用力。在此及后续公式中，瞬时速度表示为（?），平均量表示为（u?），

**方法**

在波特兰州立大学微缩风洞中进行了一系列风洞实验，以量化空间异质性在湍流树冠边界层发展中的作用。工程化树冠模型由高通孔率网状泡沫制造，按树冠复杂度从均质林分到交替分布的生态代表性森林林分进行排列。活体苔藓被引入风洞中，与可比的泡沫替代物一同进行测试。热

**树冠内的湍流**

树冠流中的平均流向速度剖面受树冠密度和异质性的影响（图6）。完整树冠排列产生最大的动量损失，而稀疏的木钉排列提供的流动阻力相对较小。具有植被层的树冠显示出特征性的拐点速度剖面，最大速度亏损中心位于约0.6H处，且树干层速度升高。仅由木钉组成的案例不会发展出拐点剖面，因为它们

**结论**

通过一系列风洞实验，利用缩尺树冠替代物和活体苔藓树冠，量化了树冠空间异质性对湍流树冠边界层的影响。均质树冠由规则排列的相同树冠元件制成，而异质树冠则模仿老龄 ponderosa 松和 Jeffrey 松林分。斑块尺度异质性通过间距为2H的重复缺口引入，以及作为移除泡沫

**CRediT作者贡献声明**

Ryan Scott：原稿撰写、可视化、软件、方法学、调查、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。Elizabeth Hendrickson：审阅与编辑、调查、概念化。Facundo Booman：审阅与编辑、可视化、软件、方法学、数据整理。Abdelhalim Abdeldayem：审阅与编辑、软件、方法学、调查。Katie Taylor：审阅与编辑、可视化，

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

Ryan Scott | Elizabeth Hendrickson | Facundo Booman | Abdelhalim Abdeldayem | Katie Taylor | Marc Calaf | Mitchell Cruzan | Raúl Bayoán Cal