重新审视湍流输送差异与相干结构转换：来自亚热带稻田观测研究的启示

《Agricultural and Forest Meteorology》：Revisiting turbulent transport dissimilarities and coherent structure transitions: An observation study from subtropical paddy fields

　　

动量、热量及被动标量（如水汽、CO?）的垂直湍流输送是地表与大气相互作用的基本途径，清晰认识真实湍流过程对湍流参数化及改进数值模式性能至关重要。传统上常假设湍流对动量与标量的输送相似（即雷诺类比 Reynolds analogy），但越来越多研究表明动量、感热与被动标量间的湍流输送存在差异（turbulent transport dissimilarity），即便在定常均匀条件下亦如此，其内在机理尚待深入阐明。研究人员基于亚热带均匀稻田上的微气象观测，重新考察了动量—热—被动标量间的输送差异，并进一步探究了湍流相干结构（turbulent coherent structures）在其中的作用。与已有研究相比，该观测场地下垫面具理想均一性，且表现为地表感热强迫减弱伴高环境湿度之特殊配置。结果表明，即便在理想下垫面及特定地表热力—动力强迫组合下，不同变量间仍出现湍流输送差异/相似性，其程度随大气稳定度变化，并显著伴随相干结构类型的改变。此外，从宏观与微观角度描绘了各稳定度区间主导的相干结构（含热力羽流 thermal plumes、发夹涡 hairpin vortices、倒转斜坡结构 inverted ramps 及间歇性湍流 intermittent turbulence）及其效应。研究发现，当特定相干结构仅能高效输送某一或某些变量（动量、热量或被动标量）而不能高效输送其他变量时，即产生湍流输送差异。上述发现不仅支持输送差异普遍存在于非复杂下垫面之外，亦揭示其内在成因，对改进数值模式中涉及多物理量的陆—气交换（land–atmosphere exchange）过程参数化具有重要意义。

论文解读——《Agricultural and Forest Meteorology》刊载研究：亚热带稻田湍流输送差异与相干结构转换的再考察

一、研究背景与立项依据

根据莫宁—奥布霍夫相似理论（Monin–Obukhov Similarity Theory, MOST）及雷诺类比（Reynolds analogy），常假定湍流对动量（momentum）与标量（如感热、水汽、CO?）的输送相似。然而已有观测表明，动量、感热（sensible heat flux, H）与被动标量（passive scalars，如潜热 latent heat flux, LE；CO? flux, F_c）间存在湍流输送差异（turbulent transport dissimilarity），其诱因包括平流、夹卷及源汇非均匀分布等，而湍流相干结构（coherent structures）——即承担大部分湍流动量/标量输送的大尺度有组织涡旋结构——被认为起关键作用。既有研究多聚焦于感热主导的半干旱/干旱区，对于感热强迫弱、高湿的亚热带湿润稻田区，相干结构演变及其对输送差异的调制作用尚缺乏系统认识。此外，夜间稳定层结下弱湍流中的输送差异及相干结构特征亦不明晰。淮河中游寿县国家气候观象台位于气候过渡带，周边为均匀水稻—小麦轮作农田，下垫面平坦均一，是探究本征微气象过程的理想站点。因此，研究人员以该站2016年8月涡度协方差（Eddy Covariance, EC）观测为基础，在全稳定度范围内考察动量—热—被动标量间输送差异特征，并阐明相干结构在其中的作用机制。

二、主要技术方法概述

研究人员利用寿县国家气候观象台（32.44°N, 116.79°E）2016年8月稻田生殖生长期EC系统（CSAT3A三维超声风速温度仪+EC150开路CO?/H?O气体分析仪，采样频率10 Hz，安装高度2.5 m）获取风速分量(u,v,w)、位温(θ)、水汽摩尔密度(q)、CO?摩尔密度(c)原始序列。数据经EddyPro v7.0.6进行野值剔除（despiking, Vickers and Mahrt 1997）、双重坐标轴旋转（double coordinate rotation）、雷诺分解（Reynolds decomposition）、线性去趋势及Webb–Pearman–Leuning密度校正（WPL correction），计算30 min平均湍通量——动量通量τ、感热通量H＝ρc_pw'θ'拔、潜热通量LE＝L_vM_H?Ow'q'拔、CO?通量F_c＝w'c'拔、摩擦速度u_*、Obukhov长度L及稳定度参数z/L。采用象限分析（quadrant analysis）将w'a'平面划分为四相限（Q1 ejection, Q2 outward interaction, Q3 sweep, Q4 inward interaction）量化各相干运动对通量的绝对通量贡献S_i,wa与时间占比T_i,wa；进一步引入八分体分析（octant analysis）计算热与另一变量（动量或被动标量）的输送相似指数TS_wa,wθ∈[0,1]以定量表征输送相似/差异程度。通过分段箱线平均与拟合探讨湍流输送效率r_wb＝w'b'拔/(σ_wσ_b)及TS随z/L的变化；选取代表性时段做时间序列展示与功率/相干/相位谱（cospectra, coherence, phase spectra）微观统计比对。

三、研究结果

3.1 Overview of meteorological background and turbulent fluxes（气象背景与湍流通量概况）

观测期白天净辐射驱动感热与潜热向上输送，潜热通量（昼均峰值约320 W/m2）远大于感热（昼均峰值约42 W/m2），Bowen比均值0.11，反映亚热带稻田能量分配特征。CO?昼间向下（吸收）均值?30 μmol/m2/s，夜间弱向上释放，全期净CO?累积?19.13 mol/m2，表明稻田为碳汇。湍流动能（TKE）剪切产生项量级与旱区相当，浮力产生项明显偏低，整体呈机械湍流主导、热力浮力贡献偏弱的特征。

3.2 Variation of turbulent transport dissimilarities with atmospheric stability（湍流输送差异随大气稳定度的变化）

湍流输送效率r_wb随z/L变化：动量在近中性达最大（≈0.3），强不稳定/强稳定下下降甚至出现逆梯度输送；感热在近中性效率低（位温梯度弱），强不稳定下达≈0.6；被动标量（q,c）在弱不稳定近似动量、强不稳定近似感热。输送相似指数TS显示：近中性时热与动量/被动标量相似度低（0.4–0.6），因机械剪切驱动的相干结构对热输送低效；弱不稳定时动—热相似先升后降（z/L≈?0.1处最大≈0.65）；强不稳定下热—被动标量相似度>0.8（热力羽流共同输送），动—标量差异显著；弱稳定（0.01≤z/L<0.2）各变量间相似度高，近弱不稳定情形；强稳定下通量相近趋零且随机性强，任意两变量相似指数降低约0.2，源于间歇性湍流（intermittent turbulence）及亚中尺度运动（submeso motions）干扰。功率谱/相干谱/相位谱微观统计佐证：强不稳定时wθ,wq,wc谱一致但与uw谱偏离；近中性时wθ谱展宽且相干低；弱稳定四变量谱接近；强稳定谱峰向高频移、相干低且相位散大。

3.3 Transition of turbulent coherent structures with atmospheric stability（湍流相干结构随稳定度的转换）

象限分析各相贡献结合典型时段时序显示：①近中性（z/L≈?0.001）：发夹涡（hairpin vortices/packets）致Q1 ejection与Q3 sweep对称贡献动量及被动标量通量，对感热输送低效（counter-gradient抵消强），时序呈对称极值，对应热输送差异；②强不稳定（z/L≤?0.2）：热力羽流（thermal plumes）使Q1 ejection对H、LE、F_c贡献增大，ramp结构（慢升陡降）致θ',q',?c'正偏态，同时水平辐散/辐合引发u'呈N形结构使动量向下梯度被抵消——热与被动标量相似输送，动量与标量差异；③弱稳定（0.01≤z/L<0.2）：倒转斜坡结构（inverted-ramp structures）以Q3 sweep主导四变量输送，时序先陡降后缓升致负偏态，各变量一致——输送相似；④强稳定（z/L≥0.2）：间歇性湍流叠加亚中尺度"脏 waves"，湍流爆发（burst）与准静止（quiescent period）交替，各变量counter-gradient