涡度相关（Eddy Covariance,EC）技术是唯一可直接测量生态系统与大气物质-能量交换的方法，但在山地森林的应用面临挑战。风是标量运输的媒介，理解山地风格局有助于更好地认识山地森林边界层过程，服务数据质量控制、解释碳通量测量结果。然而，山地森林的风场特征具有高度空间异质性，单点观测几乎无法形成对风场的整体认知，基于多点协同观测的研究仍鲜见报道。针对上述挑战，中国科学院沈阳应用生态研究所森林屏障大团队依托清原-科尔塔群（近万亩独立森林流域内3座观测塔：天然阔叶混交林T1-MBF、天然蒙古栎林T2-MOF、落叶松人工林T3-LPF；图1），通过多塔协同测风与碳通量观测数据，开展“风格局”主题系列研究，进展如下。

（1）通用风速廓线模型无法准确预测山区风速。通用风速廓线模型（经典基于莫宁⁃奥布霍夫相似理论的解析方程）长期被用于平坦地形上的风速预测，但在非平坦地形适用性尚不清楚，其适用性决定了EC法计算碳水通量和源区分析的准确性。研究发现，通用风速廓线模型无法准确预测清原森林站３座通量塔所在地的风速（R²为012~0.30，标准误差>2 m·s^-1）（图2），而在盘锦平原区的农田站表现良好（R²为090~0.93，标准误差>0.5 m·s^-1）。地形是影响通用风速廓线模型适用性的主要因素，其次是季节性（有叶/无叶期）因素。风速廓线模型在非平坦地形上不适用，其原因是零平面位移被低估，或零平面位移和粗糙度均被低估，进而使空气动力学高度估计不准，研究为山区EC法关键参数校正提供思路。上述研究以“通用风速廓线模型在山区森林的适用性”为题发表于《应用生态学报》（2024年3月）。

（2）塔群协同观测揭示风场特征与驱动力。热力驱动的山谷风系统是山地气象的重要特征，影响着复杂地形区的能量和标量运输。研究发现，清原-科尔塔群T1和T3冠上以偏南风（下坡风）为主，而T2冠上则以上坡风为主；夜间三个站点分别转为谷风、上坡风和下坡风主导。沿垂直梯度上观测到不同程度的风向切变，表明冠层上下风向频繁解耦。三座塔均未表现出典型的山谷风昼夜反转特征（典型天占比约10%），较强天气风与局地热力环流相互作用，大幅削弱了局地热力驱动的山谷风系统（图3）。生长季较强的季风，频繁多云/阴天降低了入射太阳辐射是其主要原因。综合塔群的风场、虚位温梯度及CO₂通量格局分析发现，T3夜间更易发生泄流（drainage flows），可能导致净生态系统CO₂交换量（NEE）低估，而T1和T2的泄流效应较弱。该研究结果为理解山区森林生态系统风格局提供了新认知，为复杂地形碳通量数据校正奠定基础。上述研究以“Wind regimes and their drivers in mountainous forests: collaborative observations by Qingyuan Ker Towers”为题发表于Agricultural and Forest Meteorology（2025年4月）。

（3）提出基于风向扇区的山地森林通量数据过滤与空缺插补新策略。通量站点的各方向下垫面的异质性（如各向零平面位移高度差异大）增加了数据分析的难度。在山区风场特征解析的基础上，针对复杂地形通量塔各向异质性大的特点，构建了一种通量数据过滤与空缺插补新策略：以通量塔为中心，划分风扇区分别估计各扇区的摩擦风速阈值(u_∗c)，评估了不同空缺插补方法的表现。研究发现下垫面粗糙度随不同风向扇区而变化，导致经典的摩擦风速(u^∗)过滤夜间碳通量的准确性降低；分风向扇区估计u^∗阈值(u^∗_c)可以显著提高夜间CO₂通量过滤的准确性（图4），分风向扇区估计u^∗_c进行插补可将偏差降低15.9%。主流插补方法的精度均随着空缺长度的增加而下降，随机森林模型表现最好，且插补年NEE效果更稳健且准确。上述研究揭示了山地分风向扇区对夜间CO₂通量的过滤的重要性，并发现RF插补方法均表现出更高的准确性和稳定性。研究强调了选择合适的插补方法和过滤标准的重要性；在区域/全球Meta分析和森林碳汇评估时，需谨慎考虑多站点不同插补方法对分析结果的潜在影响。上述成果以“Filtering and gap-filling strategies in eddy covariance CO₂ flux series of mountainous forests: Comparison based on measurements from Qingyuan-Ker Towers”发表于Science China Earth Sciences（中国科学：地球科学）（2025年12月）。

上述论文的第一作者包括中国科学院沈阳应用生态研究高添研究员、硕士研究生庞云超（沈阳农业大学联培）、李彤彤（山东师范大学联培），通讯作者为朱教君研究员、李秀芬教授、高添研究员；合作者还有美国Campbell Scientific Inc.杨柏教授、周新华教授，中国科学院地理科学与资源研究所陈智研究员，兰州大学赵长明研究员、管超研究员，中国林业科学研究院张劲松研究员、黄辉副研究员，东北林业大学生态学院王兴昌副教授，中国气象局沈阳大气环境研究所李荣平研究员，辽宁省气象信息中心肇同斌工程师，沈阳农业大学徐艺璇，中国科学院沈阳应用生态研究所吴家兵研究员、张金鑫高级工程师、孙一荣高级工程师、于丰源工程师、滕德雄助理研究员、李双天博士。上述研究基于清原-科尔塔群完成，得到国家自然科学基金（32192435）、国家重点研发项目（2023YFD2200405）、中国科学院网络安全与信息化技术科学应用及示范项目（CAS-WX2022SF-0101）、辽宁省重点研发计划（2023JH2/101800043）和兴辽英才计划（XLYC2201002，YS2023006）项目的支持。

发表论文：

1. Gao T.,Zhu J.*,Xu Y.,Li X.,Wang X.,Yu F.,Teng D.,Sun Y.,and Zhang J. 2025. Wind regimes and their drivers in mountainous forests: collaborative observations by Qingyuan Ker Towers. Agricultural and Forest Meteorology,368: 110545.

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11430-024-1723-y

2. Li T.,Gao T.*,Teng D.,Chen Z.,Yang B.,Wang X.,Zhao C.,Zhang J.,Huang H.,Guan C.,Wu J.,Yu F.,Zhang J.,Sun Y.,Li S.,Zhou X.,and Zhu J. 2025. Filtering and gap-filling strategies in eddy covariance CO2 flux series of mountainous forests: Comparison based on measurements from Qingyuan-Ker Towers. Science China Earth. 69: 125-138

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192325001650?via%3Dihub

3. 庞云超,高添,李秀芬*,肇同斌,王兴昌,李荣平,于丰源,曲胜麟,滕德雄,朱教君. 2024. 通用风速廓线模型在山区森林的适用性. 应用生态学报,35: 577-586.

原文链接：https://read.cnki.net/web/Journal/Article/YYSB202403001.html

图1清原-科尔塔群位置与所在流域地形

图2 实际测风速和预测风速的相关性

图3 典型与非典型山谷风系统示例分析

图4 不同空缺长度、数据过滤和空缺插补方法的决定系数(a)、均方根误差(b)、偏差(c)