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://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192325001650?via%3Dihub

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 Sciences. 69: 125-138

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

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)