高原气象

作者：王彦淇,张宇,苏有琦,张茜,叶敏

单位：成都信息工程大学大气科学学院/成都平原城市气象与环境四川省野外科学观测研究站，四川 成都 610225

关键词：希尔伯特黄,CEEMD,湍流,森林下垫面,镜像延拓

基金：国家自然科学基金项目(42275131),第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK010203)

为解决传统经验模态分解算法（Empirical Mode Decomposition， EMD）中存在的模态混叠现象， 引入了互补集合经验模态分解算法（Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition， CEEMD）和镜像延拓算法对EMD算法分解中存在的缺陷进行改进。本文选取四峨山人工森林区的湍流观测的个例数据， 首先对比分析了两种方法的差异， 明确CEEMD算法的优势； 随后选取了不同高度下稳定层结和不稳定层结的个例数据， 应用希尔伯特-黄变换算法对该个例下的风速 u和温度 T序列的湍流特征进行了分析， 探讨了希尔伯特黄变换算法的应用。结果表明： CEEMD的算法分解结果更加精细， 模态函数的模态混叠缺陷得到了更好的压制， 模态能量分布更集中， 希尔伯特边际谱存在更多的能量尖峰， 能量分布更加清晰。不同的模态函数存在有各自的特征频率， 分解所得的模态函数中包含着不同尺度的运动， 其中包含有满足-2/3斜率的惯性副区的湍流运动， 以及对应着含能区的低频大尺度模态， 且CEEMD分解得到的边际谱能量尖峰很好的反映了各模态函数的含能特征。个例分析表明： CEEMD算法可以作为一个典型的二分滤波器， 经CEEMD分解后， 该个例湍流信号中 u风的各模态函数中存在有3~6 min的阵风波动， 不同高度、 不同稳定层结下湍流特征表现有所差异， 正午不稳定层结下相比夜间稳定层结下希尔伯特边际谱幅值更高， 三维风速在各个高度混合更好， 且较低高度由于冠层的作用， 存在对大尺度湍涡的破碎作用， 边际谱相比其他高度表现出低频小而高频大的特征， 而温度 T在该个例下与三维风速表现有所不同： 稳定层层结下不同高度湍涡混合更好， 而不稳定层结下由于不同高度热力吸收的差异， 较低高度边际谱幅值较高， 并随着高度的升高而减小。

来源：2025年第2期

《高原气象》期刊编辑部

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