WikiDer > Ковариация вихрей

Eddy covariance
Система вихревой ковариации, состоящая из ультразвукового анемометра и инфракрасного газоанализатора (IRGA).

В ковариация вихря (также известный как вихревая корреляция и вихревой поток) является ключевым методом атмосферных измерений для измерения и расчета вертикальных турбулентных потоков в пределах пограничные слои атмосферы. Метод анализа высокочастотный ветер и скаляр ряды атмосферных данных, газ, энергия и импульс,[1] что дает значения потоки этих свойств. Это статистический метод, используемый в метеорология и другие приложения (микрометеорология, океанография, гидрология, сельскохозяйственные науки, промышленные и нормативные приложения и т. д.) для определения обменных курсов газовых примесей над естественными экосистемами и сельскохозяйственными полями, а также для количественной оценки темпов выбросов газа из других земельных и водных территорий. Часто используется для оценки импульс, высокая температура, потоки водяного пара, диоксида углерода и метана.[2][3][4][5][6]

Этот метод также широко используется для проверки и настройки глобальные климатические модели, мезомасштабные и погодные модели, сложные биогеохимические и экологические модели, а также оценки дистанционного зондирования со спутников и самолетов. Этот метод сложен с математической точки зрения и требует особой осторожности при настройке и обработке данных. На сегодняшний день не существует единой терминологии или единой методологии для метода ковариации Эдди, но большие усилия прилагаются к сетям измерения потока (например, FluxNet, Америфлюкс, ICOS, CarboEurope, Fluxnet Canada, OzFlux, НЕОН, и iLEAPS) для унификации различных подходов.

Прибор для измерения вихревой корреляции потоков кислорода в придонных средах.

Этот метод также доказал свою применимость под водой к бентосная зона для измерения потоков кислорода между морским дном и вышележащей водой.[7] В этих условиях этот метод обычно известен как метод вихревой корреляции или просто вихревой корреляции. Потоки кислорода извлекаются из исходных измерений в основном по тем же принципам, что и в атмосфере, и они обычно используются в качестве прокси для углеродного обмена, что важно для локальных и глобальных углеродных бюджетов. Для большинства бентических экосистем вихревая корреляция является наиболее точным методом измерения на месте флюсы. Разработка этого метода и его применение под водой остается плодотворной областью исследований.[8][9][10][11][12]

Общие принципы

Изображение воздушного потока в пограничном слое атмосферы

Воздушный поток можно представить как горизонтальный поток множества вращающихся вихрей, то есть турбулентных вихрей различного размера, каждый из которых имеет горизонтальную и вертикальную составляющие. Ситуация выглядит хаотичной, но вертикальное перемещение компонентов можно измерить с башни.

Pyörrekovarianssi-tekniikan kaaviokuva.jpg
[4]
[4]
Физический смысл метода вихревой ковариации

В одной физической точке башни, в момент времени Time1, Eddy1 перемещает воздушную струю c1 вниз со скоростью w1. Затем, в момент Time2, Eddy2 перемещает посылку c2 вверх со скоростью w2. В каждой посылке указана концентрация газа, давление, температура и влажность. Если эти факторы вместе со скоростью известны, мы можем определить поток. Например, если бы кто-то знал, сколько молекул воды улетело с вихрями в момент времени 1 и сколько молекул поднялось с вихрями в момент времени 2, в той же точке, можно было бы вычислить вертикальный поток воды в этот момент за это время. Итак, вертикальный поток можно представить как ковариацию вертикальной скорости ветра и концентрации интересующего объекта.

Диаграмма EddyCovariance 2.jpg
[4]
[4]
Резюме

Трехмерный ветер и другая переменная (обычно концентрация газа, температура или импульс) разлагаются на иметь в виду и колеблющиеся компоненты. Ковариация рассчитывается между колеблющейся составляющей вертикального ветра и колеблющейся составляющей концентрации газа. Измеренный поток пропорционален ковариации.

Область, откуда происходят обнаруженные вихри, описывается вероятностно и называется след потока. Площадь следа потока динамична по размеру и форме, меняется в зависимости от направления ветра, термостабильности и высоты измерения, и имеет постепенную границу.

Влияние разделения сенсоров, конечной длины выборки, усреднения звукового пути, а также других инструментальных ограничений влияет на частотную характеристику измерительной системы и может потребовать ко-спектральной коррекции, особенно это заметно для инструментов с замкнутым контуром и на малых высотах ниже 1 до 1,5 м.

Математическая основа

С математической точки зрения, "вихревой поток" рассчитывается как ковариация между мгновенным отклонением вертикальной скорости ветра (w ') от среднего значения (w-overbar) и мгновенным отклонением концентрации газа, отношения смеси (s') от его среднего значения (s-overbar), умноженным на среднюю плотность воздуха ( ρa). Некоторые математические операции и предположения, включая разложение Рейнольдса, используются для перехода от физически полных уравнений турбулентного потока к практическим уравнениям для вычисления «вихревого потока», как показано ниже.

Уравнения EddyCovariance часть 1.jpg
Уравнения EddyCovariance часть 2.jpg
[4]
[4]

Основные предположения

  • Измерения в точке могут представлять область с наветренной стороны.
  • Измерения проводятся внутри интересующего пограничного слоя.
  • Принести/след потока адекватно - потоки измеряются только в интересующей области
  • Поток является полностью турбулентным - большая часть чистого вертикального переноса осуществляется вихрями.
  • Рельеф горизонтальный и однородный: среднее значение колебаний равно нулю; колебания плотности незначительны; схождение и расхождение потоков незначительное
  • Приборы могут обнаруживать очень небольшие изменения на высокой частоте, в диапазоне от минимум 5 Гц до 40 Гц для измерений на вышке.

Программного обеспечения

В настоящее время (2011 г.) существует множество программ [13]для обработки данных вихревой ковариации и получения таких величин, как тепло, импульс и потоки газа. Программы значительно различаются по сложности, гибкости, количеству допустимых инструментов и переменных, справочной системе и поддержке пользователей. Некоторые программы программное обеспечение с открытым исходным кодом, а другие с закрытым исходным кодом или же проприетарный.

Примеры включают коммерческое программное обеспечение с бесплатной лицензией для некоммерческого использования, например EddyPro; бесплатные программы с открытым исходным кодом, такие как ЭКО2S и ECpack; бесплатные пакеты с закрытым исходным кодом, такие как EdiRe, TK3, Альтедди, и EddySoft.

Использует

Общее использование:

Роман использует:

Общие приложения

Эвапотранспирация:

Дистанционное зондирование - это подход к моделированию эвапотранспирация использование баланса энергии и скрытого теплового потока для определения скорости эвапотранспирации. Эвапотранспирация (ЭТ) является частью круговорот воды, а точные показания ET важны для местных и глобальных моделей управления водными ресурсами. Нормы ET являются важной частью исследований в областях, связанных с гидрологией, а также в методах ведения сельского хозяйства. MOD16 - это пример программы, которая лучше всего измеряет ЕТ для умеренного климата.[1][14]

Микрометеорология:

Микрометеорология фокусируется на изучении климата на конкретном масштабе растительного покрова, опять же с приложениями к гидрологическим и экологическим исследованиям. В этом контексте вихревую ковариацию можно использовать для измерения потока тепловой массы в пограничном поверхностном слое или в пограничном слое, окружающем растительный покров. Эффекты турбулентности могут, например, представлять особый интерес для разработчиков моделей климата или тех, кто изучает местную экосистему. Скорость ветра, турбулентность и концентрация массы (тепла) - это значения, которые могут быть зарегистрированы в колонне магнитного поля. Посредством измерений, связанных с ковариационными свойствами завихрений, такими как коэффициенты шероховатости, можно эмпирически рассчитать с приложениями к моделированию.[15]

Экосистемы водно-болотных угодий:

Растительность водно-болотных угодий широко варьируется и варьируется от растения к растению в экологическом отношении. Существование первичных растений на водно-болотных угодьях можно контролировать с помощью технологии Eddy Covariance в сочетании с информацией о поставках питательных веществ путем мониторинга чистых потоков CO2 и H2O. Для определения эффективности использования воды, среди прочего, можно снимать показания с градирен за несколько лет.[16]

Парниковые газы и их согревающее действие:

Потоки парниковые газы от растительности и сельскохозяйственных полей могут быть измерены ковариацией вихрей, как указано в разделе микрометеорологии выше. Путем измерения вертикального турбулентного потока газовых состояний H2O, CO2, тепла и CH4 среди других летучие органические соединения оборудование для мониторинга может использоваться для определения взаимодействия купола. Затем, используя приведенные выше данные, можно сделать вывод о широкомасштабной интерпретации. Высокая стоимость эксплуатации, погодные ограничения (некоторое оборудование лучше подходит для определенных климатических условий) и связанные с ними технические ограничения могут ограничивать точность измерений.[17]

Растительное производство в наземных экосистемах:

Модели продукции растительности требуют точных наземных наблюдений в этом контексте на основе измерения ковариантных вихревых потоков. Ковариация вихрей используется для измерения чистой первичной продукции и валовой первичной продукции популяций растений. Достижения в технологии позволили внести незначительные колебания, в результате чего шкала измерения воздушной массы и энергии в масштабе 100-2000 метров. Изучение цикл углерода о вегетативном росте и продуктивности жизненно важна как для производителей, так и для ученых. Используя такую ​​информацию, можно наблюдать поток углерода между экосистемами и атмосферой с различными приложениями, от изменения климата до погодных моделей.[1]

Связанные методы

Накопление вихрей

Истинное накопление вихрей

Метод истинного вихревого накопления может использоваться для измерения потоков газовых примесей, для которых нет доступных достаточно быстрых анализаторов, поэтому метод вихревой ковариации не подходит. Основная идея состоит в том, что движущиеся вверх частицы воздуха (восходящие потоки) и движущиеся вниз частицы воздуха (нисходящие потоки) отбираются пропорционально их скорости в отдельные резервуары. Затем можно использовать газоанализатор с медленным откликом для количественной оценки средних концентраций газа как в восходящем, так и в нисходящем коллекторах.[18][19]

Расслабленное накопление вихрей

Основное различие между истинным и расслабленным методом накопления вихрей состоит в том, что последний отбирает воздух с постоянной скоростью потока, не пропорциональной вертикальной скорости ветра.[20][21][22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Лян, Шуньлинь; Ли, Сяовэнь; Ван, Джинди, ред. (2012-01-01), «Глава 16 - Растительное производство в наземных экосистемах», Расширенное дистанционное зондирование, Academic Press, стр. 501–531, Дои:10.1016 / b978-0-12-385954-9.00016-2, ISBN 978-0-12-385954-9, получено 2020-03-12
  2. ^ Балдокки, Д., Б. Хикс и Т. Мейерс. 1988. Измерение биосферно-атмосферного обмена биологически связанных газов с помощью микрометеорологических методов. Экология 69, 1331-1340
  3. ^ Верма, С.Б .: 1990, Микрометеорологические методы измерения поверхностных потоков массы и энергии, Обзоры дистанционного зондирования 5 (1): 99-115
  4. ^ Ли, X., W. Massman, и B. Law. 2004. Справочник по микрометеорологии. Kluwer Academic Publishers, Нидерланды, 250 стр.
  5. ^ Бурба, Г., 2013. Метод ковариации Эдди для научных, промышленных, сельскохозяйственных и регулирующих приложений: Полевой справочник по измерению экосистемного газообмена и площадных выбросов. LI-COR Biosciences, Линкольн, США, 331 стр.
  6. ^ Обине, М., Т. Весала, Д. Папале (ред.), 2012. Ковариация Эдди: Практическое руководство по измерению и анализу данных. Springer Atmospheric Sciences, Springer Verlag, 438 стр.
  7. ^ Берг П., Х. Рой, Ф. Янссен, В. Мейер, Б. Б. Йоргенсен, М. Хюттель и Д. де Бир. 2003. Поглощение кислорода водными отложениями измерено с помощью нового неинвазивного метода корреляции вихрей. Серия «Прогресс морской экологии». 261: 75-83.
  8. ^ Университет Вирджинии. Лаборатория исследования ковариации водных вихрей. Дата обращения: 22 июня 2015.
  9. ^ Государственный университет Флориды. Вихревая корреляция - Дальнейшее развитие и исследования динамики бентосного кислородного обмена, управляемой потоком и светом. Дата обращения: 22 июня 2015.
  10. ^ Лейбница-Институт пресноводной экологии и рыболовства во внутренних водоемах. Вихревая корреляция в природных водах. Дата обращения: 22 июня 2015.
  11. ^ Институт морской микробиологии Макса Планка. Система корреляции вихрей (ECS). Дата обращения: 22 июня 2015.
  12. ^ Центр исследований прибрежной биогеохимии. Эдди корреляция. Дата обращения: 22 июня 2015.
  13. ^ M. Mauder, T. Foken, R. Clement, J. A. Elbers, W. Eugster, T. Grunwald, B. Heusinkveld и O. Kolle. 2007. Контроль качества данных о потоках CarboEurope - Часть II: Взаимное сравнение программного обеспечения вихревой ковариации, Обсуждение биогеологии, 4, 4067–4099
  14. ^ Jia, L .; Zheng, C .; Hu, G.C .; Мененти, М. (2018), «Эвапотранспирация», Комплексное дистанционное зондирование, Elsevier, стр. 25–50, Дои:10.1016 / b978-0-12-409548-9.10353-7, ISBN 978-0-12-803221-3
  15. ^ Монтейт, Джон Л .; Ансуорт, Майк Х. (2013-01-01), Монтейт, Джон Л .; Ансуорт, Майк Х. (ред.), «Глава 16 - Микрометеорология: (i) Турбулентный перенос, профили и потоки», Принципы физики окружающей среды (четвертое издание), Academic Press, стр. 289–320, Дои:10.1016 / b978-0-12-386910-4.00016-0, ISBN 978-0-12-386910-4, получено 2020-04-16
  16. ^ Schlesinger, William H .; Бернхардт, Эмили С. (01.01.2013), Шлезингер, Уильям Х .; Бернхардт, Эмили С. (ред.), «Глава 7 - Экосистемы водно-болотных угодий», Биогеохимия (третье издание), Academic Press, стр. 233–274, Дои:10.1016 / b978-0-12-385874-0.00007-8, ISBN 978-0-12-385874-0, получено 2020-04-16
  17. ^ Jalota, S.K .; Вашишт, Б. Б .; Шарма, Сандип; Каур, Саманприт (01.01.2018), Джалота, С.К .; Вашишт, Б. Б .; Шарма, Сандип; Каур, Саманприт (ред.), «Глава 1 - Выбросы парниковых газов и их эффект потепления», Понимание воздействия изменения климата на урожайность сельскохозяйственных культур и водный баланс, Academic Press, стр. 1–53, Дои:10.1016 / b978-0-12-809520-1.00001-х, ISBN 978-0-12-809520-1, получено 2020-04-16
  18. ^ Р. Э. Спир, К. А. Петерсон, Т. Г. Эллестад, Дж. Л. Дарем (1985). «Испытание прототипа вихревого аккумулятора для измерения атмосферных вертикальных потоков водяного пара и твердых частиц сульфата». Журнал геофизических исследований. 90 (D1): 2119. Bibcode:1985JGR .... 90.2119S. Дои:10.1029 / JD090iD01p02119.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  19. ^ Зибике, Лукас (2017). «Истинное накопление вихрей и методы ковариации вихрей и взаимное сравнение приборов для потоков CO2, CH4 и H2O над лесом Хайних». 19-я Генеральная Ассамблея EGU, EGU2017. 19: 18076. Bibcode:2017EGUGA..1918076S.
  20. ^ Businger, Joost A .; Онкли, Стивен П .; Businger, Joost A .; Онкли, Стивен П. (1990-04-01). «Измерение потока с условным отбором проб». Журнал атмосферных и океанических технологий. 7 (2): 349–352. Bibcode:1990JAtOT ... 7..349B. Дои:10.1175 / 1520-0426 (1990) 007 <0349: fmwcs> 2.0.co; 2.
  21. ^ Osterwalder, S .; Fritsche, J .; Alewell, C .; Schmutz, M .; Nilsson, M. B .; Jocher, G .; Sommar, J .; Rinne, J .; Бишоп, К. (15 февраля 2016 г.). «Система релаксированного вихревого накопления с двумя входами и одним детектором для длительного измерения потока ртути». Атмос. Измер. Технология. 9 (2): 509–524. Bibcode:2016АМТ ..... 9..509O. Дои:10.5194 / amt-9-509-2016. ISSN 1867-8548.
  22. ^ Джонас Соммар, Вэй Чжу, Лихай Шан, Синьбинь Фэн, Че-Цзинь Линь (2013). «Система измерения накопления вихрей с релаксирующей атмосферой для отбора проб вертикального парообмена элементарной ртути». Tellus B: химическая и физическая метеорология. 65 (1): 19940. Bibcode:2013TellB..6519940S. Дои:10.3402 / tellusb.v65i0.19940.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

дальнейшее чтение

внешняя ссылка