stringtranslate.com

Ковариация вихрей

Система вихревой ковариации, состоящая из ультразвукового анемометра и инфракрасного газоанализатора .

Ковариация вихрей (также известная как корреляция вихрей и вихревой поток ) является ключевым методом атмосферных измерений для измерения и расчета вертикальных турбулентных потоков в пограничных слоях атмосферы . Метод анализирует высокочастотные ряды данных о ветре и скалярной атмосфере, газе, энергии и импульсе, [1] что дает значения потоков этих свойств. Это статистический метод, используемый в метеорологии и других приложениях ( микрометеорология , океанография, гидрология, сельскохозяйственные науки, промышленные и нормативные приложения и т. д.) для определения скорости обмена следовых газов над естественными экосистемами и сельскохозяйственными полями, а также для количественной оценки скорости выбросов газа с других земель и водных площадей. Он часто используется для оценки потоков импульса , тепла , водяного пара, углекислого газа и метана. [2] [3] [4] [5] [6] [7]

Этот метод также широко используется для проверки и настройки глобальных климатических моделей , мезомасштабных и погодных моделей, сложных биогеохимических и экологических моделей, а также оценок дистанционного зондирования со спутников и самолетов. Метод математически сложен и требует значительной осторожности при настройке и обработке данных. На сегодняшний день [ когда? ] нет единой терминологии или единой методологии для метода вихревой ковариации, но сети измерения потоков (например, FluxNet , Ameriflux, ICOS, CarboEurope, Fluxnet Canada, OzFlux, NEON и iLEAPS) прилагают большие усилия для унификации различных подходов.

Прибор вихревой корреляции, измеряющий потоки кислорода в бентосной среде.

Метод дополнительно доказал свою применимость под водой в бентической зоне для измерения потоков кислорода между морским дном и вышележащей водой. [8] В этих средах метод обычно известен как метод вихревой корреляции или просто вихревая корреляция. Потоки кислорода извлекаются из сырых измерений в значительной степени по тем же принципам, которые используются в атмосфере, и они обычно используются в качестве прокси для обмена углерода, что важно для локального и глобального углеродного бюджета. Для большинства бентических экосистем вихревая корреляция является наиболее точным методом измерения потоков in-situ . Разработка метода и его применение под водой остается плодотворной областью исследований. [9] [10] [11] [12] [13]

Общие принципы

Представление потока воздуха в пограничном слое атмосферы

Воздушный поток можно представить как горизонтальный поток многочисленных вращающихся вихрей, то есть турбулентных вихрей разных размеров, причем каждый вихрь имеет горизонтальные и вертикальные компоненты. Ситуация выглядит хаотичной, но вертикальное движение компонентов можно измерить с вышки.

[5]

Физическое значение

В одной физической точке башни, в момент времени 1, вихрь 1 перемещает пакет воздуха c 1 вниз со скоростью . Затем, в момент времени 2, вихрь 2 перемещает пакет c 2 вверх со скоростью . Каждый пакет имеет концентрацию газа, давление, температуру и влажность. Если эти факторы, а также скорость известны, мы можем определить поток. Например, если бы мы знали, сколько молекул воды опустилось с вихрями в момент времени 1 и сколько молекул поднялось с вихрями в момент времени 2, в той же точке, мы могли бы вычислить вертикальный поток воды в этой точке за это время. Таким образом, вертикальный поток можно представить как ковариацию вертикальной скорости ветра и концентрации интересующего объекта.

[5]

Краткое содержание

3D ветер и другая переменная (обычно концентрация газа, температура или импульс) разлагаются на среднюю и флуктуирующую компоненты. Ковариация вычисляется между флуктуирующей компонентой вертикального ветра и флуктуирующей компонентой концентрации газа. Измеренный поток пропорционален ковариации.

Область, из которой берут начало обнаруженные вихри, описывается вероятностно и называется следом потока . [14] Область следа потока динамична по размеру и форме, меняется в зависимости от направления ветра, тепловой стабильности и высоты измерений и имеет плавную границу.

Эффект разделения датчиков, конечной длины выборки, усреднения звукового пути, а также других инструментальных ограничений влияют на частотную характеристику измерительной системы и могут потребовать коррекции коспектра, что особенно заметно для приборов с закрытым трактом и на малых высотах ниже 1–1,5 м.

Математическая основа

В математических терминах «вихревой поток» вычисляется как ковариация между мгновенным отклонением вертикальной скорости ветра ( ) от среднего значения ( ) и мгновенным отклонением концентрации газа, коэффициента смешивания ( ), от его среднего значения ( ), умноженного на среднюю плотность воздуха ( ). Несколько математических операций и предположений, включая разложение Рейнольдса, задействованы в получении от физически полных уравнений турбулентного потока практических уравнений для вычисления «вихревого потока», как показано ниже.

[5]

Основные предположения

Программное обеспечение

По состоянию на 2011 год существовало множество программ [15] для обработки данных вихревой ковариации и получения таких величин, как тепло, импульс и потоки газа. Программы значительно различаются по сложности, гибкости, количеству разрешенных инструментов и переменных, справочной системе и поддержке пользователей. Некоторые программы являются программным обеспечением с открытым исходным кодом , в то время как другие являются программами с закрытым исходным кодом или проприетарными .

Примерами служат коммерческое программное обеспечение с бесплатной лицензией для некоммерческого использования, такое как EddyPro; бесплатные программы с открытым исходным кодом, такие как ECO2S, InnFLUX [16] и ECpack; бесплатные пакеты с закрытым исходным кодом, такие как EdiRe, TK3, Alteddy и EddySoft.

Использует

Распространенное применение:

Роман использует:

Распространенные приложения

Эвапотранспирация

Дистанционное зондирование — это подход к моделированию эвапотранспирации с использованием энергетического баланса и скрытого теплового потока для определения скорости эвапотранспирации. Эвапотранспирация (ET) является частью водного цикла , и точные показания ET важны для локальных и глобальных моделей управления водными ресурсами. Скорости ET являются важной частью исследований в областях, связанных с гидрологией, а также для сельскохозяйственных методов. MOD16 — пример программы, которая лучше всего измеряет ET для умеренного климата. [1] [17]

Микрометеорология

Микрометеорология фокусирует изучение климата на определенном масштабе растительного покрова, опять же с приложениями к гидрологическим и экологическим исследованиям. В этом контексте вихревая ковариация может использоваться для измерения потока тепловой массы в пограничном слое поверхности или в пограничном слое, окружающем растительный покров. Эффекты турбулентности могут, например, представлять особый интерес для разработчиков климатических моделей или тех, кто изучает локальную экосистему. Скорость ветра, турбулентность и концентрация массы (тепла) являются значениями, которые могут быть зарегистрированы в башне потока. Благодаря измерениям, связанным со свойствами вихревой ковариации, такими как коэффициенты шероховатости, можно эмпирически рассчитать их с приложениями к моделированию. [18]

Водно-болотные экосистемы

Растительность водно-болотных угодий сильно различается и отличается от растения к растению экологически. Первичное существование растений в водно-болотных угодьях можно контролировать с помощью технологии вихревой ковариации в сочетании с информацией о поставках питательных веществ путем мониторинга чистых потоков CO 2 и H 2 O. Показания могут быть сняты с башен потока в течение ряда лет для определения эффективности использования воды, среди прочего. [19]

Парниковые газы и их согревающий эффект

Потоки парниковых газов от растительности и сельскохозяйственных полей можно измерить с помощью вихревой ковариации, как указано в разделе микрометеорологии выше. Измеряя вертикальный турбулентный поток газовых состояний H 2 O, CO 2 , тепла и CH 4 среди других летучих органических соединений, можно использовать оборудование для мониторинга, чтобы сделать вывод о взаимодействии полога. Затем с помощью приведенных выше данных можно сделать выводы об интерпретациях ландшафта в целом. Высокая стоимость эксплуатации, погодные ограничения (некоторое оборудование лучше подходит для определенных климатических условий) и вытекающие из них технические ограничения могут ограничить точность измерений. [20]

Производство растительности в наземных экосистемах

Модели производства растительности требуют точных наземных наблюдений, в данном контексте из измерения вихревого ковариантного потока. Вихревая ковариация используется для измерения чистой первичной продукции и валовой первичной продукции популяций растений. Достижения в области технологий позволили вносить незначительные колебания, приводящие к масштабу измерений массы воздуха и показаний энергии в 100-2000 метров. Изучение углеродного цикла в растительном росте и производстве жизненно важно как для производителей, так и для ученых. Используя такую ​​информацию, можно наблюдать поток углерода между экосистемами и атмосферой, с приложениями, варьирующимися от изменения климата до погодных моделей. [1]

Связанные методы

Накопление вихрей

Истинное вихревое накопление

Метод истинного вихревого накопления может быть использован для измерения потоков следовых газов, для которых нет достаточно быстрых анализаторов, то есть там, где метод вихревой ковариации не подходит. Основная идея заключается в том, что восходящие потоки воздуха (восходящие потоки) и нисходящие потоки 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 восходящих, так и в нисходящих резервуарах. [21] [22]

Расслабленное вихревое накопление

Основное различие между методом истинного и расслабленного вихревого накопления заключается в том, что последний производит отбор проб воздуха с постоянной скоростью потока, которая не пропорциональна вертикальной скорости ветра. [23] [24] [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Liang, Shunlin; Li, Xiaowen; Wang, Jindi, ред. (2012-01-01), "Глава 16 - Производство растительности в наземных экосистемах", Advanced Remote Sensing , Academic Press, стр. 501–531, doi :10.1016/b978-0-12-385954-9.00016-2, ISBN 978-0-12-385954-9, получено 2020-03-12
  2. ^ Baldocchi, D., B. Hicks, и T. Meyers. 1988. Измерение биосферно-атмосферных обменов биологически родственных газов микрометеорологическими методами. Экология 69, 1331-1340
  3. ^ Верма, СБ: 1990, Микрометеорологические методы измерения поверхностных потоков массы и энергии, Remote Sensing Reviews 5(1): 99-115
  4. ^ Ли, X., В. Массман и Б. Лоу. 2004. Справочник по микрометеорологии. Kluwer Academic Publishers, Нидерланды, 250 стр.
  5. ^ abcd Burba, G., 2013. Метод вихревой ковариации для научных, промышленных, сельскохозяйственных и нормативных приложений: полевой справочник по измерению газообмена экосистем и площадных скоростей выбросов. LI-COR Biosciences, Линкольн, США, 331 стр.
  6. ^ Aubinet, M., T. Vesala, D. Papale (ред.), 2012. Вихревая ковариация: практическое руководство по измерению и анализу данных. Springer Atmospheric Sciences, Springer Verlag, 438 стр.
  7. ^ Бурба, Джордж (2022-09-06). Метод вихревой ковариации для научных, нормативных и коммерческих приложений. LI-COR Biosciences. ISBN 978-0-578-97714-0.
  8. ^ Берг, П., Х. Рой, Ф. Янссен, В. Мейер, Б. Б. Йоргенсен, М. Хюттель и Д. де Бир. 2003. Поглощение кислорода водными отложениями, измеренное с помощью нового неинвазивного метода вихревой корреляции. Серия «Прогресс в области морской экологии». 261:75-83.
  9. ^ Университет Вирджинии. Лаборатория исследований ковариации водных вихрей. Получено: 22 июня 2015 г.
  10. ^ Университет штата Флорида. Вихревая корреляция — Дальнейшее развитие и исследования динамики потока и света в бентическом обмене кислородом. Архивировано 18 апреля 2014 г. на Wayback Machine . Получено: 22 июня 2015 г.
  11. ^ Институт пресноводной экологии и внутреннего рыболовства имени Лейбница. Корреляция вихрей в природных водах. Получено: 22 июня 2015 г.
  12. ^ Институт морской микробиологии Макса Планка. Система вихревой корреляции (ECS). Получено: 22 июня 2015 г.
  13. ^ Центр исследований прибрежной биогеохимии. Вихревая корреляция. Архивировано 13 декабря 2013 г. на Wayback Machine . Получено: 22 июня 2015 г.
  14. ^ Kljun, N., P. Calanca, MW Rotach и HP Schmid. 2015. Простая двумерная параметризация для прогнозирования следа потока (FFP). Geosci. Model Dev., 8, 3695–3713, doi: 10.5194/gmd-8-3695-2015
  15. ^ M. Mauder, T. Foken, R. Clement, JA Elbers, W. Eugster, T. Grunwald, B. Heusinkveld и O. Kolle. 2007. Контроль качества данных о потоках CarboEurope – Часть II: Интер-сравнение программного обеспечения для вихревой ковариации, Biogeosciences Discuss., 4, 4067–4099
  16. ^ Striednig, M., M. Graus, TD Maerk и T. Karl. 2020. InnFLUX — открытый исходный код для обычного и дизъюнктного вихревого ковариационного анализа измерений следов газа: городской тестовый случай. AMT 13, 1447-1465, doi: 10.5194/amt-13-1447-2020
  17. ^ Цзя, Л.; Чжэн, Ч.; Ху, Г. Ч.; Мененти, М. (2018), «Эвапотранспирация», Комплексное дистанционное зондирование , Elsevier, стр. 25–50, doi : 10.1016/b978-0-12-409548-9.10353-7, ISBN 978-0-12-803221-3
  18. ^ Монтейт, Джон Л.; Ансворт, Майк Х. (2013-01-01), Монтейт, Джон Л.; Ансворт, Майк Х. (ред.), «Глава 16 - Микрометеорология: (i) Турбулентный перенос, профили и потоки», Принципы физики окружающей среды (четвертое издание) , Academic Press, стр. 289–320, doi :10.1016/b978-0-12-386910-4.00016-0, ISBN 978-0-12-386910-4, получено 2020-04-16
  19. ^ Шлезингер, Уильям Х.; Бернхардт, Эмили С. (2013-01-01), Шлезингер, Уильям Х.; Бернхардт, Эмили С. (ред.), "Глава 7 - Экосистемы водно-болотных угодий", Биогеохимия (третье издание) , Academic Press, стр. 233–274, doi :10.1016/b978-0-12-385874-0.00007-8, ISBN 978-0-12-385874-0, получено 2020-04-16
  20. ^ Джалота, SK; Вашишт, BB; Шарма, Сандип; Каур, Саманприт (2018-01-01), Джалота, SK; Вашишт, BB; Шарма, Сандип; Каур, Саманприт (ред.), "Глава 1 - Выбросы парниковых газов и их потепление", Понимание воздействия изменения климата на урожайность сельскохозяйственных культур и водный баланс , Academic Press, стр. 1–53, doi : 10.1016/b978-0-12-809520-1.00001-x, ISBN 978-0-12-809520-1, получено 2020-04-16
  21. ^ RE Speer, KA Peterson, TG Ellestad, JL Durham (1985). «Испытание прототипа вихревого аккумулятора для измерения атмосферных вертикальных потоков водяного пара и сульфата твердых частиц». Journal of Geophysical Research . 90 (D1): 2119–2122. Bibcode : 1985JGR....90.2119S. doi : 10.1029/JD090iD01p02119.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  22. ^ Siebicke, Lukas (2017). "Взаимное сравнение методов и приборов истинного вихревого накопления и вихревой ковариации для потоков CO2, CH4 и H2O над лесом Хайних". 19-я Генеральная ассамблея EGU, EGU2017 . 19 : 18076. Bibcode : 2017EGUGA..1918076S.
  23. ^ Бусингер, Джуст А.; Онкли, Стивен П.; Бусингер, Джуст А.; Онкли, Стивен П. (1990-04-01). «Измерение потока с помощью условной выборки». Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (2): 349–352. Bibcode :1990JAtOT...7..349B. doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0349:fmwcs>2.0.co;2 .
  24. ^ Остервальдер, С.; Фриче, Дж.; Алевелл, К.; Шмутц, М.; Нильссон, МБ; Йохер, Г.; Соммар, Дж.; Ринне, Дж.; Бишоп, К. (15.02.2016). «Система накопления вихрей с двумя входами и одним детектором для долгосрочного измерения потока ртути». Atmos. Meas. Tech . 9 (2): 509–524. Bibcode : 2016AMT.....9..509O. doi : 10.5194/amt-9-509-2016 . ISSN  1867-8548.
  25. ^ Йонас Соммар, Вэй Чжу, Лихай Шан, Синьбин Фэн, Че-Цзинь Линь (2013). «Система измерения накопления расслабленных вихрей во всем воздухе для отбора проб элементарной ртути при вертикальном парообмене». Теллус Б: Химическая и физическая метеорология . 65 (1): 19940. Бибкод : 2013TellB..6519940S. дои : 10.3402/tellusb.v65i0.19940 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки