Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Система вихревой ковариации, состоящая из ультразвукового анемометра и инфракрасного газоанализатора (IRGA).

Метод вихревой ковариации (также известный как корреляция вихрей и вихревой поток ) является ключевым методом атмосферных измерений для измерения и расчета вертикальных турбулентных потоков в пограничных слоях атмосферы . Метод анализирует ряды высокочастотных 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 обменных курсов газовых примесей над естественными экосистемами и сельскохозяйственными полями, а также для количественной оценки темпов выбросов газа из других земельных и водных территорий. Он часто используется для оценки потоков движения , тепла , водяного пара, углекислого газа и метана. [2] [3] [4] [5] [6]

Этот метод также широко используется для проверки и настройки моделей глобального климата , мезомасштабных и погодных моделей, сложных биогеохимических и экологических моделей и оценок дистанционного зондирования со спутников и самолетов. Этот метод сложен с математической точки зрения и требует значительной осторожности при настройке и обработке данных. На сегодняшний день не существует единой терминологии или единой методологии для метода Eddy Covariance, но большие усилия прилагаются к сетям измерения потоков (например, FluxNet , Ameriflux , ICOS , CarboEurope , Fluxnet Canada , OzFlux , NEON и iLEAPS) для унификации различных подходов.

Прибор для измерения вихревой корреляции потоков кислорода в донных средах.

Этот метод также доказал свою применимость под водой к бентосной зоне для измерения потоков кислорода между морским дном и вышележащей водой. [7] В этих условиях 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, который важен для локальных и глобальных углеродных бюджетов. Для большинства бентических экосистем вихревая корреляция является наиболее точным методом измерения потоков на месте . Развитие этой техники и ее применение под водой остается плодотворной областью исследований. [8] [9] [10] [11][12]

Общие принципы [ править ]

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.

[4]
[4]
Физический смысл метода вихревой ковариации

В одной физической точке башни, в момент 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. Таким образом, вертикальный поток можно представить как ковариацию вертикальной скорости ветра и концентрации интересующего объекта.

[4]
[4]
Резюме

Трехмерный ветер и другая переменная (обычно концентрация газа, температура или импульс) разлагаются на средние и колеблющиеся компоненты. Ковариация рассчитывается между колеблющимся компонентом вертикального ветра и колеблющимся компонентом концентрации газа. Измеренный поток пропорционален ковариации.

Область, из которой происходят обнаруженные вихри, описывается вероятностно и называется следом 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 [ править ]

С математической точки зрения, "вихревой поток" вычисляется как ковариация между мгновенным отклонением вертикальной скорости ветра (w ') от среднего значения (w-overbar) и мгновенным отклонением концентрации газа, отношения смеси (s'), от среднего значения. значение (s-overbar), умноженное 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.

[4]
[4]

Основные предположения [ править ]

  • Измерения в точке могут представлять область с наветренной стороны.
  • Измерения проводятся внутри интересующего пограничного слоя.
  • Площадь захвата / потока адекватна - 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; сходимость и расхождение потоков незначительны
  • Приборы могут обнаруживать очень небольшие изменения на высокой частоте, в диапазоне от минимум 5 Гц до 40 Гц для измерений на вышке.

Программное обеспечение [ править ]

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 разрешенных инструментов и переменных, справочной системе и поддержке пользователей. Некоторые программы являются программным обеспечением с открытым исходным кодом , а другие - с закрытым исходным кодом или проприетарными .

Примеры включают коммерческое программное обеспечение с бесплатной лицензией для некоммерческого использования, такое как EddyPro ; бесплатные программы с открытым исходным кодом, такие как ECO 2 S и ECpack ; бесплатно с закрытым исходным кодом пакетов , таких как EdiRe , TK3 , Alteddy и EddySoft .

Использует [ редактировать ]

Общее использование:

  • Выбросы парниковых газов
  • Мониторинг выбросов углекислого газа
  • Мониторинг выбросов метана
  • Измерение потерь воды, эвапотранспирации
  • Мгновенная эффективность использования воды
  • Мгновенная эффективность использования излучения

Роман использует:

  • Точное орошение , точное земледелие
  • Мониторинг секвестрации и улавливания углерода
  • Выбросы свалочного газа в атмосферу
  • Выбросы газов , перемещенных в результате гидравлического разрыва пласта в атмосферу
  • Обнаружение и местонахождение утечки газа
  • Выбросы метана из районов вечной мерзлоты
  • Выбросы биогенных ЛОС
  • Измерение потока реактивного газообмена

Общие приложения [ править ]

Эвапотранспирация:

Дистанционное зондирование - это подход к моделированию эвапотранспирации с использованием баланса энергии и скрытого теплового потока для определения скорости эвапотранспирации. Эвапотранспирация (ЭТ) является частью круговорота воды , и точные показания ЭП 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 фокусирует изучение 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 применением для моделирования. [15]

Экосистемы водно-болотных угодий:

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

Парниковые газы и их согревающее действие:

Потоки парниковых газов от растительности и сельскохозяйственных полей можно измерить с помощью вихревой ковариации, как указано в разделе «Микрометеорология» выше. Измеряя вертикальный турбулентный поток газообразных состояний H2O, CO2, тепла и CH4 среди других летучих органических соединений, можно использовать оборудование для мониторинга, чтобы сделать вывод о взаимодействии с покровом. 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]

Производство растительности 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 углеродного цикла, влияющего на рост и производство растений, жизненно важно 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 [ править ]

Накопление вихрей [ править ]

Накопление истинных водоворотов [ править ]

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 [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Эдди (гидродинамика)
  • Экосистемное дыхание
  • Испарение
  • Эвапотранспирация
  • Выбросы парниковых газов
  • Поток горячего воздуха
  • FluxNet
  • Скрытый тепловой поток
  • Транспирация

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Лян, Шуньлинь; Ли, Сяовэнь; Ван, Джинди, ред. (2012-01-01), "Глава 16 - Растительное производство 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, дата обращения 12.03.2020
  2. ^ Baldocchi, Д. Б. Хикс и Т. Мейерс. 1988. Измерение биосферно-атмосферного обмена биологически связанных газов микрометеорологическими методами. Экология 69, 1331-1340
  3. ^ Верма, SB: 1990, Микрометеорологические методы измерения поверхностных потоков массы и энергии, Remote Sensing Reviews 5 (1): 99-115
  4. ^ Ли, Х. У. Massman и B. Закон. 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. Eddy Correlation - Дальнейшее развитие и исследования динамики бентосного кислородного обмена, управляемой потоком и светом . Дата обращения: 22 июня 2015.
  10. ^ Лейбниц-Институт пресноводной экологии и рыболовства во внутренних водоемах. Вихревая корреляция в природных водах . Дата обращения: 22 июня 2015.
  11. ^ Институт Макса Планка морской микробиологии. Система корреляции вихрей (ECS) . Дата обращения: 22 июня 2015.
  12. ^ Центр прибрежных исследований биогеохимии. Вихревая корреляция . Дата обращения: 22 июня 2015.
  13. ^ М. Mauder, Т. Foken, Р. Климент, JA Эльберс, В. Eugster, Т. Grunwald, Б. Heusinkveld и О. Колл. 2007. Контроль качества данных о потоках CarboEurope - Часть II: Взаимное сравнение программного обеспечения вихревой ковариации, Biogeosciences Discuss., 4, 4067–4099
  14. ^ Jia, L .; Zheng, C .; Ху, GC; Menenti, М. (2018), "Эвапотранспирация", Всестороннее дистанционное зондирование ., Elsevier, стр 25-50, DOI : 10.1016 / b978-0-12-409548-9.10353-7 , ISBN 978-0-12-803221-3
  15. ^ Монтейт, Джон L .; Ансуорт, Майк Х. (2013-01-01), Монтейт, Джон Л .; Unsworth, Майк Х. (ред.), "Глава 16 - микрометеорология: (я) турбулентный перенос, профили и флюсы" , Основы 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, дата обращения 16.04.2020
  16. ^ Шлезингер, Уильям Х .; Бернхардт, Эмили С. (2013-01-01), Шлезингер, Уильям Х .; Бернхард, Эмили С. (ред . ), "Глава 7 - водно - болотные экосистемы" , биогеохимии (третье издание) , Academic Press, стр 233-274,. Дои : 10.1016 / b978-0-12-385874-0.00007-8 , ISBN 978-0-12-385874-0, дата обращения 16.04.2020
  17. ^ Джалота, СК; Вашишт, BB; Шарма, Сандип; Каур, Саманприт (2018-01-01), Джалота, Словакия; Вашишт, BB; 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, doi : 10.1016 / b978-0- 12-809520-1.00001-х , ISBN 978-0-12-809520-1, дата обращения 16.04.2020
  18. ^ RE Шпеер, К. Петерсон, Т. Ellestad, JL Durham (1985). «Испытание прототипа вихревого аккумулятора для измерения атмосферных вертикальных потоков водяного пара и твердых частиц сульфата». Журнал геофизических исследований . 90 (D1): 2119. Полномочный код : 1985JGR .... 90.2119S . DOI : 10.1029 / JD090iD01p02119 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  19. ^ Siebicke, Lukas (2017). «Истинное накопление вихрей и взаимное сравнение методов и приборов вихревой ковариации 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 . DOI : 10.1175 / 1520-0426 (1990) 007: 0349 <fmwcs> 2.0.co; 2 .
  21. ^ Osterwalder, S .; Fritsche, J .; Alewell, C .; Schmutz, M .; Нильссон, МБ; 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. Tech . 9 (2): 509–524. Bibcode : 2016AMT ..... 9..509O . DOI : 10,5194 / АМТ-9-509-2016 . ISSN 1867-8548 . 
  22. ^ Jonas Sommar, Вэй Чжу, Лихая Shang, Xinbin Feng, Че-Jin Lin (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 . DOI : 10.3402 / tellusb.v65i0.19940 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бурба , Г., 2013. Метод ковариации Эдди для научных, промышленных, сельскохозяйственных и регулирующих приложений: Полевой справочник по измерению экосистемного газообмена и уровней выбросов по площади. LI-COR Biosciences, Линкольн, США, 331 стр.
  • Обине, М., Т. Весала, Д. Папале (редакторы), 2012. Ковариация Эдди: Практическое руководство по измерению и анализу данных. Springer Atmospheric Sciences, Springer Verlag, 438 стр.
  • Фокен, Т., 2008. Микрометеорология, Springer-Verlag, Берлин, Германия, 308 с.
  • Ли, X., W. Massman, и B. Law, 2004. Справочник по микрометеорологии. Kluwer Academic Publishers, Нидерланды, 250 стр.
  • Розенберг, Нью-Джерси, Б.Л. Блад и С.Б. Верма, 1983. Микроклимат: биологическая среда, Wiley-Interscience, 580 стр.

Внешние ссылки [ править ]

  • Учебник по методу ковариации Эдди
  • Взаимное сравнение программного обеспечения Eddy Covariance
  • Учебники по ковариации Эдди из Google Книги