Эдди-ковариация
Вихревая ковариация (также известная как вихревая корреляция и вихревой поток ) является ключевым методом атмосферных измерений для измерения и расчета вертикальных турбулентных потоков в пограничных слоях атмосферы . Метод анализирует ряды высокочастотных ветровых и скалярных атмосферных данных, газа, энергии и импульса [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 газовых примесей в природных экосистемах и сельскохозяйственных полях, а также для количественной оценки скорости выбросов газов из другие сухопутные и водные территории. Его часто используют для оценки импульса , тепла , потоков водяного пара, углекислого газа и метана. [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Этот метод также широко используется для проверки и настройки моделей глобального климата , мезомасштабных и погодных моделей, сложных биогеохимических и экологических моделей, а также оценок дистанционного зондирования со спутников и самолетов. Этот метод математически сложен и требует значительной осторожности при настройке и обработке данных. На сегодняшний день, [ когда? ] не существует 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 много усилий для унификации различные подходы.
Кроме того, этот метод доказал свою применимость под водой в бентической зоне для измерения потоков кислорода между морским дном и вышележащей водой. [8] В таких условиях этот метод обычно известен как метод вихревой корреляции или просто вихревая корреляция. Потоки кислорода извлекаются из необработанных измерений, в основном следуя тем же принципам, которые используются в атмосфере, и обычно используются в качестве показателя углеродного обмена, что важно для местного и глобального углеродного баланса. Для большинства донных экосистем вихревая корреляция является наиболее точным методом измерения потоков in-situ . Разработка этой техники и ее применение под водой остается плодотворной областью исследований. [9] [10] [11] [12] [13]
Воздушный поток можно представить как горизонтальный поток множества вращающихся вихрей, то есть турбулентных вихрей различных размеров, причем каждый вихрь имеет горизонтальную и вертикальную составляющие. Ситуация выглядит хаотичной, но вертикальное перемещение компонентов можно измерить с башни.
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 . В каждой посылке указаны концентрация газа, давление, температура и влажность. Если эти факторы, а также скорость известны, мы можем определить поток. Например, если бы кто-то знал, сколько молекул воды ушло с вихрями в момент 1 и сколько молекул поднялось с вихрями в момент 2 в одну и ту же точку, можно было 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.
Трехмерный ветер и другая переменная (обычно концентрация газа, температура или импульс) разлагаются на средние и флуктуирующие компоненты. Ковариация рассчитывается между колеблющейся составляющей вертикального ветра и колеблющейся составляющей концентрации газа. Измеренный поток пропорционален ковариации.