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? ] ) прилагают много усилий 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 для унификации различных методов. 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 местных и глобальных углеродных балансов. 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]
Общие принципы
[ редактировать ]Представление потока воздуха в пограничном слое атмосферы
[ редактировать ]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.

Физический смысл
[ редактировать ]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.

Краткое содержание
[ редактировать ]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.
Область, из которой возникают обнаруженные вихри, описывается вероятностно и называется следом потока. [14] . Область следа потока имеет динамические размеры и форму, меняется в зависимости от направления ветра, термической стабильности и высоты измерений и имеет постепенную границу.
Эффект разделения датчиков, конечная длина выборки, усреднение звукового пути, а также другие инструментальные ограничения влияют на частотную характеристику измерительной системы и могут потребовать коспектральной коррекции, особенно заметной для приборов с закрытым трактом и на малых высотах ниже 1. до 1,5 м.
Математическая основа
[ редактировать ]В математических терминах «вихревой поток» рассчитывается как ковариация между мгновенным отклонением вертикальной скорости ветра ( ) от среднего значения ( ) и мгновенное отклонение концентрации газа, соотношения смешивания ( ), от его среднего значения ( ), умноженный на среднюю плотность воздуха ( ). Несколько математических операций и допущений, включая разложение Рейнольдса, необходимы для перехода от физически полных уравнений турбулентного потока к практическим уравнениям для расчета «вихревого потока», как показано ниже.


Основные предположения
[ редактировать ]- Измерения в точке могут представлять собой область с наветренной стороны.
- Измерения проводятся внутри интересующего пограничного слоя.
- выборки/ Зона потоков адекватна – потоки измеряются только в интересующей области
- Поток полностью турбулентный - большая часть чистого вертикального переноса осуществляется вихрями.
- Рельеф горизонтальный и однородный: среднее значение колебаний равно нулю; колебания плотности незначительны; схождение 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 вышках.
Программное обеспечение
[ редактировать ]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 , а другие — с закрытым или проприетарным .
Примеры включают коммерческое программное обеспечение со свободной лицензией для некоммерческого использования, такое как EddyPro ; бесплатные программы с открытым исходным кодом, такие как ECO 2 S , InnFLUX [16] и ECpack ; бесплатные пакеты с закрытым исходным кодом, такие как EdiRe , TK3 , Alteddy и EddySoft .
Использование
[ редактировать ]Обычное использование:
- Выбросы парниковых газов
- углекислого газа Мониторинг выбросов
- выбросов метана Мониторинг
- Измерение потерь воды, суммарного испарения
- Мгновенная эффективность использования воды
- Мгновенная эффективность использования радиации
В романе используются:
- Точное орошение , точное земледелие
- углерода Мониторинг секвестрации и улавливания
- Выбросы свалочных газов в атмосферу
- Выбросы газов, вытесненных при гидроразрыве пласта, в атмосферу
- Обнаружение и место утечки газа
- Выбросы метана из регионов вечной мерзлоты
- Выбросы биогенных ЛОС
- реактивного следового газообмена Измерение потока
Общие приложения
[ редактировать ]Эвапотранспирация
[ редактировать ]Дистанционное зондирование — это подход к моделированию суммарного испарения с использованием энергетического баланса и потока скрытого тепла для определения скорости суммарного испарения. Эвапотранспирация (ET) является частью водного цикла , и точные показания ET важны для местных и глобальных моделей управления водными ресурсами. Скорость ET является важной частью исследований в областях, связанных с гидрологией, а также в области методов ведения сельского хозяйства. MOD16 — это пример программы, которая лучше всего измеряет ET в умеренном климате. [1] [17]
Микрометеорология
[ редактировать ]Микрометеорология фокусирует изучение климата на масштабах конкретного растительного покрова, опять же с применением к гидрологическим и экологическим исследованиям. В этом контексте вихревая ковариация может использоваться для измерения потока тепловой массы в пограничном поверхностном слое или в пограничном слое, окружающем растительный полог. 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 можно записать с помощью башни потоков. Посредством измерений, связанных с вихревыми ковариационными свойствами, такими как коэффициенты шероховатости, можно рассчитать эмпирически с применением к моделированию. [18]
Экосистемы водно-болотных угодий
[ редактировать ]Растительность водно-болотных угодий широко варьируется и экологически варьируется от растения к растению. Первичное существование растений на 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 можно снимать с башен потока за несколько лет, чтобы, среди прочего, определить эффективность использования воды. [19]
Парниковые газы и их согревающий эффект
[ редактировать ]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 покрова. Затем, используя приведенные выше данные, можно сделать выводы о широкой интерпретации ландшафта. Высокие эксплуатационные расходы, погодные ограничения (некоторое оборудование лучше подходит для определенного климата) и вытекающие отсюда технические ограничения могут ограничивать точность измерений. [20]
Производство растительности в наземных экосистемах
[ редактировать ]Модели производства растительности требуют точных наземных наблюдений, в данном контексте, путем измерения вихревых ковариантных потоков. Ковариация Эдди используется для измерения чистой первичной продукции и валовой первичной продукции популяций растений. Достижения в области технологий позволили внести незначительные колебания, что привело к измерениям воздушной массы и энергии в масштабе 100–2000 метров. Изучение углеродного цикла , влияющего на рост и производство растительности, жизненно важно как для производителей, так и для ученых. Используя такую информацию, можно наблюдать поток углерода между экосистемами и атмосферой, причем его применение варьируется от изменения климата до моделей погоды. [1]
Связанные методы
[ редактировать ]Накопление вихрей
[ редактировать ]Истинное накопление вихрей
[ редактировать ]Настоящий метод вихревого накопления можно использовать для измерения потоков газовых примесей, для которых нет достаточно быстрых анализаторов, и поэтому метод вихревой ковариации непригоден. Основная идея заключается в том, что потоки воздуха, движущиеся вверх (восходящие потоки), и потоки воздуха, движущиеся вниз (нисходящие потоки), отбираются пропорционально их скорости в отдельные резервуары. Затем можно использовать газоанализатор с медленным откликом для количественного определения средних концентраций газа как в резервуарах с восходящим, так и с нисходящим потоком. [21] [22]
Расслабленное накопление вихрей
[ редактировать ]Основное различие между настоящим и расслабленным методом накопления вихрей состоит в том, что последний отбирает воздух с постоянной скоростью потока, не пропорциональной вертикальной скорости ветра. [23] [24] [25]
См. также
[ редактировать ]- Эдди (гидродинамика)
- Экосистемное дыхание
- Испарение
- Эвапотранспирация
- Выбросы парниковых газов
- Тепловой поток
- ФлюксНет
- Скрытый тепловой поток
- Транспирация
- Бентический посадочный модуль
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Лян, Шуньлинь; Ли, Сяовэнь; Ван, Джинди, ред. (01.01.2012), «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 12 марта 2020 г.
- ^ Бальдокки, Д., Б. Хикс и Т. Мейерс. 1988. Измерение биосферно-атмосферного обмена биологически родственных газов микрометеорологическими методами. Экология 69, 1331-1340
- ^ Верма, С.Б.: 1990, Микрометеорологические методы измерения поверхностных потоков массы и энергии, Обзоры дистанционного зондирования 5 (1): 99-115.
- ^ Ли, X., В. Массман и Б. Лоу. 2004. Справочник по микрометеорологии. Kluwer Academic Publishers, Нидерланды, 250 стр.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Бурба, Г., 2013. Ковариационный метод Эдди для научных, промышленных, сельскохозяйственных и нормативных приложений: полевой справочник по измерению газообмена в экосистеме и интенсивности выбросов на территории. LI-COR Biosciences, Линкольн, США, 331 стр.
- ^ Обине, М., Т. Весала, Д. Папале (ред.), 2012. Эдди-ковариация: практическое руководство по измерениям и анализу данных. Springer Atmographic Sciences, Springer Verlag, 438 стр.
- ^ Бурба, Джордж (06 сентября 2022 г.). Ковариационный метод Эдди для научных, нормативных и коммерческих приложений . ЛИ-КОР Биологические науки. ISBN 978-0-578-97714-0 .
- ^ 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 вихревой корреляции. Серия «Прогресс в области морской экологии». 261:75-83.
- ^ Университет Вирджинии. Лаборатория исследования ковариации водных вихрей . Проверено: 22 июня 2015 г.
- ^ Университет штата Флорида. Корреляция вихрей — дальнейшее развитие и исследование динамики бентосного кислородного обмена, обусловленной потоками и светом. Архивировано 18 апреля 2014 г. в Wayback Machine . Проверено: 22 июня 2015 г.
- ^ Лейбниц-Институт пресноводной экологии и внутреннего рыболовства. Вихревая корреляция в природных водах . Проверено: 22 июня 2015 г.
- ^ Институт морской микробиологии Макса Планка. Система вихревой корреляции (ECS) . Проверено: 22 июня 2015 г.
- ^ Центр прибрежных биогеохимических исследований. Корреляция Эдди. Архивировано 13 декабря 2013 г. в Wayback Machine . Проверено: 22 июня 2015 г.
- ^ Клюн, Н., П. Каланка, М.В. Ротач и Х.П. Шмид. 2015. Простая двумерная параметризация для прогнозирования следа потока (FFP). Геосци. Модель Дев., 8, 3695–3713, doi: 10.5194/gmd-8-3695-2015
- ^ М. Модер, Т. Фокен, Р. Клемент, Дж. А. Элберс, В. Югстер, Т. Грюнвальд, Б. Хойсинквельд и О. Колле. 2007. Контроль качества данных о потоках CarboEurope. Часть II: Взаимное сравнение программного обеспечения для вихревой ковариации, Biogeosciences Discover., 4, 4067–4099.
- ^ Стридниг, М., М. Граус, Т.Д. Маерк и Т. Карл. 2020. InnFLUX - код с открытым исходным кодом для обычного и дизъюнктного вихревого ковариационного анализа измерений газовых примесей: городской тестовый пример. AMT 13, 1447-1465, doi: 10.5194/amt-13-1447-2020
- ^ Цзя, Л.; Чжэн, К.; Ху, GC; 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
- ^ Монтейт, Джон Л.; Ансворт, Майк Х. (1 января 2013 г.), 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/ б978-0-12-386910-4.00016-0 , ISBN 978-0-12-386910-4 , получено 16 апреля 2020 г.
- ^ Шлезингер, Уильям Х.; Бернхардт, Эмили С. (01 января 2013 г.), 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 16 апреля 2020 г.
- ^ Ялота, Словакия; Вашишт, Б.Б.; Шарма, Сандип; Каур, Саманприт (01 января 2018 г.), Ялота, Словакия; Вашишт, Б.Б.; Шарма, Сандип; Каур, Саманприт (ред.), «Глава 1 – Выбросы парниковых газов и их эффект потепления» , Понимание влияния изменения климата на продуктивность 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 , получено 16 апреля 2020 г.
- ^ 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 (Д1): 2119–2122. Бибкод : 1985JGR....90.2119S . дои : 10.1029/JD090iD01p02119 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Зибике, Лукас (2017). «Истинные методы накопления вихрей и ковариация вихрей, а также взаимное сравнение инструментов для потоков CO2, CH4 и H2O над лесом Хайних». 19-я Генеральная ассамблея ЕГУ, ЕГУ2017 . 19 : 18076. Бибкод : 2017EGUGA..1918076S .
- ^ Бусингер, Йост А.; Онкли, Стивен П.; Бусингер, Йост А.; Онкли, Стивен П. (1 апреля 1990 г.). «Измерение потока с условной выборкой» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 7 (2): 349–352. Бибкод : 1990JAtOT...7..349B . doi : 10.1175/1520-0426(1990)007<0349:fmwcs>2.0.co;2 .
- ^ Остервальдер, С.; Фриче, Дж.; Алевелл, К.; Шмутц, М.; Нильссон, МБ; Джохер, Г.; Соммар, Дж.; Ринне, Дж.; Бишоп, К. (15 февраля 2016 г.). «Система накопления релаксированных вихрей с одним детектором и двойным входом для долгосрочного измерения потока ртути» . Атмосфера. Измер. Тех . 9 (2): 509–524. Бибкод : 2016AMT.....9..509O . дои : 10.5194/amt-9-509-2016 . ISSN 1867-8548 .
- ^ Йонас Соммар, Вэй Чжу, Лихай Шан, Синьбин Фэн, Че-Цзинь Линь (2013). «Система измерения накопления релаксированных 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
[ редактировать ]- Бурба, Г., 2022. Ковариационный метод Эдди для научных, нормативных и коммерческих приложений . LI-COR Biosciences, Линкольн, США, 702 стр.
- Бурба , Г., 2013. Ковариационный метод Эдди для научных, промышленных, сельскохозяйственных и нормативных приложений: полевой справочник по измерению газообмена в экосистеме и объемов выбросов на территории. Архивировано 31 марта 2016 г. в Wayback Machine LI-COR Biosciences, Линкольн, США, 331 стр.
- Обине М., Т. Весала, Д. Папале (ред.), 2012. Эдди-ковариация: практическое руководство по измерениям и анализу данных. Springer Atmographic Sciences, Springer Verlag, 438 стр.
- Фокен, Т., 2008. Микрометеорология, Springer-Verlag, Берлин, Германия, 308 стр.
- Ли, К., В. Массман и Б. Лоу, 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.