Jump to content

Эдди-ковариация

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

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.

Прибор вихревой корреляции, измеряющий потоки кислорода в донной среде.

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:

В романе используются:

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]

[ 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 ]
  1. ^ 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.
  2. ^ Бальдокки, Д., Б. Хикс и Т. Мейерс. 1988. Измерение биосферно-атмосферного обмена биологически родственных газов микрометеорологическими методами. 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., В. Массман и Б. Лоу. 2004. Справочник по микрометеорологии. Kluwer Academic Publishers, Нидерланды, 250 стр.
  5. ^ 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.
  6. ^ Обине, М., Т. Весала, Д. Папале (ред.), 2012. Эдди-ковариация: практическое руководство по измерениям и анализу данных. Springer Atmographic Sciences, Springer Verlag, 438 стр.
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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.
  9. ^ Университет Вирджинии. Лаборатория исследования ковариации водных вихрей . Проверено: 22 июня 2015 г.
  10. ^ 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.
  11. ^ Лейбниц-Институт пресноводной экологии и внутреннего рыболовства. Вихревая корреляция в природных водах . Проверено: 22 июня 2015 г.
  12. ^ Институт морской микробиологии Макса Планка. Система вихревой корреляции (ECS) . Проверено: 22 июня 2015 г.
  13. ^ Центр прибрежных биогеохимических исследований. Корреляция Эдди. Архивировано 13 декабря 2013 г. в Wayback Machine . Проверено: 22 июня 2015 г.
  14. ^ 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
  15. ^ 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.
  16. ^ 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
  17. ^ 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
  18. ^ 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.
  19. ^ 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.
  20. ^ 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.
  21. ^ 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 )
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 5a9d6c999755f1691dfdaad61c3a8e06__1721461320
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/5a/06/5a9d6c999755f1691dfdaad61c3a8e06.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Eddy covariance - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)