Ковариация вихрей - Eddy covariance

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

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, 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 над природными экосистемами и сельскохозяйственными полями, а также для количественной оценки скорости выбросов газов от прочие земли и акватории. Он часто используется для оценки потоков движения , тепла , водяного пара, углекислого газа и метана.

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 нет единой терминологии или единой методологии для метода вихревой ковариации, но большие усилия прилагаются сетями измерения потоков (например, FluxNet , Ameriflux , ICOS , CarboEurope , Fluxnet Canada , OzFlux , NEON и iLEAPS ) для унифицировать различные подходы.

Прибор для измерения вихревой корреляции потоков кислорода в донных средах.

Этот метод дополнительно доказал свою применимость под водой к бентосной зоне для измерения потоков кислорода между морским дном и вышележащей водой. 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 . Разработка этого метода и его применение под водой остается плодотворной областью исследований.

Общие принципы

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.

Pyörrekovarianssi-tekniikan kaaviokuva.jpg
[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 во время Time1 и сколько молекул поднялось с вихрями во время Time2, в той же точке, 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.

Диаграмма EddyCovariance 2.jpg
[4]
[4]
Резюме

Трехмерный ветер и другая переменная (обычно концентрация газа, температура или импульс) разлагаются на средние и колеблющиеся компоненты. Ковариация рассчитывается между колеблющейся составляющей вертикального ветра и колеблющейся составляющей 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

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 его 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.

Уравнения EddyCovariance часть 1.jpg
Уравнения EddyCovariance часть 2.jpg
[4]
[4]

Основные предположения

  • 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

В настоящее время (2011 г.) существует множество программ 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

Общее использование:

Роман использует:

Общие приложения

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.

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 климатических моделей 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.

Экосистемы водно-болотных угодий:

Растительность водно-болотных угодий широко варьируется и варьируется от растения к растению в экологическом отношении. Существование первичных 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. Для определения эффективности водопользования, среди прочего, можно снимать показания с градирен за несколько лет.

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. Путем измерения вертикального турбулентного потока 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 купола. 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.

Продукция 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 измерений воздушной массы и энергии составила 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.

Связанные методы

Накопление вихрей

Истинное вихревое накопление

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.

Расслабленное накопление вихрей

Основное различие между истинным и расслабленным методом накопления вихрей заключается в том, что последний отбирает воздух с постоянной скоростью потока, которая не пропорциональна вертикальной скорости ветра.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки