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4近地层通量观测系统概述

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地层 通量 观测 系统 概述
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湍流通量观测第一讲 涡动相关通量观测系统什么是通量通量: 是指 单位时间 通过 单位面积 的流体对 某物理量 的输送。流体运动可分解为 平均运动 和 脉动运动 两部分因此流体运动对物理量的输送也分别由这两部分运动引起。A A A 大气科学、生态学等研究领域常关注的近地层通量输送主要有:物质输送 (水汽、二氧化碳 …… )能量输送 (感热、潜热)为什么关注通量观测在大气科学、生态学和陆面过程研究中,近地层湍流通量观测占据十分重要的位置,这主要是由于以下两方面的原因:( 1)在 气候预测、天气预报 等 全球尺度 和 中尺度 模式以及污染扩散模式、城市街渠模式和大涡模拟等微尺度数值模式中, 下垫面的 湍流通量参数化 是十分关键的敏感问题,直接决定模式的模拟能力。目前国内外与边界层有关的研究的核心目的通常是通过组织边界层观测试验,研究地气系统的物质能量交换等物理过程,设计或改进适用于当地或相关区域的地气通量参数化方案;• ( 2) 全球变化研究是当今国际科技研究的热点问题。 19世纪中期工业革命以来,大气中 渐成为导致全球变暖的主要因素之一 。为了获得地气之间 和能量交换的第一手资料,全球相继建立了大量的湍流观测站并组成了观测网络 —— 全球通量观测网( 和 全球城市通量观测网( 球通量观测网( 2008)全国现有 23个站点站点 生态系统类型大兴安岭寒温带针叶林长白山 温带混交林盘锦 暖温带水稻芦苇湿地禹城 暖温带冬小麦夏玉米农田千烟洲 亚热带人工针叶林鼎湖山 南亚热带常绿阔叶林锡林浩特羊草草原锡林格勒温带草原西双版纳热带季节雨林海北 高寒草甸当雄 高寒草原化草甸全球城市通量网( 2006)•城市区域已经变成全球碳排放的重要贡献因素•城市化进程使不断增加的汽车和其他人为 有的观测表明,城市环境下 量几乎为净排放, 并且其排放强度远大于其他生态系统•很少有实验记录了城市环境下实际的 氧化碳水汽通量仪(留气艇鲍恩比测量系统 白洋淀坐小船去岛上观测白洋淀综合观测试验主要目的是研究非均匀下垫面(存在陆地和大面积的水域)的边界层结构和湍流通量特征(存在湖陆风环流),针对非均匀下垫面的湍流通量参数化,设计出可靠的方案哈尔巴林观测试验 , 主要目的是了解典型季节该地区日遗化学武器销毁设施所在地的大气边界层结构和湍流扩散特征 , 了解当地的地形和下垫面对大气边界层气象要素的影响强度,掌握该地区的大气扩散规律,具体包括边界层风、温垂直廓线和时间演变,逆温层厚度和混合层高度,湍流结构和湍流扩散参数,以及由地形引起的局地环流和冬季下雪时的天气背景对当地边界层的影响等,为确定排气筒高度、风险评估、环境影响评价等提供基础数据气象塔及数据控制室湍流场观测仪器平均场观测仪器系留汽艇和雷达观测场地低层大气风温廓线仪( 2001年 8月 &2002年 7月)计划。 主要目的是研究高度非均匀、高度复杂的城市下垫面的湍流通量的垂直分布特征 ,包括城市冠层之上和冠层内部的观测研究北京 325 15层梯度观测资料,并且在 47、 120和 280 1207塔是城市边界层研究的很好的平台南京市党校楼顶铁塔( 36m)塔上风、温梯度观测 (京综合观测试验, 目的是研究城市这样高度非均匀,高度复杂的下垫面的 边界层三维结构以及 地 2O/文比法( 气动力学方法( 动相关法测量地气通量的基本原理• 地气通量 是指地表和大气之间的 物质、能量交换 ;• 涡动相关法 测量地气通量是从 物质和能量守恒方程 出发,经过一系列的简化而得到的选择垂直于地表的一个体元 用连续方程,分析该体元内物质的收支情况,如 图 所示。其中该方框的上边界是B t,下边界是地表 B 0 ,侧边界 B s ,并且上边界 B t 平行于地表 B 0 。通过一定时间尺度上对该体元内的物质变化体积分,可以得到该体元内的物质收支方程 u 是风速; u是物质  的 流动 速度,忽略地表大气的扩散作用,此时可取 ; 是垂直于体元 V 的向外的单位向量; 是垂直于地表指向体元的单位向量。由方程可见,地表的收支方程中包含了 8 项 021 ( ) ( ) ) + ( )+ ( ) ( ) + in t dV u n n dB u n n                                                 边 界 的 对 流 输 送 存 贮 种 化 学 产 生 过 程I 侧 边 界 的 平 流 输 送 地 表 排 放 他 物 质 在 上 边 界 输 送 的 影 响00+ s n n                       他 物 质 在 侧 边 界 输 送 的 影 响 他 物 质 地 表 排 放 的 影 响( I)理想条件下的地气通量计算当满足下列假设时 :(1)平稳(定常)湍流 ;(2)水平均匀 (平流可以忽略);(3)近地面存在常通量层 ;(4)影响通量的各种尺度的涡旋都已被测到 ;(5)测量到的通量代表仪器所在的下垫面 。此时, 湍流输送为地气输送的唯一机制,可以利用涡动相关法计算地气通量 。( ) '  w L w q 物质通量、感热通量和潜热通量的 简化形式 分别如下 :物质通量:感热通量:潜热通量:涡动相关通量观测系统风• 平均量:风速风向传感器• 脉动量:超声风速仪温• 平均量:温度传感器• 脉动量:超声风速仪、热电偶温度仪湿• 平均量:相对湿度传感器• 脉动量:1)超声风速仪路 分析仪辐射传感器温湿度传感器氧化碳开路分析仪对湿度传感器土壤温度传感器土壤热通量板土壤水分传感器冠层温度传感器涡动相关通量观测系统常用仪器( 2)速风向传感器、气压传感器、雨量筒等)数据采集系统(数采器、机箱等)设备供电系统(太阳能电池板等)电缆、观测支架等涡动相关通量观测系统常用仪器( 3)周三下午班换能器 (相对放置的一对换能器( I, 里面的压电晶体为收、发两用型的。当对换能器 产生超声脉冲信号,发射出来,换能器 把超声信号转化成电信号,输入到超声风速仪的芯片中。 反之,当在 产生的超声脉冲信号能被 将超声信号转换成电信号,输入到超声风速仪的芯片中。声程 L:上下换能器之间的距离超声风速仪工作原理u、 v、 w、 风 时经声程 w : L/(C+V) (1)超声信号 逆风 时经声程 a : L/((2)由( 1)和( 2)可得V = L/2 (1/ 1/ (3)C= L/2 (1/1/ (4) 式中: V 为风速 , C 为声速 , L 为声程。由( 3)式可知 ,只要测出 a ,就能得到所要的风速值 ,进一步可推算空气超声虚温 2/( 其中 a ,从而求出大气的风速和超声虚温287 J 3,英国国目前国内外主要的超声风速仪国 国国国本国1000,美国2用水汽和二氧化碳对 红外 辐射吸收的波段不同可以同时观测水汽和二氧化碳的摩尔浓度氧化碳开路分析仪观测的气象要素: 的瞬时量观测的气象要素:水汽的脉动观测原理:赖曼 发射紫外线,利用水汽对紫外 波段的吸收进行湿度计两种不同的金属组成的闭合回路中,当两接触点的温度存在差异时,回路中就会有电流通过,两接触点间形成电势差,电势差的大小与温度差有关 。热电偶的测量端与基准端的空气温度存在差异时,两者之间形成电势差因此,可以通过测量两端的电势差来测量热电偶两端的温度差。热电偶温度传感器工作原理观测的气象要素: 瞬时温度优点:观测精度高,无需进行订正;缺点:易损坏,不宜用于长期观测涡动相关系统的架设与维护——标准观测场布置 观测塔塔身保持铅直,横杆保持水平。 固定塔身的缆绳每隔 10绳与塔边在同一追至平面上,且与地面成60度夹角。 固定塔身和缆绳的底座坚固 太阳能电池板朝南,与水平面成 60度夹角。 数采箱架在塔身北面 观测塔必须有防雷装置。涡动相关系统的架设与维护——气象观测塔的架设涡动相关系统的架设与维护——湍流观测仪器的架设超声风速仪与 一高度 , 声风速仪与 向盛行风方向如果使用金属丝热电偶温度仪( 架设在超声风速感应探头中间度一致 。湍流观测仪器的维护超声风速仪的维护: 检查传感器的感应头之间是否有杂物,如蜘蛛网等。雨天的水滴可以通过感应头前端的防雨滴网流下来,不需要人工去除水滴。定期检查防雨滴网的位置使其不超出传感器头,并且换能器 2O/雨天、大风和沙尘暴过后要注意通过监控界面的 5,需要检查系统的光路清洁度。在此期间的数据质量是不可靠的。 大约一年左右,分析仪内部装有小苏打和高氯酸镁干燥剂的两个塑料小瓶需要进行更换并重新进行标定。防雨滴网涡动相关系统的架设与维护——辐射观测仪器的架设与维护辐射仪器的架设: 辐射观测仪器一般安装在观测场南边高度为 射计的感应面应保持水平,并且不能受到任何障碍物的影响。辐射仪器所在的下垫面保持自然状态。辐射仪器的维护: 每天上午、下午各一次对辐射观测仪器进行检查和维护。主要检查仪器是否水平,感应面与玻璃罩是否完好,仪器是否清洁。玻璃罩如有灰尘、霜、雾、雪和雨滴时,应用镜头布及时清除干净 ,注意不要划伤或磨损玻璃 ;玻璃罩不能进水,罩内也不应有水汽凝结物;遇到强雷暴、强降水、强沙尘暴等恶劣天气时,要加盖巡视。涡动相关系统的架设与维护——土壤传感器的布设与维护土壤传感器一般安装在观测场的东北角 , 土壤剖面一般取土壤坑的西面或南面 。 土壤热通量板一般布设在 土壤坑在挖掘和填埋时, 为了尽可能保持土壤的自然状态 , 地下土壤应采取分层处理 。涡动相关通量观测站的日常维护维护频率: 在常规观测期,至少每个月一次;在加强观测期,最好每天一到两次。维护内容:好仪器清洁维护;观测量是否合理;回近期的观测资料。对于检查过程中发现的问题进行现场处理,并对检查和维护的情况做好文字和图片记录备案。现场解决不了的问题应尽快解决以保证观测资料的质量和连续性。观测资料的检查与整编对地面气象观测站维护时下载的观测数据应及时进行检查和整编。检查和整编的内容包括:• 检查资料序列的连续性;• 检查观测资料中是否出现奇异值或不合理值;• 建立经初步质量控制的观测资料连续序列;• 绘制各观测变量随时间变化的曲线图。最后将原始数据和资料检查情况进行归档备案。思考: 在森林下垫面建立一个长期的通量观测站(重点关注森林下垫面地气之间的 潜热 、 感热 、 二氧化碳 通量交换过程以及 能量平衡特征 ),需要哪些基本的气象仪器?选址及建站过程中有哪些注意事项?请阐述您的观点和理由。参考网站:北京天诺基业科技有限公司(观测资料)单位转换☆ 野点剔除☆ 坐标旋转☆ 去趋势通量订正频率响应订正☆ 超声虚温订正☆ 将仪器输出电压转换成对应物理量 检验数据各物理量单位是否统一剔除野点野点类型:雨、雪、尘粒等对声程、光程的干扰;瞬时断电等)电子电路、电缆、电源不稳定等)剔除方法: )超阈值)度峭度检验、不连续性检验等30般野点数不超过 10~100,否则剔除该时次资料!!!算该窗口内所有资料的平均值及标准差,如果某点偏离平均值 ≥将该点视为野点用前后两点的平均值进行插补。窗口长度的选择:几秒到 30分钟。常用九点平均 / 211{ ( ( ) ) }( [ ( ) ] 3 )() w i a b s w i w S e n ta k e w i a s sp ik e  方差检验坐标旋转涡动相关法成立的基本假设之一:平均垂直风速因此应尽量满足: 地势平坦、下垫面均一,仪器安装二维坐标旋转( 三维坐标旋转( w0w第一次旋转( 的:使得 第二次旋转( 的:使得平均垂直风速为 0c o s c o s 00 0 1c o s 0 0 c o s维坐标旋转( 0a r c t a n ( / )220 0 0a r c t a n ( / )w u v 去趋势根据雷诺分解,从瞬时值中去除平均量获取湍流脉动量, , , , , . . a A u v w T q  测资料)单位转换☆ 野点剔除☆ 坐标旋转☆ 去趋势通量订正频率响应订正☆ 超声虚温订正☆ 二班 周三班通量订正超声虚温的湿度订正( 汽、 率响应订正( 声虚温的湿度订正对超声虚温进行湿度订正的原因: 超声风速仪测温原理v探头 1声程 2221211()42 ( 1 0 . 5 1 )c R T q221211( ) ( 1 0 . 5 1 ) ( 1 )4 qR t t    ( 1 0 . 5 1 ) ( ) [ 1 0 . 5 1 ( ) ]0 . 5 1 0 . 5 1 0 . 5 1 0 . 5 10 . 5 1 ( 1 0 . 5 1 ) q T T q q T q T T q T q T q                       利用雷诺分解,由公式( 1)可得0 s s T T T q     0 T q  0 . 5 1 w T T w q       继而可得:参考 et 1983; et 2001;张宏升等 ,1998,大气科学超声虚温订正中用到的温度均为绝对温度空气包围的一团冷空气,冷空气团与外界没有气体交换,内部的痕量气体质量浓度保持恒定,但是由于外界的加热作用使得气体膨胀,仪器观测到一虚假的气体通量c 2 v( 1 ) ( )( 1 )1 v v c v v v w                      其 中 : 密 度 ; : 水 汽 密 度 ; : 干 空 气 密 度' ' ' '( 1 ) ( 1 )a w r a wv p qw q q B o w T  对 于 水 汽 通 量 可 得 以 下 简 化 公 式et 1980此处温度 O2 a) ( b) c)森林冠层 c)17% 2%43%引自王春林等, 2007资料处理常见步骤瞬时资料(观测资料)单位转换☆ 野点剔除☆ 坐标旋转☆ 去趋势通量订正频率响应订正☆ 超声虚温订正☆ 资料质量控制下列情况的资料通常被剔除 :• 仪器故障• 处理过程中引入伪信号• 不满足 印痕区域以外的源区贡献• 显著降水时段资料资料质量控制(接上页)大气定常;湍流充分发展;下垫面水平均匀最终给出资料质量评价分类湍流资料质量评价湍流谱检验摩擦速度检验湍流平稳性检验( 流充分性检验( 区分析( 2 / 3 2 / 3*4 / 3( ) / ( )()()''c w n u o  谱分析检验根据 流能谱和互谱归一化后是无量纲频率的相似函数通过分析风速、温度、湿度和二氧化碳的功率谱及协谱,可以判断涡动相关仪器对高频湍流的响应情况谱分析检验实例高频端下滑表征仪器对影响 30) 将观测时段( 30 分为 6个子时段,每个 5 ) 对 30算总体协方差 0;3) 分别计算各子段的协方差( 其均值 ;4) 计算非平稳指数: (流平稳性检验湍流充分性检验充分性检验就是测量的垂直风速方差和摩擦速度的比值与根据莫宁 用总体湍流特征系数( 示:式中, 是垂直速度的方差。* m o d ** m o d/ ( / )( / )w e l w m e a s u r e m e n tw e ( )w湍流资料质量分级湍流平稳性 湍流充分性 总体质量级100% >100% 2et 2004不同传感器的源区面积观测仪器 观测高度 (m) 源区水平尺 度 (m)辐射 0~ 量 200~1000左图: z = 3.0 m, U =1.5 m/s, v] = z/L=[0, . 2001) z/L= z/L= of to % of & 00 m, 300 m, & 1500 m, ~ 1 5 0 oo tp r a te r n te g r at ad e te r he 速风向、大气稳定度等参数有关a a 测资料)单位转换☆ 野点剔除☆ 坐标旋转☆ 去趋势通量订正频率响应订正☆ 超声虚温订正☆ √湍流通量观测第三讲 能量平衡闭合问题什么是能量平衡闭合能量平衡闭合: 是指利用涡动相关仪器直接观测的潜热和感热通量之和与净辐射能量、土壤热通量、热储存项之和之间的平衡。用公式表达:H L E R n G S Q    H n G S Q  湍流热通量有效能量或可利用能量( 流热通量与有效能量相等时,称为能量平衡闭合;反之,则能量平衡不闭合。能量平衡闭合评价方法 最小二乘法线性拟合 能量平衡闭合比率 能量平衡闭合残差频率分布( 1)最小二乘法线性回归22[ ( ) ( ) ]O L S i i i iE x X y Y   ,为回归直线上离数据点最近的横纵坐标值拟合方程:理想的能量平衡条件下,有效能量与湍流热通量的回归直线斜率为 1,并且通过原点。,ax b(b)(a)湍流能量( H+有效能量( 关系( a) 8.7 m;( b) 2.7 m( 2)能量平衡闭合比率能量平衡比率是指在一定的观测期间内,由涡动相关系统直接观测的湍流能量与有效能量的比值()() S0 40 811 41 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20E B R 8 R 2 a 日到 8月 19日 8.7 .7 9:00 7:00 of of .7 m .7 m 9.( 3)能量平衡相对残差频率分布能量平衡相对残差是指一定的观测期间内有效能量和湍流能量两者之差与有效能量的比值( ) ( )()R n G S L E HR n G S   若 ,表明涡动相关系统观测的湍流能量项小于有效能量项;若 ,情况则相反。00能量平衡相对残差 δ的频率分布理想条件下, δ分布应该是以 0纵轴为对称轴的正态分布 。图中显示两个高度上的残差频率分布 形状 都非常接近正 态分布,可是都向右偏移了 说明 涡动相关系统 对多种不同尺度湍涡的观测能力不足, 测定的湍流 能量 偏低。能量平衡不闭合的主要原因在通量观测网络的各观测站点的能量平衡研究中发现能量平衡不闭合现象普遍存在。根据现有的研究,能量平衡不闭合的主要原因归结为以下几点:( 1)通量观测中的采样误差( 动相关系统测量的通量贡献区面积与净辐射、土壤热通量仪器的测量面积不相同会带来湍流能量与有效能量之间的不平衡。净辐射表测量的面积是以净辐射表为中心,以一定半径(与辐射表的安装高度有关)为圆的下表面面积。该测量面积一般不随时间、风速、风向而变化。净辐射表h 辐射表高度r 源区半径()r f h辐射观测与印痕分析风向涡动相关系统所测量的湍流通量面积大致成椭圆形,随着风速和风向的转变而改变,椭圆长轴偏向 盛行风方向 。土壤热通量的测量面积与净辐射表和湍流能量的测量面积存在更大的差异。从理论上讲,净辐射表、涡动相关系统、土壤热通量测定的下垫面面积不可能完全相符合。但如果下垫面存在很大的异质性(非均匀性),那么这种 测量面积的不匹配会给能量平衡闭合带来更大的误差 ( 000)。土壤观测与印痕分析测量仪器的不准确的标定方法特定风向条件下,塔体等的遮蔽效应降低了特定风向上湍流数据的质量,从而降低了能量平衡闭合度( 2)测量仪器的系统误差( 3)其他能量源汇项的忽略能量平衡方程中的 及融化、凝结、升华等气象过程中伴随的能量转化。在特定的天气条件和生态系统, 4)高、低频湍流通量的损失涡动相关仪器对高频和低频信号观测能力的不足导致对高频和低频通量的低估。目前还没有一种标准的方法对仪器的频率响应进行校正,现有的不同的校正方法得到的结果也会不尽相同。( 5)平流的影响在涡动相关技术通量观测中,认为垂直平流可以通过通过坐标旋转使得垂直平均风速为零而被忽略。但实际观测中,垂直平均风速和垂直平流不为零的现象确实存在。( a) 地表的水平非均匀性形成大尺度的局地环流;( b) 夜间大气层结较为稳定时近地面形成夜间冷泄流。很多研究表明在地形有较大起伏的地区和夜间湍流很弱时能量平衡均很难闭合。湍流通量观测第四讲 湍流资料处理及通量计算实习湍流资料处理基本步骤读资料说明检查资料连续性绘制资料的时间序列图,剔除野点过多的资料序列读取资料去野点(九点平滑,偏差超过 标旋转(二维坐标旋转)湍流宏观量、湍流通量计算(通量计算考虑超声虚温订正和 流资料格式举例湍流通量观测第五讲 波文比法和空气动力学法湍流通量计算方法 —— 波文比法量平衡方程 和 湍流 一种计算湍流热通量的方法引入 热通量与潜热通量的比值 )1()1B n H L E G L    波文比的测量 L    以水汽压表示, 为干湿球常数水汽分子和干空气分子的质量比 文比法的优缺点• 优点:简易,而且最后得到的通量与地面能量收支其他分量平衡• 缺点:在有些时间,例如日出尤其是日落时, Δ θ很小,方程失效波文比法的主要误差来源:• 净辐射、土壤热通量、热储存项的测量误差;• 假设 的误差。 这一假设只在中性层结时成立 ,在非中性层结时并不成立,尤其是在 稳定层结 ,• 用有限差分形式取代偏微分形式引起的误差。流通量计算方法 —— 空气动力学法 O bu k ho f 相似性理论建立的无量纲化风速,温度和湿度梯度遵守如下规律,称为微分形式的通量廓线关系: ____k =是 Vo n 数, L 为 M on ho f 长度, *2* 不稳定(0/  411211稳定(0/ : 1 1通常假设 从野外实验确定 )0()0(  k= 16   已知 各要素的无量纲化梯度的函数形式 利用微分形式的通量廓线关系 _; __; _步骤 1 :用两种方案之一计算各气象要素的梯度 第一种方法:以两高度气象要素的差分值代替梯度,计算式为 )/l n ()(1212__1__2__ ; 2/121 )( 第二种方法:对多高度的观测值进行拟合,对拟合方程 微分得到  /__ ,  2__  32__)( l n)( l :取一对 u* , θ*的适当初值,采用迭代法计算 u* , θ*, L , 及 z/L 步骤 3 :由最终的 u* , θ*, L , 及 z/L 计算 q*等 通量廓线关系的应用 —— 从近地面层气象要素廓线观测确定湍流通量梯度法估算通量的优缺点• 优点: 用 花钱少 的慢速响应传感器就能测量到平均廓线,然后再从平均廓线中推导出通量。• 缺点 : ( 1) 通量和平均廓线之间的关系是经验参数化;( 2)廓线形状有时还受诸如粗糙度或零平面位移等因子的变化而变化;( 3)因为采用近地层相似,所以只能计算地面通量;( 4)对于城市这样高度复杂的下垫面的地表通量,此时 此还能否使用梯度法估算通量也需要进一步的研究。
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