第六講_通量觀測(cè)方法與原理_

1、中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 陸地表層系統(tǒng)野外實(shí)驗(yàn)原理與方法陸地表層系統(tǒng)野外實(shí)驗(yàn)原理與方法 第六講第六講 地表通量觀測(cè)方法及原理地表通量觀測(cè)方法及原理 袁國(guó)富袁國(guó)富 中科院地理科學(xué)與資源所中科院地理科學(xué)與資源所 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 地地- -氣界面通量觀測(cè)方法氣界面通量觀測(cè)方法 p直接測(cè)定方法直接測(cè)定方法(蒸滲儀、箱式法蒸滲儀、箱式法) p間接測(cè)定方法

2、間接測(cè)定方法(小氣候法小氣候法) 波文比方法波文比方法 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 p大尺度通量的觀測(cè)大尺度通量的觀測(cè)(大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀) p通量的分解測(cè)定通量的分解測(cè)定(同位素技術(shù)同位素技術(shù)) 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 地地- -氣界面通量觀測(cè)方法氣界面通量觀測(cè)方法 地面與大氣之間的能量和物質(zhì)交換地面與大氣之間的能量和物質(zhì)交換 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富

3、袁國(guó)富 地地- -氣界面通量觀測(cè)方法氣界面通量觀測(cè)方法 地地-氣界面的水碳通量和交換量氣界面的水碳通量和交換量 p通量通量 單位時(shí)間單位面積的交換量單位時(shí)間單位面積的交換量 p水汽通量水汽通量 以植物蒸騰和土壤蒸發(fā)以植物蒸騰和土壤蒸發(fā)(方向向上方向向上)為主體，在一定的為主體，在一定的 條件下還包括水汽凝結(jié)條件下還包括水汽凝結(jié)(方向向下方向向下)組成的地面與大氣之組成的地面與大氣之 間的水汽交換量間的水汽交換量 p碳通量碳通量 以植物光合作用以植物光合作用(方向向下方向向下)，植物和土壤呼吸，植物和土壤呼吸(方向向方向向 上上)組成的地面與大氣之間的碳交換量組成的地面與大氣之間的碳交換量 中國(guó)

4、科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 大型蒸滲儀方法大型蒸滲儀方法 原理原理 Lysimeter：蒸發(fā)滲漏儀：蒸發(fā)滲漏儀(簡(jiǎn)稱蒸滲儀簡(jiǎn)稱蒸滲儀) 觀測(cè)原理：稱重觀測(cè)原理：稱重 前后兩個(gè)時(shí)間觀測(cè)的土柱質(zhì)量差為這一觀測(cè)時(shí)段該土柱的水前后兩個(gè)時(shí)間觀測(cè)的土柱質(zhì)量差為這一觀測(cè)時(shí)段該土柱的水 的損失量的損失量 21 21 21 )( GGET LGGIPET LETGIPG G1時(shí)段初蒸滲儀土柱重量時(shí)段初蒸滲儀土柱重量(g) G2時(shí)段末蒸滲儀土柱重量時(shí)段末蒸滲儀土柱重量 P降雨量降雨量 I灌溉量灌溉量

5、 L滲漏到土柱外的水量滲漏到土柱外的水量 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 大型蒸滲儀方法大型蒸滲儀方法 示意圖示意圖 外觀外觀 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 大型蒸滲儀方法大型蒸滲儀方法 示意圖示意圖 內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)部構(gòu)造 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富

6、 大型蒸滲儀方法大型蒸滲儀方法 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 直接觀測(cè)，精度高直接觀測(cè)，精度高 可以進(jìn)行水分處理，進(jìn)行不同科學(xué)目的的觀測(cè)可以進(jìn)行水分處理，進(jìn)行不同科學(xué)目的的觀測(cè) 自然代表性不夠自然代表性不夠 應(yīng)用范圍相對(duì)較窄應(yīng)用范圍相對(duì)較窄 p優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) p缺點(diǎn)缺點(diǎn) 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 波文比波文比- -能量平衡方法能量平衡方法 波文比的定義波文比的定義 E H 波文比波文比(Bowen ratio)指地表感熱通量與潛熱通量之比指地表感熱通量與潛熱通量之比 波文比可以描述空氣的穩(wěn)定狀況

7、：波文比越大，表明感熱交換越強(qiáng)波文比可以描述空氣的穩(wěn)定狀況：波文比越大，表明感熱交換越強(qiáng) 烈，空氣越不穩(wěn)定，波文比越小，空氣穩(wěn)定性越好烈，空氣越不穩(wěn)定，波文比越小，空氣穩(wěn)定性越好 根據(jù)空氣運(yùn)動(dòng)的梯度擴(kuò)散理論根據(jù)空氣運(yùn)動(dòng)的梯度擴(kuò)散理論 dz dT KcH hp dz de K P E v de dT K K Pc v h p 假設(shè)假設(shè)Kh=Kv，微分變差分，微分變差分 e T Pc p 該公式意味著，測(cè)定兩個(gè)高度的溫度和濕度差，就能得到波文比該公式意味著，測(cè)定兩個(gè)高度的溫度和濕度差，就能得到波文比 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)

8、絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 波文比波文比- -能量平衡方法能量平衡方法 觀測(cè)原理觀測(cè)原理 GEHR n E H 1 GR E n 1 )(GR H n 觀測(cè)凈輻射和波文比，就能計(jì)算獲得觀測(cè)凈輻射和波文比，就能計(jì)算獲得 感熱通量和潛熱通量感熱通量和潛熱通量 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 波文比波文比- -能量平衡方法能量平衡方法 與小氣候方法相關(guān)的幾個(gè)概念與小氣候方法相關(guān)的幾個(gè)概念 1. Fetch(風(fēng)浪區(qū)風(fēng)浪區(qū)) 是指風(fēng)在某一是指風(fēng)在某一均勻粗糙表面均勻粗

9、糙表面所穿行的距離或范圍。所穿行的距離或范圍。 2. Footprint(通量觀測(cè)區(qū)域通量觀測(cè)區(qū)域) 是指地表通量觀測(cè)設(shè)施觀測(cè)到的范圍，代表了儀器獲得的通是指地表通量觀測(cè)設(shè)施觀測(cè)到的范圍，代表了儀器獲得的通 量交換的具體范圍和位置。量交換的具體范圍和位置。 3. 平流平流 水平方向上的能量交換水平方向上的能量交換 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 波文比波文比- -能量平衡方法能量平衡方法 波文比方法的誤差來(lái)源及其避免波文比方法的誤差來(lái)源及其避免 提高儀器測(cè)量精度，及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)提高

10、儀器測(cè)量精度，及時(shí)維護(hù)保養(yǎng) 風(fēng)浪區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)該在是儀器安裝高度的風(fēng)浪區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)該在是儀器安裝高度的100倍以上倍以上 1. 平流影響平流影響 2. 空氣穩(wěn)定狀況空氣穩(wěn)定狀況 適合于中性層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)適合于中性層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié) 3. 儀器測(cè)量誤差儀器測(cè)量誤差 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 原理原理 對(duì)于一個(gè)不斷變化的量，對(duì)于一個(gè)不斷變化的量， 它可以分解為兩部分：它可以分解為兩部分： uuu u為瞬時(shí)值，為瞬時(shí)值，u為一段時(shí)間為一段時(shí)間 的平均值，的平均值，

11、u為脈動(dòng)值為脈動(dòng)值 1. 平均值與脈動(dòng)值平均值與脈動(dòng)值 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 原理原理 2. Reynolds平均法則平均法則 uu 0 u wuwu 0 wuwu w uwuuw 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 原理原理 u1v1 u2v2 w1vw1v F 3. 渦度相關(guān)的兩個(gè)假定渦度相關(guān)的兩個(gè)假定

12、2211vv uu 平均垂直風(fēng)速為平均垂直風(fēng)速為0 0w 其中其中u，w分別為水平和垂直風(fēng)速，分別為水平和垂直風(fēng)速，v為物質(zhì)濃度為物質(zhì)濃度(密度密度) 水平方向上通量的輸入與輸水平方向上通量的輸入與輸 出相等出相等 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 原理原理 u1v1 u2v2 w1vw1v F 3. 通量公式的推導(dǎo)通量公式的推導(dǎo) 平均的垂直通量可以表述為平均的垂直通量可以表述為 v wF www vvv )( )( v vv vvvv vvvv vvvv

13、 vv w ww wwww wwww wwww wwF 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 原理原理 4. 渦度相關(guān)渦度相關(guān)(Eddy Covariance/Correlation, EC) 已知相互關(guān)聯(lián)的變量已知相互關(guān)聯(lián)的變量A,B之間的協(xié)方差可以表述為：之間的協(xié)方差可以表述為： 1 0 )( 1 ),( N i ii BBAA N BACov 1 0 1 0 1 )( 1 ),( v N i vi N i vviiv w w N ww N wCov i

14、1 0 )( 1 N i vviiv ww N wF 地氣之間的湍流傳輸通地氣之間的湍流傳輸通 量是物質(zhì)或能量的濃度量是物質(zhì)或能量的濃度 與垂直速度的協(xié)方差與垂直速度的協(xié)方差 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 動(dòng)量、熱量和水汽通量動(dòng)量、熱量和水汽通量 動(dòng)量通量：動(dòng)量通量： u w 感熱通量：感熱通量： T wcH p 水汽通量：水汽通量： q wE q為空氣比濕為空氣比濕 Baldocchi et al, 1988, Ecology, 69:1331-13

15、40 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 系統(tǒng)主要組成系統(tǒng)主要組成 (1)超聲風(fēng)速儀超聲風(fēng)速儀 10Hz頻譜空氣運(yùn)動(dòng)及其速度的三維測(cè)量頻譜空氣運(yùn)動(dòng)及其速度的三維測(cè)量 (2)濕度儀濕度儀 測(cè)量水汽濃度測(cè)量水汽濃度 (3)CO2氣體分析儀氣體分析儀 測(cè)量測(cè)量CO2濃度濃度 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 系統(tǒng)主要組成系統(tǒng)主

16、要組成 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 渦度相關(guān)方法渦度相關(guān)方法 系統(tǒng)主要組成系統(tǒng)主要組成 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 大尺度通量觀測(cè)大尺度通量觀測(cè): : 大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀 大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(Large Aperture Scintillometer)原理原理 空氣的折射指數(shù)與感熱通量之間空氣的折射指數(shù)與感熱通量之間 在理論上存在一個(gè)關(guān)系在理論上

17、存在一個(gè)關(guān)系 空氣折射指數(shù)用折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)空氣折射指數(shù)用折射指數(shù)的結(jié)構(gòu) 參數(shù)參數(shù)Cn2來(lái)描述其湍流強(qiáng)度來(lái)描述其湍流強(qiáng)度 Cn2是一個(gè)與溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)是一個(gè)與溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)CT2相關(guān)相關(guān) 的一個(gè)參數(shù)。對(duì)于近紅外波段，的一個(gè)參數(shù)。對(duì)于近紅外波段， 這個(gè)關(guān)系式可以表達(dá)為：這個(gè)關(guān)系式可以表達(dá)為： AT為溫度對(duì)折射指數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn)為溫度對(duì)折射指數(shù)的相對(duì)貢獻(xiàn) T為空氣溫度為空氣溫度 為波文比為波文比 p為大氣壓為大氣壓 溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)溫度結(jié)構(gòu)參數(shù) 空氣折射指數(shù)空氣折射指數(shù) 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁

18、國(guó)富 大尺度通量觀測(cè)大尺度通量觀測(cè): : 大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀 大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(Large Aperture Scintillometer)原理原理 而溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)與感熱通量直接而溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)與感熱通量直接 相關(guān)：相關(guān)： 有近似公式：有近似公式： zs 發(fā)射光束高度發(fā)射光束高度 d 零平面位移零平面位移 LMO:Molin-Obukhov長(zhǎng)度長(zhǎng)度 其中其中b=0.57 溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)溫度結(jié)構(gòu)參數(shù) 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 大尺度通量觀測(cè)大尺度通量觀測(cè): : 大孔

19、徑閃爍儀大孔徑閃爍儀 大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(Large Aperture Scintillometer)原理原理 LAS由一個(gè)發(fā)射器和一由一個(gè)發(fā)射器和一 個(gè)接收器組成，發(fā)射器個(gè)接收器組成，發(fā)射器 發(fā)射某個(gè)波段的一個(gè)光發(fā)射某個(gè)波段的一個(gè)光 束，這個(gè)光束的強(qiáng)度由束，這個(gè)光束的強(qiáng)度由 于空氣湍流于空氣湍流“閃爍閃爍”而而 發(fā)生改變，通過(guò)接收器發(fā)生改變，通過(guò)接收器 獲取被改變的光強(qiáng)度獲取被改變的光強(qiáng)度 光強(qiáng)的自然對(duì)數(shù)的協(xié)方差與空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在如下關(guān)光強(qiáng)的自然對(duì)數(shù)的協(xié)方差與空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在如下關(guān) 系系(接收器和發(fā)射器的孔徑大小相同接收器和發(fā)射器的孔徑大小相同)： D為發(fā)射光束

20、的直徑，為發(fā)射光束的直徑，L為光程長(zhǎng)度為光程長(zhǎng)度 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 大尺度通量觀測(cè)大尺度通量觀測(cè): : 大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀 特點(diǎn)特點(diǎn) 測(cè)定發(fā)射器與接收器之間線狀區(qū)域平均的測(cè)定發(fā)射器與接收器之間線狀區(qū)域平均的 感熱通量感熱通量 是一種大尺度是一種大尺度(一般可達(dá)一般可達(dá)5km)的通量觀測(cè)的通量觀測(cè) 手段手段 對(duì)潛熱通量的測(cè)定存在一定的問(wèn)題對(duì)潛熱通量的測(cè)定存在一定的問(wèn)題 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研

21、究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 通量的組成與分割通量的組成與分割 水汽通量：水汽通量：蒸發(fā)與蒸騰蒸發(fā)與蒸騰 碳通量：碳通量：光合碳與呼吸碳光合碳與呼吸碳 Transpiration Atmospheric Vapor Net H2O exchange Soil Water Soil EvaporationStem Water Soil surface Precipitation Atmospheric CO2 Recycling (7% of respired CO2) Soil Invasion Photo

22、synthetic uptake Respiration 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 同位素基礎(chǔ)知識(shí)同位素基礎(chǔ)知識(shí) 相同質(zhì)子數(shù)，而中子數(shù)不同的同一種元素稱為同位素相同質(zhì)子數(shù)，而中子數(shù)不同的同一種元素稱為同位素 氫氫：1H, 2H(D), 3H 氧氧：16O, 17O, 18O 碳碳：12C, 13C, 14C 氮氮：14N, 15N 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所

23、中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 同位素基礎(chǔ)知識(shí)同位素基礎(chǔ)知識(shí) 同位素的分餾同位素的分餾 因重同位素和輕同位素在質(zhì)量和化學(xué)能上的差異，導(dǎo)致物因重同位素和輕同位素在質(zhì)量和化學(xué)能上的差異，導(dǎo)致物 質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，輕重同位素發(fā)生分餾，從而使得同位素質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，輕重同位素發(fā)生分餾，從而使得同位素 含量發(fā)生改變含量發(fā)生改變 同位素分餾的作用在于：同位素分餾的作用在于： (1)它導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中不同源庫(kù)的穩(wěn)定同位素比發(fā)生變化它導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中不同源庫(kù)的穩(wěn)定同位素比發(fā)生變化 (2)它建立了一個(gè)同位素信號(hào)，可以反

24、映元素循環(huán)中關(guān)鍵過(guò)它建立了一個(gè)同位素信號(hào)，可以反映元素循環(huán)中關(guān)鍵過(guò) 程的存在方式或程度程的存在方式或程度 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 同位素基礎(chǔ)知識(shí)同位素基礎(chǔ)知識(shí) 同位素含量的表達(dá)同位素含量的表達(dá)(以以18O為例為例) 同位素比同位素比R N N R 16 18 18 同位素同位素值值 1 tan 18 18 18 dards sample R R N：元素的量：元素的量(個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)) 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究

25、所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 同位素基礎(chǔ)知識(shí)同位素基礎(chǔ)知識(shí) 同位素分餾過(guò)程的表達(dá)同位素分餾過(guò)程的表達(dá) p 分餾系數(shù)分餾系數(shù)(fractionation) p 分餾系數(shù)分餾系數(shù)(描述同位素的富集程度描述同位素的富集程度) 發(fā)生同位素分餾作用后的同位素含量與發(fā)生分餾作用前的同位素 含量之比定義為分餾系數(shù) BA BA A B AB R R AR BR )( )( / 11 / A B ABAB R R 0意味著分餾過(guò)程在富集重同位素（同位素富集），

26、 0意味著 分餾過(guò)程在損耗重同位素（同位素貧化） A, B分別指物質(zhì)的兩種 形態(tài)或者不同的兩種化 合物 L V LV R R 18 18 / 1 18 18 / L V LV R R 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 同位素基礎(chǔ)知識(shí)同位素基礎(chǔ)知識(shí) 例：已知水的量為例：已知水的量為N，水中，水中18O同位素的含量同位素的含量(同位素比同位素比)為為18R，求，求 水中水中18O的絕對(duì)量的絕對(duì)量 1 18 18 18 18

27、 18 16 18 18 R NR N NN N N N R 解：根據(jù)同位素比解：根據(jù)同位素比R的定義，有：的定義，有： 由于由于18R遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于1，因此分母可以近似等于，因此分母可以近似等于1，則有：，則有： NRN18 18 該公式表明，某物質(zhì)同位素該公式表明，某物質(zhì)同位素 的量等于該物質(zhì)同位素比與的量等于該物質(zhì)同位素比與 該物質(zhì)總量的乘積該物質(zhì)總量的乘積 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) SPAC系統(tǒng)中的系統(tǒng)中

28、的18O和和13C Transpiratio n ( 18 18O O 4 4 ) ) Atmospheric Vapor ( 18 18O 13 O 13) ) Net H2O exchange ( 18 18O 5 O 5) ) Soil Water ( 18 18O 4 O 4) ) Soil Evaporation ( 18 18O 31 O 31) ) Stem Water ( 18 18O 4 O 4) ) Leaf Water ( 18 180 14 0 14) ) Soil surface water ( 18 18O 3 O 3) ) H218O, H16O, H216O P

29、recipitation ( 18 18O 4 O 4) ) Atmospheric CO2 ( 18 18O41 O41, , 13 13C 8 8) ) Recycling (7% of respired CO2) C18O16O, C16O2 , 13CO2 , 12CO2 Soil ( 18 18O30 O30, , 13 13C25 25) ) Invasion H2 18O Photosynthetic uptake ( 18 18O 18 O 18 13 13C26 26) Stem ( 18 18O29 O29, , 13 13C26 26) Respiration 中國(guó)科學(xué)院

30、地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 原理原理(以水汽通量為例以水汽通量為例) TEET p蒸散通量等于蒸發(fā)與蒸騰之和蒸散通量等于蒸發(fā)與蒸騰之和 蒸散的同位素通量等于蒸發(fā)同位素通蒸散的同位素通量等于蒸發(fā)同位素通 量與蒸騰同位素通量之和量與蒸騰同位素通量之和 TEET TEET 1 TE TTEEET TEET ff ff ET T ET E ET EET T f T 蒸騰水汽同位素含量，等于植蒸騰水汽同位素含量，等于植 物莖水同位素

31、含量物莖水同位素含量(穩(wěn)態(tài)假設(shè)穩(wěn)態(tài)假設(shè)) E 蒸發(fā)水汽同位素含量，用蒸發(fā)水汽同位素含量，用 Graig-Gordon模型計(jì)算模型計(jì)算 ET 蒸散水汽同位素含量，用蒸散水汽同位素含量，用 Keeling Plot方法獲取方法獲取 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 原理原理(以水汽通量為例以水汽通量為例) p植物蒸騰的水同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè)植物蒸騰的水同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè) 在某些情形下，進(jìn)入葉片的水的同位素組成與排出葉片的水在某些情形

32、下，進(jìn)入葉片的水的同位素組成與排出葉片的水(水汽水汽) 的同位素組成相等，這種情形稱之為植物蒸騰的同位素穩(wěn)態(tài)的同位素組成相等，這種情形稱之為植物蒸騰的同位素穩(wěn)態(tài) 同位素穩(wěn)態(tài)在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間尺度時(shí)，或者蒸騰水汽量遠(yuǎn)大于葉片同位素穩(wěn)態(tài)在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間尺度時(shí)，或者蒸騰水汽量遠(yuǎn)大于葉片 本身含水量，水汽交換本身含水量，水汽交換(蒸騰速率蒸騰速率)較大時(shí)，穩(wěn)態(tài)假設(shè)一般是成立較大時(shí)，穩(wěn)態(tài)假設(shè)一般是成立 的的 在短時(shí)間尺度，如小時(shí)或更短尺度，由于受各種環(huán)境因子的影響，在短時(shí)間尺度，如小時(shí)或更短尺度，由于受各種環(huán)境因子的影響， 蒸騰的同位素穩(wěn)態(tài)往往會(huì)受到影響，形成蒸騰過(guò)程的同位素非穩(wěn)蒸騰的同位素穩(wěn)態(tài)往往會(huì)受到影響

33、，形成蒸騰過(guò)程的同位素非穩(wěn) 態(tài)情形態(tài)情形 sT 蒸騰水汽蒸騰水汽源水源水 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 原理原理(以水汽通量為例以水汽通量為例) pCraig-Gordon模型模型 模擬蒸發(fā)水汽同位素組成的模型模擬蒸發(fā)水汽同位素組成的模型 蒸發(fā)的三個(gè)物理過(guò)程以及對(duì)應(yīng)蒸發(fā)的三個(gè)物理過(guò)程以及對(duì)應(yīng) 的三個(gè)不同分餾過(guò)程的三個(gè)不同分餾過(guò)程 1.液態(tài)水汽化形成飽和水汽層， 以及對(duì)應(yīng)的平衡分餾過(guò)程 2.水汽穿過(guò)界面的靜止空氣層

34、的分子擴(kuò)散過(guò)程，以及對(duì)應(yīng)的 分子擴(kuò)散分餾 3.水汽通過(guò)湍流交換層的湍流 擴(kuò)散過(guò)程以及對(duì)應(yīng)的湍流擴(kuò)散 分餾 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 原理原理(以水汽通量為例以水汽通量為例) pCraig-Gordon模型模型 蒸發(fā)通量的阻力模式： 水汽通量水汽濃度梯度/擴(kuò)散阻力 對(duì)于總的水汽擴(kuò)散而言，水汽 通量為： 對(duì)于水汽重同位素的擴(kuò)散而言， 同位素水汽通量為： hN空氣相對(duì)濕度，RL液態(tài)水同位素含量，RA空氣水汽同位素含量

35、，V/L平衡分餾系數(shù)， 總的水汽擴(kuò)散阻力，包括分子擴(kuò)散阻力M和湍流擴(kuò)散阻力T，i下標(biāo)指水穩(wěn)定同位素 HDO或H218O 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 原理原理(以水汽通量為例以水汽通量為例) pCraig-Gordon模型模型 N diffV/LANLV/L E h1 h n=1/2 對(duì)于自然水面蒸發(fā) =1 對(duì)于土壤水和葉片水蒸發(fā) =1對(duì)于小水面 =0.5-0.88 對(duì)于大水面 18diff = -28.5 2di

36、ff = -25.1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 原理原理(以水汽通量為例以水汽通量為例) pKeeling Plot方法方法 近地層空氣水汽被認(rèn)為是周圍空氣水汽與地表蒸近地層空氣水汽被認(rèn)為是周圍空氣水汽與地表蒸 散水汽的混合物，因此有質(zhì)量平衡方程散水汽的混合物，因此有質(zhì)量平衡方程: : ETam qqq 這里這里qm為某一高度的水汽濃度，為某一高度的水汽濃度，qa為周圍空氣為周圍空氣(上風(fēng)向空氣上風(fēng)向空氣) 的

37、水汽濃度的水汽濃度(比濕比濕)，qET為地表蒸散為地表蒸散(包括植物蒸騰和土壤蒸包括植物蒸騰和土壤蒸 發(fā)發(fā))水汽濃度水汽濃度(比濕比濕) 則水汽中穩(wěn)定同位素成分則水汽中穩(wěn)定同位素成分(HDO,H218O)的質(zhì)量平衡可以寫(xiě)的質(zhì)量平衡可以寫(xiě) 作：作： ETETaamm qqq ET m ETaam q q 1 )( 水汽同位素含量與水汽濃度的倒數(shù)為線水汽同位素含量與水汽濃度的倒數(shù)為線 性關(guān)系，且截距為性關(guān)系，且截距為ET的同位素含量的同位素含量 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)水分分中心水分分中心 袁國(guó)富袁國(guó)富 通量的精細(xì)分解測(cè)定通量的精細(xì)分解測(cè)定: :同位素技術(shù)同位素技術(shù) 原理原理(以水汽通量為例以水汽通量為例) pKeeling Plot方法方法 ET m ETaam q q 1 )( Keeling Plot曲線曲線 河北欒城，冬小麥田，河北欒城，冬小麥田，2008 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)生態(tài)