2湍流通量測(cè)量方法概述

1、二二 湍流通量測(cè)量方法簡(jiǎn)介湍流通量測(cè)量方法簡(jiǎn)介湍流通量測(cè)量方法湍流通量測(cè)量方法 渦度相關(guān)法（渦度相關(guān)法（Eddy CovarianceEddy Covariance，ECEC） 梯度法廓線法梯度法廓線法 鮑恩比方法鮑恩比方法通量通量 通量是指單位時(shí)間通過(guò)單位面積的流體的某屬性量的輸送。通量是指單位時(shí)間通過(guò)單位面積的流體的某屬性量的輸送。 流體運(yùn)動(dòng)可分為平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分，因此屬性輸流體運(yùn)動(dòng)可分為平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分，因此屬性輸送也分別由這兩部分運(yùn)動(dòng)引起。送也分別由這兩部分運(yùn)動(dòng)引起。 熱通量和水通量：風(fēng)速分量乘以熱量和水汽含量和表示通熱通量和水通量：風(fēng)速分量乘以熱量和水汽含量和表示通過(guò)

2、這個(gè)方向的單位面積所傳輸?shù)臒崃亢退窟^(guò)這個(gè)方向的單位面積所傳輸?shù)臒崃亢退俊? , , ) uvw( , q , ) quvqw熱通量：熱通量：水汽通量：水汽通量： w w uv v uu u u 222vwwvwv 動(dòng)量通量：對(duì)上述兩個(gè)標(biāo)量的通量傳輸可以分解為動(dòng)量通量：對(duì)上述兩個(gè)標(biāo)量的通量傳輸可以分解為x x，y y和和z z三三個(gè)方向。風(fēng)速矢量有三個(gè)分量（個(gè)方向。風(fēng)速矢量有三個(gè)分量（u u、v v和和w w），），因此對(duì)于動(dòng)量通量則因此對(duì)于動(dòng)量通量則具有具有9 9個(gè)分量，即任一方向的氣流運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)傳輸個(gè)分量，即任一方向的氣流運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)傳輸u u，v v和和w w方向的方向的動(dòng)量輸送

3、，因而具有二階張量性質(zhì)。動(dòng)量輸送，因而具有二階張量性質(zhì)。) , , (wvucp) , vq , (wquq w vw v uvwu vu u 222uwwv湍流場(chǎng)：湍流場(chǎng)：渦度相關(guān)法（渦度相關(guān)法（Eddy Covariance，EC）測(cè)量地氣通量的原理測(cè)量地氣通量的原理 地氣通量是指地表和大氣之間的物質(zhì)、能量交換；地氣通量是指地表和大氣之間的物質(zhì)、能量交換； 渦度相關(guān)法測(cè)量地氣通量是從物質(zhì)能量守恒方程出發(fā)，經(jīng)渦度相關(guān)法測(cè)量地氣通量是從物質(zhì)能量守恒方程出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列的簡(jiǎn)化而得到的過(guò)一系列的簡(jiǎn)化而得到的渦度相關(guān)系統(tǒng)收支方程收支方程021I0VV10( ( )( )+()+()()+tstiou

4、ttVVBioutinoutstBBBittdVS dVu ndBtu ndBun dBJ ndB III 上邊界的對(duì)流輸送 存貯II 各種化學(xué)產(chǎn)生過(guò)程I 側(cè)邊界的平流輸送 地表排放VI 其他物質(zhì)在上邊界輸送的影響00+outinsBsBiiJ ndBJ n dB VII 其他物質(zhì)在側(cè)邊界輸送的影響VIII 其他物質(zhì)地表排放的影響（I）00021000IIII II 00IV V1()()111( )( )11tsinBchemvapVVVoutouttsBBFun dBBtt dVSdVSdVBtBBundBundBBB 地表排放 存貯水汽蒸發(fā)輸送化學(xué)產(chǎn)生過(guò)程上邊界的垂直對(duì)流輸送 側(cè)邊界的水

5、平平流輸送（II）物質(zhì)（比如水汽、物質(zhì)（比如水汽、CO2CO2）通量）通量質(zhì)量守恒方程簡(jiǎn)化質(zhì)量守恒方程簡(jiǎn)化理想條件下的地氣通量計(jì)算理想條件下的地氣通量計(jì)算 當(dāng)滿足下列假設(shè)時(shí)當(dāng)滿足下列假設(shè)時(shí)： (1)(1)平穩(wěn)（定常）湍流平穩(wěn)（定常）湍流； (2)(2)水平均勻水平均勻（平流可以忽略）；（平流可以忽略）； (3) (3) 近地面存在常通量層近地面存在常通量層； (4)(4)影響通量的各種度的渦旋都已被測(cè)到影響通量的各種度的渦旋都已被測(cè)到； (5)(5)測(cè)量到的通量代表儀器所在的下墊面測(cè)量到的通量代表儀器所在的下墊面。 此時(shí)，此時(shí)，湍流輸送（第湍流輸送（第IIIIII項(xiàng)）為地氣輸送的唯一機(jī)制，可以

6、項(xiàng)）為地氣輸送的唯一機(jī)制，可以利用渦度相關(guān)法計(jì)算地氣通量利用渦度相關(guān)法計(jì)算地氣通量。（III）()|zFw（V）（VI）（VII）理想條件下的地氣通量計(jì)算理想條件下的地氣通量計(jì)算（IX）（X）（XI）（XII）（XIV）（XIII）w C 1N(ww )(CC )ii1NiCWCW湍流輸送項(xiàng)湍流輸送項(xiàng)湍流觀測(cè)湍流觀測(cè) 超聲風(fēng)速儀：超聲風(fēng)速儀：利用聲學(xué)方法測(cè)量三維風(fēng)、溫脈動(dòng)，沒(méi)有機(jī)利用聲學(xué)方法測(cè)量三維風(fēng)、溫脈動(dòng)，沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，響應(yīng)時(shí)間快，精度高、量程寬、輸出線性，械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，響應(yīng)時(shí)間快，精度高、量程寬、輸出線性，是一種絕對(duì)測(cè)量的儀器是一種絕對(duì)測(cè)量的儀器, ,不需經(jīng)常標(biāo)定。不需經(jīng)常標(biāo)定。 熱線

7、風(fēng)速儀：熱線風(fēng)速儀：采樣頻率高，可達(dá)到上千赫茲，但比較容易采樣頻率高，可達(dá)到上千赫茲，但比較容易損壞。損壞。換能器換能器(transducer)：相對(duì)放置的：相對(duì)放置的一對(duì)換能器（一對(duì)換能器（I，II），里面的壓），里面的壓電晶體為收、發(fā)兩用型的。當(dāng)對(duì)電晶體為收、發(fā)兩用型的。當(dāng)對(duì)換能器換能器I施加脈沖電壓時(shí)，可產(chǎn)生施加脈沖電壓時(shí)，可產(chǎn)生超聲脈沖信號(hào)，發(fā)射出來(lái)，換能超聲脈沖信號(hào)，發(fā)射出來(lái)，換能器器II能夠接受到，并把超聲信號(hào)轉(zhuǎn)能夠接受到，并把超聲信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，輸入到超聲風(fēng)速儀化成電信號(hào)，輸入到超聲風(fēng)速儀的芯片中。的芯片中。 反之，當(dāng)在反之，當(dāng)在II上施加上施加脈沖電壓時(shí)，其產(chǎn)生的超聲脈沖脈沖

8、電壓時(shí)，其產(chǎn)生的超聲脈沖信號(hào)能被信號(hào)能被I接受，并將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)接受，并將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信好，輸入到超聲風(fēng)速儀換成電信好，輸入到超聲風(fēng)速儀的芯片中。的芯片中。聲程聲程L：上下?lián)Q能器之間的距離：上下?lián)Q能器之間的距離超聲風(fēng)速儀測(cè)風(fēng)原理（一）超聲風(fēng)速儀測(cè)風(fēng)原理（一）超聲信號(hào)超聲信號(hào)順風(fēng)順風(fēng)時(shí)經(jīng)聲程時(shí)經(jīng)聲程L L傳播所需時(shí)間傳播所需時(shí)間 TwTw： Tw = L/(C+V) (1) (1)超聲信號(hào)超聲信號(hào)逆風(fēng)逆風(fēng)時(shí)經(jīng)聲程時(shí)經(jīng)聲程L L傳播所需時(shí)間傳播所需時(shí)間 TaTa： Ta = L/(C-V) (2) (2)由（由（1 1）和（）和（2 2）可得）可得 V = L/2 (1/Tw - 1/Ta )

9、(3) C= L/2 (1/Tw+ 1/Ta ) (4) 式中：式中： V V 為風(fēng)速為風(fēng)速, C , C 為聲速為聲速, L , L 為聲程為聲程 由（由（3 3）式可知）式可知 ，只要測(cè)出，只要測(cè)出 TwTw和和TaTa，就能得到所要的風(fēng)，就能得到所要的風(fēng)速值和聲速值，進(jìn)一步可推算空氣溫度速值和聲速值，進(jìn)一步可推算空氣溫度 T=CT=C2 2/ /20.067。 超聲風(fēng)速儀的就是通過(guò)先測(cè)量超聲風(fēng)速儀的就是通過(guò)先測(cè)量TwTw和和TaTa，從而求出大氣的風(fēng)，從而求出大氣的風(fēng)速和溫度速和溫度超聲風(fēng)速儀測(cè)風(fēng)原理（二）超聲風(fēng)速儀測(cè)風(fēng)原理（二）Gill R3，英國(guó)，英國(guó)CSAT3CSAT3，美國(guó)，美國(guó)

10、目前國(guó)內(nèi)外主要的超聲風(fēng)速儀目前國(guó)內(nèi)外主要的超聲風(fēng)速儀IAP-1IAP-1，中國(guó)，中國(guó)IAP-2IAP-2，中國(guó)，中國(guó)UWUW，美國(guó)，美國(guó)K-ProbeK-Probe，美國(guó)，美國(guó)TR-61CTR-61C，日本，日本USA-1USA-1，美國(guó)，美國(guó)Model 81000Model 81000，美國(guó)，美國(guó)Lambert-BeerLambert-Beer定律是吸收光度法的基本定律，表示定律是吸收光度法的基本定律，表示物質(zhì)對(duì)某一單色光吸收的強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)濃度和厚物質(zhì)對(duì)某一單色光吸收的強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)濃度和厚度間的關(guān)系。度間的關(guān)系。Li7500 Li7500 利用水汽和二氧化碳利用水汽和二氧化碳對(duì)紅外輻射吸

11、收的波段不同對(duì)紅外輻射吸收的波段不同可以同時(shí)觀測(cè)水汽和二氧化可以同時(shí)觀測(cè)水汽和二氧化碳的摩爾濃度碳的摩爾濃度渦度相關(guān)法計(jì)算通量涉及的問(wèn)題渦度相關(guān)法計(jì)算通量涉及的問(wèn)題1、湍流資料質(zhì)量控制和質(zhì)量保證湍流資料質(zhì)量控制和質(zhì)量保證 資料資料質(zhì)量控制質(zhì)量控制：查找野點(diǎn)、查找隨機(jī)脈沖、替換插值、去：查找野點(diǎn)、查找隨機(jī)脈沖、替換插值、去噪等噪等 質(zhì)量保證質(zhì)量保證：振幅分辨率檢驗(yàn)、僵值檢驗(yàn)、高階統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)、：振幅分辨率檢驗(yàn)、僵值檢驗(yàn)、高階統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)、平穩(wěn)性檢驗(yàn)、局地相似關(guān)系檢驗(yàn)等平穩(wěn)性檢驗(yàn)、局地相似關(guān)系檢驗(yàn)等2、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)轉(zhuǎn)換3、通量修正通量修正：Webb修正、高頻修正、低頻修正等修正、高頻修正、低頻修正等渦

12、度相關(guān)法計(jì)算通量過(guò)程簡(jiǎn)單直接，但是難用好渦度相關(guān)法計(jì)算通量過(guò)程簡(jiǎn)單直接，但是難用好梯度法測(cè)算湍流通量梯度法測(cè)算湍流通量 近地面層的通量廓線關(guān)系近地面層的通量廓線關(guān)系 氣象要素廓線的觀測(cè)氣象要素廓線的觀測(cè) 數(shù)據(jù)分析處理與通量計(jì)算數(shù)據(jù)分析處理與通量計(jì)算參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：孫衛(wèi)國(guó)，貼地層通量與廓線關(guān)系的初步研究，南京氣象學(xué)院學(xué)孫衛(wèi)國(guó)，貼地層通量與廓線關(guān)系的初步研究，南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，報(bào)，1992.1992.微分形式的通量廓線關(guān)系微分形式的通量廓線關(guān)系無(wú)量綱化梯度函數(shù)無(wú)量綱化梯度函數(shù)通量廓線關(guān)系的應(yīng)用通量廓線關(guān)系的應(yīng)用從近地面層氣象要素廓線從近地面層氣象要素廓線觀測(cè)確定湍流通量觀測(cè)確定湍流通量梯度法估

13、算通量的優(yōu)缺點(diǎn)梯度法估算通量的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：用優(yōu)點(diǎn)：用花錢少花錢少的慢速響應(yīng)傳感器就能測(cè)量到平均廓線，的慢速響應(yīng)傳感器就能測(cè)量到平均廓線，然后再?gòu)钠骄€中推導(dǎo)出通量。然后再?gòu)钠骄€中推導(dǎo)出通量。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：（：（1 1）通量和平均廓線之間的關(guān)系是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化；通量和平均廓線之間的關(guān)系是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化；（2 2）廓線形狀有時(shí)還受諸如粗糙度或零平面位移等因子）廓線形狀有時(shí)還受諸如粗糙度或零平面位移等因子的變化而變化；（的變化而變化；（3 3）因?yàn)椴捎媒貙酉嗨?，所以只能?jì)）因?yàn)椴捎媒貙酉嗨疲灾荒苡?jì)算地面通量；（算地面通量；（4 4）對(duì)于城市這樣高度復(fù)雜的下墊面的地）對(duì)于城市這樣高度復(fù)雜的下墊面的地表通量，此時(shí)表通量，此時(shí)M-OM-O相似理論是否成立還需要進(jìn)一步的研究，相似理論是否成立還需要進(jìn)一步的研究，因此還能否使用梯度法估算通量也需要進(jìn)一步的研究。因此還能否使用梯度法估算通量也需要進(jìn)一步的研究。鮑恩比方法估算地表通量鮑恩比方法估算地表通量0.0004=+, 11ppHEvvsGHEsGsGHEC KzCQQqLL K qzQQQQQQQQQQqq ， 其中因此，由能量平衡方程可得： 如果近地層中的如果近地層中的qq與與的簡(jiǎn)單測(cè)量是用測(cè)桿上兩個(gè)的簡(jiǎn)單測(cè)量是用測(cè)桿上兩個(gè)不同高度上的傳感器進(jìn)行的，并且如果凈輻射是實(shí)測(cè)的，地不同高度上的傳