第六講通量觀測方法與原理

演示文稿第六講通量觀測方法與原理現(xiàn)在是1頁\一共有42頁\編輯于星期二第六講通量觀測方法與原理ppt課件現(xiàn)在是2頁\一共有42頁\編輯于星期二地-氣界面通量觀測方法直接測定方法(蒸滲儀、箱式法)間接測定方法(小氣候法)波文比方法渦度相關方法大尺度通量的觀測(大孔徑閃爍儀)通量的分解測定(同位素技術)現(xiàn)在是3頁\一共有42頁\編輯于星期二地-氣界面通量觀測方法地面與大氣之間的能量和物質(zhì)交換現(xiàn)在是4頁\一共有42頁\編輯于星期二地-氣界面通量觀測方法地-氣界面的水碳通量和交換量通量單位時間單位面積的交換量水汽通量以植物蒸騰和土壤蒸發(fā)(方向向上)為主體，在一定的條件下還包括水汽凝結(方向向下)組成的地面與大氣之間的水汽交換量碳通量以植物光合作用(方向向下)，植物和土壤呼吸(方向向上)組成的地面與大氣之間的碳交換量現(xiàn)在是5頁\一共有42頁\編輯于星期二大型蒸滲儀方法原理Lysimeter：蒸發(fā)滲漏儀(簡稱蒸滲儀)觀測原理：稱重前后兩個時間觀測的土柱質(zhì)量差為這一觀測時段該土柱的水的損失量G1時段初蒸滲儀土柱重量(g)G2時段末蒸滲儀土柱重量P降雨量I灌溉量L滲漏到土柱外的水量現(xiàn)在是6頁\一共有42頁\編輯于星期二大型蒸滲儀方法示意圖外觀現(xiàn)在是7頁\一共有42頁\編輯于星期二大型蒸滲儀方法示意圖內(nèi)部構造現(xiàn)在是8頁\一共有42頁\編輯于星期二大型蒸滲儀方法優(yōu)缺點直接觀測，精度高可以進行水分處理，進行不同科學目的的觀測自然代表性不夠應用范圍相對較窄優(yōu)點缺點現(xiàn)在是9頁\一共有42頁\編輯于星期二波文比-能量平衡方法波文比的定義波文比(Bowenratio)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：波文比越大，表明感熱交換越強烈，空氣越不穩(wěn)定，波文比越小，空氣穩(wěn)定性越好根據(jù)空氣運動的梯度擴散理論假設Kh=Kv，微分變差分該公式意味著，測定兩個高度的溫度和濕度差，就能得到波文比現(xiàn)在是10頁\一共有42頁\編輯于星期二波文比-能量平衡方法觀測原理觀測凈輻射和波文比，就能計算獲得感熱通量和潛熱通量現(xiàn)在是11頁\一共有42頁\編輯于星期二波文比-能量平衡方法與小氣候方法相關的幾個概念1.Fetch(風浪區(qū))是指風在某一均勻粗糙表面所穿行的距離或范圍。2.Footprint(通量觀測區(qū)域)是指地表通量觀測設施觀測到的范圍，代表了儀器獲得的通量交換的具體范圍和位置。3.平流水平方向上的能量交換現(xiàn)在是12頁\一共有42頁\編輯于星期二波文比-能量平衡方法波文比方法的誤差來源及其避免提高儀器測量精度，及時維護保養(yǎng)風浪區(qū)長度應該在是儀器安裝高度的100倍以上1.平流影響2.空氣穩(wěn)定狀況適合于中性層結和不穩(wěn)定層結3.儀器測量誤差現(xiàn)在是13頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法原理對于一個不斷變化的量，它可以分解為兩部分：u為瞬時值，u為一段時間的平均值，u’為脈動值1.平均值與脈動值現(xiàn)在是14頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法原理2.Reynolds平均法則現(xiàn)在是15頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法原理u1ρv1u2ρv2w1ρvw1’ρv’F3.渦度相關的兩個假定平均垂直風速為0其中u，w分別為水平和垂直風速，ρv為物質(zhì)濃度(密度)水平方向上通量的輸入與輸出相等現(xiàn)在是16頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法原理u1ρv1u2ρv2w1ρvw1’ρv’F3.通量公式的推導平均的垂直通量可以表述為現(xiàn)在是17頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法原理4.渦度相關(EddyCovariance/Correlation,EC)已知相互關聯(lián)的變量A,B之間的協(xié)方差可以表述為：地氣之間的湍流傳輸通量是物質(zhì)或能量的濃度與垂直速度的協(xié)方差現(xiàn)在是18頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法動量、熱量和水汽通量動量通量：感熱通量：水汽通量：q為空氣比濕Baldocchietal,1988,Ecology,69:1331-1340現(xiàn)在是19頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法系統(tǒng)主要組成(1)超聲風速儀10Hz頻譜空氣運動及其速度的三維測量(2)濕度儀測量水汽濃度(3)CO2氣體分析儀測量CO2濃度現(xiàn)在是20頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法系統(tǒng)主要組成現(xiàn)在是21頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關方法系統(tǒng)主要組成現(xiàn)在是22頁\一共有42頁\編輯于星期二大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometer)原理空氣的折射指數(shù)與感熱通量之間在理論上存在一個關系空氣折射指數(shù)用折射指數(shù)的結構參數(shù)Cn2來描述其湍流強度Cn2是一個與溫度結構參數(shù)CT2相關的一個參數(shù)。對于近紅外波段，這個關系式可以表達為：AT為溫度對折射指數(shù)的相對貢獻T為空氣溫度β為波文比

p為大氣壓溫度結構參數(shù)空氣折射指數(shù)現(xiàn)在是23頁\一共有42頁\編輯于星期二大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometer)原理而溫度結構參數(shù)與感熱通量直接相關：有近似公式：zs發(fā)射光束高度d零平面位移LMO:Molin-Obukhov長度其中b=0.57溫度結構參數(shù)現(xiàn)在是24頁\一共有42頁\編輯于星期二大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometer)原理LAS由一個發(fā)射器和一個接收器組成，發(fā)射器發(fā)射某個波段的一個光束，這個光束的強度由于空氣湍流“閃爍”而發(fā)生改變，通過接收器獲取被改變的光強度光強的自然對數(shù)的協(xié)方差與空氣折射指數(shù)結構參數(shù)之間存在如下關系(接收器和發(fā)射器的孔徑大小相同)：D為發(fā)射光束的直徑，L為光程長度現(xiàn)在是25頁\一共有42頁\編輯于星期二大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀特點測定發(fā)射器與接收器之間線狀區(qū)域平均的感熱通量是一種大尺度(一般可達5km)的通量觀測手段對潛熱通量的測定存在一定的問題現(xiàn)在是26頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術通量的組成與分割水汽通量：蒸發(fā)與蒸騰碳通量：光合碳與呼吸碳TranspirationAtmosphericVaporNetH2OexchangeSoilWaterSoilEvaporationStemWaterSoilsurfacePrecipitationAtmosphericCO2

Recycling(~7%ofrespiredCO2)SoilInvasionPhotosynthetic

uptakeRespiration現(xiàn)在是27頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術同位素基礎知識相同質(zhì)子數(shù)，而中子數(shù)不同的同一種元素稱為同位素氫：1H,2H(D),3H氧：16O,17O,18O碳：12C,13C,14C氮：14N,15N現(xiàn)在是28頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術同位素基礎知識同位素的分餾因重同位素和輕同位素在質(zhì)量和化學能上的差異，導致物質(zhì)運動過程當中，輕重同位素發(fā)生分餾，從而使得同位素含量發(fā)生改變同位素分餾的作用在于：(1)它導致生態(tài)系統(tǒng)中不同源庫的穩(wěn)定同位素比發(fā)生變化(2)它建立了一個同位素信號，可以反映元素循環(huán)中關鍵過程的存在方式或程度現(xiàn)在是29頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術同位素基礎知識同位素含量的表達(以18O為例)同位素比R同位素δ值N：元素的量(個數(shù))現(xiàn)在是30頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術同位素基礎知識同位素分餾過程的表達分餾系數(shù)α(fractionation)分餾系數(shù)ε(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)ε>0意味著分餾過程在富集重同位素（同位素富集），ε<0意味著分餾過程在損耗重同位素（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現(xiàn)在是31頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術同位素基礎知識例：已知水的量為N，水中18O同位素的含量(同位素比)為18R，求水中18O的絕對量解：根據(jù)同位素比R的定義，有：由于18R遠小于1，因此分母可以近似等于1，則有：該公式表明，某物質(zhì)同位素的量等于該物質(zhì)同位素比與該物質(zhì)總量的乘積現(xiàn)在是32頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術SPAC系統(tǒng)中的18O和13CTranspiration(d18O?-4‰)AtmosphericVapor(d18O?-13‰)NetH2Oexchange(d18O?-5‰)SoilWater(d18O?-4‰)SoilEvaporation(d18O?-31‰)StemWater(d18O?-4‰)LeafWater(d180?+14‰)Soilsurfacewater(d18O?+3‰)H218O,H16O,H216OPrecipitation(d18O?-4‰)AtmosphericCO2

(d18O?+41‰,d13C?-8‰)Recycling(~7%ofrespiredCO2)C18O16O,C16O2,

13CO2,

12CO2Soil(d18O?+30‰,d13C?-25‰)InvasionH2

18OPhotosynthetic

uptake(d18O?+18‰d13C?-26‰)Stem(d18O?+29‰,d13C?-26‰)Respiration現(xiàn)在是33頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術原理(以水汽通量為例)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)同位素通量與蒸騰同位素通量之和δT蒸騰水汽同位素含量，等于植物莖水同位素含量(穩(wěn)態(tài)假設)δE蒸發(fā)水汽同位素含量，用Graig-Gordon模型計算δET蒸散水汽同位素含量，用KeelingPlot方法獲取現(xiàn)在是34頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術原理(以水汽通量為例)植物蒸騰的水同位素穩(wěn)態(tài)假設在某些情形下，進入葉片的水的同位素組成與排出葉片的水(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)同位素穩(wěn)態(tài)在一個較長時間尺度時，或者蒸騰水汽量遠大于葉片本身含水量，水汽交換(蒸騰速率)較大時，穩(wěn)態(tài)假設一般是成立的在短時間尺度，如小時或更短尺度，由于受各種環(huán)境因子的影響，蒸騰的同位素穩(wěn)態(tài)往往會受到影響，形成蒸騰過程的同位素非穩(wěn)態(tài)情形蒸騰水汽源水現(xiàn)在是35頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術原理(以水汽通量為例)Craig-Gordon模型模擬蒸發(fā)水汽同位素組成的模型蒸發(fā)的三個物理過程以及對應的三個不同分餾過程1.液態(tài)水汽化形成飽和水汽層，以及對應的平衡分餾過程2.水汽穿過界面的靜止空氣層的分子擴散過程，以及對應的分子擴散分餾3.水汽通過湍流交換層的湍流擴散過程以及對應的湍流擴散分餾現(xiàn)在是36頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術原理(以水汽通量為例)Craig-Gordon模型蒸發(fā)通量的阻力模式：水汽通量＝水汽濃度梯度/擴散阻力對于總的水汽擴散而言，水汽通量為：對于水汽重同位素的擴散而言，同位素水汽通量為：hN空氣相對濕度，RL液態(tài)水同位素含量，RA空氣水汽同位素含量，αV/L平衡分餾系數(shù)，ρ總的水汽擴散阻力，包括分子擴散阻力ρM和湍流擴散阻力ρT，i下標指水穩(wěn)定同位素HDO或H218O現(xiàn)在是37頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細分解測定:同位素技術原理(以水汽通量為例)Craig-Gordon模型n=1/2對于自然水面蒸發(fā)

=1對于土壤水和葉片水蒸發(fā)Θ=1對于小水面

=0.5-0.88

對于大水面18Δdi