Eddy kovarianční - Eddy covariance

Eddyho kovarianční systém sestávající z ultrazvukového anemometru a infračerveného analyzátoru plynů (IRGA).

The vířivá kovariance (také známý jako vířivá korelace a vířivý tok) technika je klíčovou technikou měření atmosféry pro měření a výpočet vertikálních turbulentních toků uvnitř atmosférické mezní vrstvy. Metoda analyzuje vysokofrekvenční vítr a skalární řada atmosférických dat, plyn, energie a hybnost,[1] který dává hodnoty tavidla těchto vlastností. Je to statistický metoda použitá v meteorologie a další aplikace (mikrometeorologie, oceánografie, hydrologie, zemědělské vědy, průmyslové a regulační aplikace atd.) ke stanovení směnných kurzů stopových plynů nad přírodními ekosystémy a zemědělskými poli a ke kvantifikaci rychlostí plynných emisí z jiných pozemních a vodních oblastí. Často se používá k odhadu hybnost, teplo, toky vodní páry, oxidu uhličitého a metanu.[2][3][4][5][6]

Tato technika se také hojně používá pro ověřování a ladění globální klimatické modely, mezoscale a modely počasí, komplexní biogeochemické a ekologické modely a odhady dálkového průzkumu Země ze satelitů a letadel. Tato technika je matematicky složitá a vyžaduje značnou péči při nastavování a zpracování dat. K dnešnímu dni neexistuje jednotná terminologie ani jednotná metodika pro techniku ​​Eddy Covariance, ale velké úsilí vynakládají sítě pro měření toku (např. FluxNet, Ameriflux, ICOS, CarboEurope, Fluxnet Kanada, OzFlux, NEON, a iLEAPS ) sjednotit různé přístupy.

Vířivý korelační nástroj pro měření toků kyslíku v bentických prostředích.

Tato technika se navíc ukázala jako použitelná pod vodou na bentická zóna pro měření toků kyslíku mezi mořským dnem a nad vodou.[7] V těchto prostředích je tato technika obecně známá jako technika vířivé korelace nebo jen vířivá korelace. Toky kyslíku jsou extrahovány ze surových měření do značné míry podle stejných principů, jaké se používají v atmosféře, a obvykle se používají jako náhrada za výměnu uhlíku, což je důležité pro místní a globální uhlíkové rozpočty. Pro většinu bentických ekosystémů je vířivá korelace nejpřesnější technikou měření in situ tavidla. Vývoj této techniky a její aplikace pod vodou zůstává plodnou oblastí výzkumu.[8][9][10][11][12]

Obecné zásady

Reprezentace proudění vzduchu v mezní vrstvě atmosféry

Proud vzduchu si lze představit jako horizontální tok mnoha rotujících vírů, to znamená turbulentních vírů různých velikostí, přičemž každý vír má horizontální a vertikální složku. Situace vypadá chaoticky, ale vertikální pohyb komponent lze měřit z věže.

Pyörrekovarianssi-tekniikan kaaviokuva.jpg
[4]
[4]
Fyzikální význam metody vířivých kovariancí

V jednom fyzickém bodě na věži, v Time1, Eddy1 posune balík vzduchu c1 dolů rychlostí w1. Potom v čase 2 Eddy2 posune balík c2 nahoru rychlostí w2. Každá zásilka má koncentraci plynu, tlak, teplotu a vlhkost. Jsou-li tyto faktory známé spolu s rychlostí, můžeme určit tok. Například pokud člověk věděl, kolik molekul vody kleslo s víry v čase 1 a kolik molekul stoupalo s víry v čase 2, ve stejném bodě, bylo možné vypočítat vertikální tok vody v tomto bodě za tuto dobu. Vertikální tok lze tedy prezentovat jako kovarianci vertikální rychlosti větru a koncentrace zájmové entity.

EddyCovariance diagram 2.jpg
[4]
[4]
souhrn

3D vítr a další proměnné (obvykle koncentrace plynu, teplota nebo hybnost) se rozloží znamenat a kolísající komponenty. Kovariance se počítá mezi kolísavou složkou vertikálního větru a kolísavou složkou koncentrace plynu. Měřený tok je úměrný kovarianci.

Oblast, ze které detekované víry pocházejí, je popsána pravděpodobnostně a nazývá se a stopa toku. Oblast stopy toku je dynamická co do velikosti a tvaru, mění se podle směru větru, tepelné stability a výšky měření a má postupné ohraničení.

Účinek oddělení senzorů, konečná délka vzorkování, průměrování zvukové dráhy a další omezení přístrojů ovlivňují frekvenční odezvu měřicího systému a mohou vyžadovat kospektrální korekci, zvláště patrnou u nástrojů s uzavřenou cestou a při nízkých výškách pod 1 do 1,5 m.

Matematický základ

Z matematického hlediska se „vířivý tok“ počítá jako a kovariance mezi okamžitou odchylkou ve vertikální rychlosti větru (w ') od střední hodnoty (w-overbar) a okamžitou odchylkou v koncentraci plynu, směšovacím poměrem (s'), od její střední hodnoty (s-overbar), vynásobenou střední hustotou vzduchu ( ρa). Při přechodu od fyzikálně úplných rovnic turbulentního proudění k praktickým rovnicím pro výpočet „vířivého toku“ je zahrnuto několik matematických operací a předpokladů, včetně Reynoldsova rozkladu, jak je uvedeno níže.

Rovnice EddyCovariance část 1.jpg
Rovnice EddyCovariance část 2.jpg
[4]
[4]

Hlavní předpoklady

  • Měření v bodě mohou představovat oblast proti větru
  • Měření se provádí uvnitř hraniční zájmové vrstvy
  • Vynést/stopa toku je adekvátní - toky jsou měřeny pouze v oblasti zájmu
  • Tok je plně turbulentní - většinu čistého vertikálního přenosu provádějí víry
  • Terén je vodorovný a uniformovaný: průměr fluktuací je nulový; fluktuace hustoty zanedbatelné; konvergence a divergence toku jsou zanedbatelné
  • Přístroje dokážou detekovat velmi malé změny při vysoké frekvenci, od minima 5 Hz do 40 Hz pro měření založená na věži

Software

V současné době (2011) existuje mnoho softwarových programů [13]zpracovat vířivá kovarianční data a odvodit veličiny, jako je teplo, hybnost a toky plynů. Programy významně zahrnují složitost, flexibilitu, počet povolených nástrojů a proměnných, systém nápovědy a uživatelskou podporu. Některé programy jsou open-source software zatímco ostatní ano uzavřený zdroj nebo proprietární.

Mezi příklady patří komerční software s bezplatnou licencí pro nekomerční použití, jako je EddyPro; open-source bezplatné programy, jako je ECO2S a ECpack; bezplatné uzavřené balíčky, jako je EdiRe, TK3, Alteddy, a EddySoft.

Použití

Běžné použití:

Román používá:

Běžné aplikace

Evapotranspirace:

Dálkový průzkum Země je přístup k modelování evapotranspirace pomocí energetické bilance a latentního tepelného toku k nalezení rychlostí evapotranspirace. Evapotranspirace (ET) je součástí koloběh vody a přesné hodnoty ET jsou důležité pro místní a globální modely pro správu vodních zdrojů. Míry ET jsou důležitou součástí výzkumu v oblastech souvisejících s hydrologií i v zemědělských postupech. MOD16 je příkladem programu, který nejlépe měří ET pro mírné podnebí.[1][14]

Mikrometeorologie:

Mikrometeorologie zaměřuje klimatickou studii na konkrétní měřítko vegetačního krytu, opět s aplikacemi na hydrologický a ekologický výzkum. V této souvislosti lze vířivou kovarianci použít k měření toku tepelné hmoty v mezní povrchové vrstvě nebo v mezní vrstvě obklopující vegetační vrchlík. Účinky turbulence mohou být zvláště zajímavé pro modeláře klimatu nebo pro ty, kteří studují místní ekosystém. Rychlost větru, turbulence a koncentrace hmoty (tepla) jsou hodnoty, které lze zaznamenat ve věži toku. Prostřednictvím měření souvisejících s vířivými kovariančními vlastnostmi, jako jsou koeficienty drsnosti, lze empiricky vypočítat pomocí aplikací pro modelování.[15]

Mokřadní ekosystémy:

Mokřadní vegetace se velmi liší a liší se ekologicky od rostliny k rostlině. Existenci primárních rostlin v mokřadech lze monitorovat pomocí technologie Eddy Covariance ve spojení s informacemi o dodávce živin monitorováním čistých toků CO2 a H20. Odečty lze odečíst z tokových věží po řadu let, aby se mimo jiné určila účinnost využívání vody.[16]

Skleníkové plyny a jejich oteplovací účinek:

Toky skleníkové plyny z vegetace a zemědělských polí lze měřit vířivou kovariancí, jak je uvedeno v části o mikrometeorologii výše. Měřením vertikálního turbulentního toku plynných stavů H20, CO2, tepla a CH4 mimo jiné těkavé organické sloučeniny k odvození interakce s vrchlíkem lze použít monitorovací zařízení. Interpretace na šířku lze poté odvodit pomocí výše uvedených údajů. Vysoké provozní náklady, omezení počasí (některá zařízení jsou vhodnější pro určité podnebí) a jejich výsledná technická omezení mohou omezovat přesnost měření.[17]

Produkce vegetace v suchozemských ekosystémech:

Vegetační produkční modely vyžadují přesná pozemní pozorování, v tomto kontextu z měření vířivých kovariančních toků. Vířivá kovariance se používá k měření čisté primární produkce a hrubé primární produkce populací rostlin. Pokrok v technologii umožnil menší výkyvy, které vedly k měření údajů o hmotnosti a energii vzduchu na stupnici od 100 do 2 000 metrů. Studie uhlíkový cyklus o vegetativním růstu a produkci je pro pěstitele i vědce životně důležité. Pomocí těchto informací lze pozorovat tok uhlíku mezi ekosystémy a atmosférou, s aplikacemi od změn klimatu až po modely počasí.[1]

Související metody

Akumulace víření

Opravdová akumulace vírů

Pravou techniku ​​akumulace vířivých látek lze použít k měření toků stopových plynů, pro které nejsou k dispozici dostatečně rychlé analyzátory, a proto je metoda vířivých kovariancí nevhodná. Základní myšlenkou je, že směrem vzhůru se pohybující vzduchové balíčky (updrafts) a dolů pohybující se vzdušné balíčky (downdrafts) se vzorkují úměrně jejich rychlosti do samostatných zásobníků. Analyzátor plynu s pomalou odezvou lze poté použít ke kvantifikaci průměrných koncentrací plynu v nádržích s aktualizovaným a zpětným tahem.[18][19]

Uvolněná akumulace vírů

Hlavní rozdíl mezi skutečnou a uvolněnou technikou akumulace vířivých látek spočívá v tom, že posledně uvedené vzorky vzduchu s konstantním průtokem, který není úměrný svislé rychlosti větru.[20][21][22]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C Liang, Shunlin; Li, Xiaowen; Wang, Jindi, eds. (01.01.2012), „Kapitola 16 - Produkce vegetace v suchozemských ekosystémech“, Pokročilý dálkový průzkum Země, Academic Press, s. 501–531, doi:10.1016 / b978-0-12-385954-9.00016-2, ISBN  978-0-12-385954-9, vyvoláno 2020-03-12
  2. ^ Baldocchi, D., B. Hicks a T. Meyers. 1988. Měření výměny biosféry-atmosféry biologicky příbuzných plynů mikrometeorologickými metodami. Ecology 69, 1331-1340
  3. ^ Verma, S.B .: 1990, Mikrometeorologické metody pro měření povrchových toků hmoty a energie, Recenze dálkového průzkumu Země 5 (1): 99-115
  4. ^ Lee, X., W. Massman a B. Law. 2004. Příručka mikrometeorologie. Kluwer Academic Publishers, Nizozemsko, 250 stran
  5. ^ Burba, G., 2013. Eddy Covariance Method for Scientific, Industrial, Agricultural and Regulatory Applications: a Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Areal Emission Rates. LI-COR Biosciences, Lincoln, USA, 331 stran
  6. ^ Aubinet, M., T. Vesala, D. Papale (Eds.), 2012. Eddy Covariance: Praktický průvodce měřením a analýzou dat. Springer Atmospheric Sciences, Springer Verlag, 438 stran
  7. ^ Berg, P., H. Røy, F. Janssen, V. Meyer, B. B. Jørgensen, M. Hüttel a D. de Beer. 2003. Příjem kyslíku vodními sedimenty měřený novou neinvazivní technikou vířivé korelace. Série pokroku v ekologii moří. 261: 75-83.
  8. ^ University of Virginia. Výzkumná laboratoř Aquatic Eddy Covariance. Citováno: 22. června 2015.
  9. ^ Florida State University. Eddy Correlation - Další vývoj a studie dynamiky toku bentonitového kyslíku na základě toku a světla. Citováno: 22. června 2015.
  10. ^ Leibniz-Institut sladkovodní ekologie a vnitrozemského rybolovu. Eddyho korelace v přírodních vodách. Citováno: 22. června 2015.
  11. ^ Max Planck Institute for Marine Microbiology. Eddy Correlation System (ECS). Citováno: 22. června 2015.
  12. ^ Centrum pro výzkum pobřežní biogeochemie. Eddy Korelace. Citováno: 22. června 2015.
  13. ^ M. Mauder, T. Foken, R. Clement, J. A. Elbers, W. Eugster, T. Grunwald, B. Heusinkveld a O. Kolle. 2007. Kontrola kvality údajů o toku CarboEurope - Část II: Inter-srovnání eddy-kovariančního softwaru, Biogeosciences Discuss., 4, 4067–4099
  14. ^ Jia, L .; Zheng, C .; Hu, G.C .; Menenti, M. (2018), „Evapotranspirace“, Komplexní dálkový průzkum Země, Elsevier, s. 25–50, doi:10.1016 / b978-0-12-409548-9.10353-7, ISBN  978-0-12-803221-3
  15. ^ Monteith, John L .; Unsworth, Mike H. (01.01.2013), Monteith, John L .; Unsworth, Mike H. (eds.), „Kapitola 16 - Mikrometeorologie: (i) Turbulentní přenos, profily a toky“, Principy fyziky prostředí (čtvrté vydání)„Academic Press, s. 289–320, doi:10.1016 / b978-0-12-386910-4.00016-0, ISBN  978-0-12-386910-4, vyvoláno 2020-04-16
  16. ^ Schlesinger, William H .; Bernhardt, Emily S. (01.01.2013), Schlesinger, William H .; Bernhardt, Emily S. (eds.), „Kapitola 7 - Mokřadní ekosystémy“, Biogeochemistry (třetí vydání)„Academic Press, s. 233–274, doi:10.1016 / b978-0-12-385874-0.00007-8, ISBN  978-0-12-385874-0, vyvoláno 2020-04-16
  17. ^ Jalota, S.K .; Vashisht, B. B .; Sharma, Sandeep; Kaur, Samanpreet (01.01.2018), Jalota, S.K .; Vashisht, B. B .; Sharma, Sandeep; Kaur, Samanpreet (eds.), „Kapitola 1 - Emise skleníkových plynů a jejich oteplovací účinek“, Porozumění dopadům změny klimatu na produktivitu plodin a vodní bilanci„Academic Press, s. 1–53, doi:10.1016 / b978-0-12-809520-1.00001-x, ISBN  978-0-12-809520-1, vyvoláno 2020-04-16
  18. ^ R. E. Speer, K. A. Peterson, T. G. Ellestad, J. L. Durham (1985). "Test prototypu vířivého akumulátoru pro měření atmosférických vertikálních toků vodní páry a síranů částic". Journal of Geophysical Research. 90 (D1): 2119. Bibcode:1985JGR .... 90.2119S. doi:10.1029 / JD090iD01p02119.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  19. ^ Siebicke, Lukas (2017). „Pravé metody akumulace a víření vířivosti a nástroje a metody srovnávání toků CO2, CH4 a H2O nad Hainichovým lesem“. 19. Valné shromáždění EGU, EGU2017. 19: 18076. Bibcode:2017EGUGA..1918076S.
  20. ^ Businger, Joost A .; Oncley, Steven P .; Businger, Joost A .; Oncley, Steven P. (01.04.1990). "Měření toku s podmíněným vzorkováním". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 7 (2): 349–352. Bibcode:1990JAtOT ... 7..349B. doi:10.1175 / 1520-0426 (1990) 007 <0349: fmwcs> 2.0.co; 2.
  21. ^ Osterwalder, S .; Fritsche, J .; Alewell, C .; Schmutz, M .; Nilsson, M. B .; Jocher, G .; Sommar, J .; Rinne, J .; Bishop, K. (2016-02-15). „Systém s dvojitým vstupem a uvolněním vířivé akumulace s jediným detektorem pro dlouhodobé měření toku rtuti“. Atmos. Měření Tech. 9 (2): 509–524. Bibcode:2016 AMT ..... 9..509O. doi:10.5194 / amt-9-509-2016. ISSN  1867-8548.
  22. ^ Jonas Sommar, Wei Zhu, Lihai Shang, Xinbin Feng, Che-Jin Lin (2013). „Celý měřicí systém uvolněné vířivé akumulace pro odběr vzorků vertikální výměny par elementární rtuti“. Tellus B: Chemická a fyzikální meteorologie. 65 (1): 19940. Bibcode:2013TellB..6519940S. doi:10.3402 / tellusb.v65i0.19940.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

Další čtení

externí odkazy