波文比法的原理儀器及問題分析ppt課件

1、波文比波文比- -能量平衡方法能量平衡方法測定地表和大氣物質與能量交換通量測定地表和大氣物質與能量交換通量的原理、儀器及其問題分析的原理、儀器及其問題分析s08020311氣象學楊 姝內容提綱內容提綱v1. 波文比波文比-能量平衡法的測定原理能量平衡法的測定原理v2. 波文比波文比-能量平衡法的問題探討能量平衡法的問題探討v3. 有關儀器介紹有關儀器介紹1.波文比波文比-能量平衡法的測定原理能量平衡法的測定原理1.1 波文比的提出 波文比(Bowen ratio)是1926年英國物理學家Bowen IS在研究自由水面的能量平衡時提出的。他認為，水分子的蒸發(fā)擴散過程與同一水面向空氣中的熱量輸送過

2、程是相似的。于是，他提出了波文比()的概念，即水面與空氣間的湍流交換熱量(H) 與自由水面向空氣中蒸發(fā)水 (1.1) 汽的耗熱(LE)之比。LEH1.波文比波文比-能量平衡法的測定原理能量平衡法的測定原理1.2 波文比波文比-能量平衡方程的導出能量平衡方程的導出 根據(jù)能量守恒定律到達植物群體的凈輻射根據(jù)能量守恒定律到達植物群體的凈輻射通量密度通量密度RNRN可由下式表達可由下式表達: :(1.2) (1.2) H H：顯熱通量密度：顯熱通量密度; LE; LE：潛熱通量密度：潛熱通量密度; ;QSQS：土壤熱通量密度：土壤熱通量密度; ; J J：貯存在植物群體內的能量：貯存在植物群體內的能量

3、AA：作物進行光合作用轉變?yōu)榛瘜W能貯存在：作物進行光合作用轉變?yōu)榛瘜W能貯存在高級有機化合物中的能量高級有機化合物中的能量 D D：向其他方向：向其他方向( (主要指水平方向主要指水平方向) )移走或其他移走或其他方向移入的能量。方向移入的能量。DAJQLEHRSN11.1.波文比波文比- -能量平衡法的測定原理能量平衡法的測定原理1.2 1.2 波文比波文比- -能量平衡方程的導出能量平衡方程的導出圖為高度為圖為高度為ZRZR，底面積為單位水平面積的氣柱中，典型的白天能量通量密，底面積為單位水平面積的氣柱中，典型的白天能量通量密度度HlHl為均一植物的高度）。（為均一植物的高度）。（a a）：

4、方程）：方程1.21.2中的輸入項與貯存項；中的輸入項與貯存項；（b b）：方程）：方程1.21.2中的輸出項。中的輸出項。v對各項分析的結果對各項分析的結果: :vRNRN是支配項是支配項; ;vAA很小很小, ,可以忽略可以忽略; ;v一般情況下一般情況下J J也可忽略也可忽略, ,v 但日出日落時、果林和但日出日落時、果林和v 森林中森林中, ,不能忽略不能忽略; ;vD D難以估計難以估計, ,故往往忽略故往往忽略; ;vH H、LELE、QSQS不能忽略。不能忽略。1.波文比波文比-能量平衡法的測定原理能量平衡法的測定原理1.2 波文比波文比-能量平衡方程的導出能量平衡方程的導出SN

5、QLEHR(1.3)RNDQSJAHLE近日出近日出0551038中中 午午5002525212461近日落近日落01551023午午 夜夜50102523201.波文比波文比-能量平衡法的測定原理能量平衡法的測定原理1.2 波文比波文比-能量平衡方程的導出能量平衡方程的導出表表1 1 植被上方典型的能量平衡單位：瓦植被上方典型的能量平衡單位：瓦/ /米米2 2） 由由 (1.1)可得可得 (1.4) (1.3) (1.5)又知湍流擴散方程：又知湍流擴散方程： (1.6) (1.7)將將(1.6)(1.7)代入代入(1.1),設設KHKq, 用差分代微分得用差分代微分得: (1.8)LEH1.

6、波文比波文比-能量平衡法的測定原理能量平衡法的測定原理1.2 波文比波文比-能量平衡方程的導出能量平衡方程的導出SNQLEHR1SNQRLE11SNQRHzKCHHPzqKEqzqKLLEqPeqLPCPezeKCzKCqPHPKH:熱量湍流交換系數(shù)熱量湍流交換系數(shù)Kq:水汽湍流交換系數(shù)水汽湍流交換系數(shù):位溫位溫(用氣溫代替用氣溫代替)q:比濕比濕CP:空氣定壓比熱空氣定壓比熱e:水汽壓水汽壓P:大氣壓大氣壓18/29:干濕球濕度計常數(shù)干濕球濕度計常數(shù)L:水的汽化潛熱水的汽化潛熱2.1 優(yōu)點：此方法不用求湍流交換系數(shù)K，便可得到湍流通量。用空氣動力學方法需求K值但是較難得到且往往誤差很大。能量

7、平衡法避開了這一難點。在儀器及觀測技術良好的條件下,值越小,1在(1)中所占的比重越大,(1)的誤差就越小，最后結果越準確。只需兩個高度的要素梯度觀測值。2.波文比波文比-能量平衡法的問題探討能量平衡法的問題探討2.2 存在的問題：RN和QS的誤差，在計算LE的過程中是累積的。因和e的符號可以相反，所以LE的誤差范圍可以是零到無窮大。波文比法在實際應用中，還存在著更為嚴重的不足，用波文比法計算出的LE，可能與實際方向相反。 在應用波文比法時，有時會出現(xiàn)計算結果與實際情況在數(shù)量級上相差很大。 2.波文比波文比-能量平衡法的問題探討能量平衡法的問題探討2.3 觀測時應注意的問題要求觀測儀器誤差?。?/p>

8、KHKq假定與實際情況不符所引起的誤差不能忽略，尤其強烈逆溫下KH不等于Kq，必須做KHKq假定的補充訂正；波文比法尤適合于較潮濕的大氣條件；在風速較小時能量平衡法優(yōu)于空氣動力學方法；測點應位于田塊中央，風浪區(qū)長度為所布設的溫度傳感器和風速儀器高度的100-200倍；觀測高度應為株高的1.5倍，這樣才能使KHKq成立；要求天氣平穩(wěn)少變,輻射和風速沒有過于劇烈的變化；應避開早晚(RN-QS)很小或為負值的短暫時段。2.波文比波文比-能量平衡法的問題探討能量平衡法的問題探討3.1 波文比系統(tǒng)波文比系統(tǒng)3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.1 波文比系統(tǒng)波文比系統(tǒng)波文比全自動觀

9、測系統(tǒng)測定冬小麥冠層能量平衡波文比全自動觀測系統(tǒng)測定冬小麥冠層能量平衡3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.1 波文比系統(tǒng)波文比系統(tǒng)波文比控制波文比控制箱箱023/CO2波文比流動控制器波文比流動控制器應用能量平衡波文比技術測應用能量平衡波文比技術測量量 水蒸氣、水蒸氣、CO2、溫度梯度、溫度梯度 CR23X 數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器 Li-Cor6262 CO2/H2O紅外紅外分分 析儀析儀所測變量：所測變量： H2O 梯度梯度 用熱電偶測兩層高度空氣用熱電偶測兩層高度空氣溫度溫度 凈輻射凈輻射 總土壤熱通量總土壤熱通量3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.2 換位式波文比儀換位式波文比儀 1:支架支架 2

10、:倒向電機倒向電機 3:皮帶皮帶 4:托架托架2個個 5:通風干濕表通風干濕表2個個 6:限位開關限位開關 7:溫濕度測量電路溫濕度測量電路 8:換位控制電路換位控制電路 9:數(shù)據(jù)采集及控制電路數(shù)據(jù)采集及控制電路10:電源電路電源電路11:計算機計算機12:立柱立柱2根根13:高度標尺高度標尺3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.2 換位式波文比儀換位式波文比儀工作原理工作原理:兩根立柱垂直放置，支架兩根立柱垂直放置，支架上端安裝倒向電機上端安裝倒向電機2，倒向電機帶動，倒向電機帶動皮帶皮帶3,兩個通風干濕表兩個通風干濕表5分別安裝在分別安裝在托架托架4上，兩個托架分別與兩個立柱上，兩個托架分別與兩

11、個立柱滑動配合，皮帶的兩端分別系住兩個托架?；瑒优浜?，皮帶的兩端分別系住兩個托架。在倒向電機的下面，每個立柱在倒向電機的下面，每個立柱的上端各安裝一個限位開關的上端各安裝一個限位開關6。托架在倒。托架在倒向電機的帶動下沿立柱向上滑動向電機的帶動下沿立柱向上滑動,托架觸及到限位開關后，倒向電機停止轉托架觸及到限位開關后，倒向電機停止轉動。兩個通風干濕表分別達到最動。兩個通風干濕表分別達到最高檢測點和最低檢測點。經過一段穩(wěn)定時高檢測點和最低檢測點。經過一段穩(wěn)定時間，兩個通風干濕表開始檢測數(shù)間，兩個通風干濕表開始檢測數(shù)值，該數(shù)值送到溫濕度測量電路值，該數(shù)值送到溫濕度測量電路7進行放進行放大等信號處理

12、大等信號處理,計算機計算機11發(fā)出指令發(fā)出指令指揮數(shù)據(jù)采集及控制電路指揮數(shù)據(jù)采集及控制電路9,按照特定的時按照特定的時間發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令給溫濕度測間發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令給溫濕度測量電路量電路7進行下一步數(shù)據(jù)采集進行下一步數(shù)據(jù)采集,換位控制電換位控制電路路8按照數(shù)據(jù)采集及控制電路按照數(shù)據(jù)采集及控制電路9的的指令控制倒向電機的轉動指令控制倒向電機的轉動,電源電路電源電路10給給各電路各電路7,8,9提供動力電源。一般提供動力電源。一般情況情況,兩個通風干濕表每隔兩個通風干濕表每隔5-10分鐘換位分鐘換位一次一次,換位時間可調，換位后通風換位時間可調，換位后通風干濕表達到穩(wěn)定后開始檢測數(shù)值。干濕表達到穩(wěn)

13、定后開始檢測數(shù)值。 3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.2 換位式波文比儀換位式波文比儀優(yōu)點：在實際使用的各種梯度優(yōu)點：在實際使用的各種梯度測量中，一般都采用通過空氣測量中，一般都采用通過空氣中兩點的測量計算得到梯度。中兩點的測量計算得到梯度。同樣，當溫度傳感器的精度高同樣，當溫度傳感器的精度高于實際溫度梯度時，可以通過使用換位式于實際溫度梯度時，可以通過使用換位式波文比觀測儀，到達波文比觀測儀，到達進一步提高測量精度的目的。其具體方法進一步提高測量精度的目的。其具體方法是：采用兩個溫、濕是：采用兩個溫、濕度傳感器在一個換位周期的兩組測量值之度傳感器在一個換位周期的兩組測量值之差取平均的方法，以差

14、取平均的方法，以達到消除系統(tǒng)誤差的目的，從而提高了波達到消除系統(tǒng)誤差的目的，從而提高了波文比儀的測量精度。文比儀的測量精度。3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.2 換位式波文比儀換位式波文比儀注意：注意：(1)溫度傳感的換位平衡時間溫度傳感的換位平衡時間對系統(tǒng)的影響對系統(tǒng)的影響:該儀器在工作中，每該儀器在工作中，每一次換位必然帶來溫度傳感器重新一次換位必然帶來溫度傳感器重新建立平衡的問題。故在換位完成后建立平衡的問題。故在換位完成后,不能立即進行溫度采樣，要在兩溫度傳感不能立即進行溫度采樣，要在兩溫度傳感器與換位后的氣溫建立新的平衡器與換位后的氣溫建立新的平衡后再開始采樣才能保證儀器的正常使用。后

15、再開始采樣才能保證儀器的正常使用。 (2)換位周期對測量的影響換位周期對測量的影響:由于該儀器的由于該儀器的工作過程是建立在一個換位周期工作過程是建立在一個換位周期時間內的，在這一周期中氣溫剖面會有變時間內的，在這一周期中氣溫剖面會有變化，氣溫梯度也可能不穩(wěn)定，所化，氣溫梯度也可能不穩(wěn)定，所以換位周期的時間長短程度及氣溫的變化以換位周期的時間長短程度及氣溫的變化程度決定了對整個系統(tǒng)的影響程程度決定了對整個系統(tǒng)的影響程度，一般換位時間周期越長對系統(tǒng)的影響度，一般換位時間周期越長對系統(tǒng)的影響越大。但在實際大氣中，高低兩越大。但在實際大氣中，高低兩點間的氣溫的變化是很有限的。所以只要點間的氣溫的變化

16、是很有限的。所以只要把兩次測量之間的實際大氣變化把兩次測量之間的實際大氣變化量控制在儀器固有的精度以內，就對換位量控制在儀器固有的精度以內，就對換位式測量沒有影響。式測量沒有影響。(3)換位距離的選擇換位距離的選擇:一般說兩傳感器間的一般說兩傳感器間的距離越大，距離越大，的測量越容易但的測量越容易但在實際大氣中使用卻不一定完全如此。一在實際大氣中使用卻不一定完全如此。一旦兩傳感器之間的氣溫剖面不是旦兩傳感器之間的氣溫剖面不是單調剖面就會造成方法上的失敗。故換位單調剖面就會造成方法上的失敗。故換位距離近一點更保險些。距離近一點更保險些。3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.3 多通道波文比觀測儀多通道

17、波文比觀測儀組成：組成： 本套波文比觀測儀由本套波文比觀測儀由 溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)溫濕度傳感器、數(shù)據(jù) 采集儀、熱流傳感器采集儀、熱流傳感器 、通風電機、太陽能、通風電機、太陽能 供電裝置、輻射表和供電裝置、輻射表和 支架等部分組成。支架等部分組成。 多通道波文比儀框架圖多通道波文比儀框架圖3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.3 多通道波文比觀測儀多通道波文比觀測儀各傳感器主要性能：各傳感器主要性能：(1)干濕球溫度傳感器干濕球溫度傳感器(a)空氣溫度傳感器測量空氣溫度傳感器測量范圍范圍:-20+60(b)精度精度:0.1該傳感器經調試其電阻值與該傳感器經調試其電阻值與溫度之間呈強負相關。溫度之間呈

18、強負相關。多通道波文比儀框架圖多通道波文比儀框架圖3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.3 多通道波文比觀測儀多通道波文比觀測儀各傳感器主要性能：各傳感器主要性能：(2)TBQ-2型輻射傳感器型輻射傳感器(a)靈敏度靈敏度:11.022vwm-2(b)響應時間響應時間:30sec(99%)(c)線形誤差線形誤差:3%(d)溫度特性溫度特性:5% (-40+40)(e)穩(wěn)定度穩(wěn)定度:2%遼寧錦州遼寧錦州323研究所生產研究所生產.多通道波文比儀框架圖多通道波文比儀框架圖3.有關儀器介紹有關儀器介紹3.3 多通道波文比觀測儀多通道波文比觀測儀各傳感器主要性能：各傳感器主要性能：(3)數(shù)據(jù)采集儀數(shù)據(jù)采集儀采用自行研制的多通道溫度測量采用自行研制的多通道溫度測量儀儀,可自動并行測量可自動并行測量8個通道的溫個通道的溫度，各度，各2個通道的熱流和輻射個通道的熱流和輻射,獲獲得各測點的同步變化信息，消除得各測點的同步變化信息，消除測