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目前一頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)第六講通量觀測方法與原理ppt課件目前二頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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(guān)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(shù))目前三頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)地-氣界面通量觀測方法地面與大氣之間的能量和物質(zhì)交換目前四頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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(jié)(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目前五頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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目前六頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)大型蒸滲儀方法示意圖外觀目前七頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)大型蒸滲儀方法示意圖內(nèi)部構(gòu)造目前八頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)大型蒸滲儀方法優(yōu)缺點(diǎn)直接觀測，精度高可以進(jìn)行水分處理，進(jìn)行不同科學(xué)目的的觀測自然代表性不夠應(yīng)用范圍相對較窄優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)目前九頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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(qiáng)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)動的梯度擴(kuò)散理論假設(shè)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，就能得到波文比目前十頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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(jì)算獲得感熱通量和潛熱通量目前十一頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)波文比-能量平衡方法與小氣候方法相關(guān)的幾個概念1.Fetch(風(fēng)浪區(qū))是指風(fēng)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(shè)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目前十二頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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(hù)保養(yǎng)風(fēng)浪區(qū)長度應(yīng)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(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)3.儀器測量誤差目前十三頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)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.平均值與脈動值目前十四頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)方法原理2.Reynolds平均法則目前十五頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)方法原理u1ρv1u2ρv2w1ρvw1’ρv’F3.渦度相關(guān)的兩個假定平均垂直風(fēng)速為0其中u，w分別為水平和垂直風(fēng)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目前十六頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)方法原理u1ρv1u2ρv2w1ρvw1’ρv’F3.通量公式的推導(dǎo)平均的垂直通量可以表述為目前十七頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)方法原理4.渦度相關(guān)(EddyCovariance/Correlation,EC)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：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)方差目前十八頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)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目前十九頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)方法系統(tǒng)主要組成(1)超聲風(fēng)速儀10Hz頻譜空氣運(yùn)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濃度目前二十頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)方法系統(tǒng)主要組成目前二十一頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)渦度相關(guān)方法系統(tǒng)主要組成目前二十二頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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(guān)系空氣折射指數(shù)用折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Cn2來描述其湍流強(qiáng)度Cn2是一個與溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)CT2相關(guān)的一個參數(shù)。對于近紅外波段，這個關(guān)系式可以表達(dá)為：AT為溫度對折射指數(shù)的相對貢獻(xiàn)T為空氣溫度β為波文比

p為大氣壓溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)空氣折射指數(shù)目前二十三頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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(jié)構(gòu)參數(shù)與感熱通量直接相關(guān)：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(jié)構(gòu)參數(shù)目前二十四頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)度光強(qiáng)的自然對數(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(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為光程長度目前二十五頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀特點(diǎn)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(dá)5km)的通量觀測手段對潛熱通量的測定存在一定的問題目前二十六頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)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目前二十七頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)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目前二十八頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)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(xué)能上的差異，導(dǎo)致物質(zhì)運(yùn)動過程當(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(guān)鍵過程的存在方式或程度目前二十九頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)知識同位素含量的表達(dá)(以18O為例)同位素比R同位素δ值N：元素的量(個數(shù))目前三十頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)知識同位素分餾過程的表達(dá)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目前三十一頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)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(yuǎn)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)總量的乘積目前三十二頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)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目前三十三頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)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(shè))δE蒸發(fā)水汽同位素含量，用Graig-Gordon模型計(jì)算δET蒸散水汽同位素含量，用KeelingPlot方法獲取目前三十四頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)原理(以水汽通量為例)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(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(yuǎn)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(shè)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)情形蒸騰水汽源水目前三十五頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)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(yīng)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(yīng)的平衡分餾過程2.水汽穿過界面的靜止空氣層的分子擴(kuò)散過程，以及對應(yīng)的分子擴(kuò)散分餾3.水汽通過湍流交換層的湍流擴(kuò)散過程以及對應(yīng)的湍流擴(kuò)散分餾目前三十六頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)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(kuò)散阻力對于總的水汽擴(kuò)散而言，水汽通量為：對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(kuò)散阻力，包括分子擴(kuò)散阻力ρM和湍流擴(kuò)散阻力ρT，i下標(biāo)指水穩(wěn)定同位素HDO或H218O目前三十七頁\總數(shù)四十二頁\編于七點(diǎn)通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)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