Eddy kovariance - Eddy covariance

Eddy kovarianční systém skládající se z ultrazvukového anemometru a infračerveného analyzátoru plynů .

Vířivé kovariance (také známý jako vířivými korelace a vířivého toku ), technika je klíčovým měření atmosférického technika pro měření a výpočet vertikální turbulentní toky uvnitř atmosférické mezní vrstvy . Metoda analyzuje vysokofrekvenční větrné a skalární atmosférické datové řady, plyn, energii a hybnost, které poskytují hodnoty toků těchto vlastností. Jedná se o statistickou metodu používanou v meteorologii a dalších aplikacích ( mikrometeorologie , oceánografie, hydrologie, zemědělské vědy, průmyslové a regulační aplikace atd.) Ke stanovení směnných toků stopových plynů nad přírodními ekosystémy a zemědělskými poli a ke kvantifikaci rychlostí plynných emisí z ostatní pozemní a vodní plochy. Často se používá k odhadu hybnosti , tepla , vodní páry, oxidu uhličitého a toků metanu.

Tato technika se také hojně používá k ověřování a ladění globálních klimatických modelů , mezoskalárních a meteorologických modelů, komplexních biogeochemických a ekologických modelů a odhadů dálkového průzkumu ze satelitů a letadel. Tato technika je matematicky složitá a vyžaduje značnou péči při nastavování a zpracování dat. K dnešnímu dni neexistuje jednotná terminologie nebo jednoduchá metodika vířivých kovarianční technikou, ale hodně úsilí bylo ze strany toku měřicích sítí (např FluxNet , Ameriflux , ICOS , CarboEurope , Fluxnet Canada , OzFlux , NEON a iLEAPS ) až sjednotit různé přístupy.

Vířivý korelační nástroj pro měření toků kyslíku v bentických prostředích.

Tato technika se navíc ukázala jako použitelná pod vodou v bentické zóně pro měření toků kyslíku mezi mořským dnem a nad vodou. V těchto prostředích je tato technika obecně známá jako technika vířivé korelace nebo jen vířivá korelace. Toky kyslíku se získávají ze surových měření, které se do značné míry řídí stejnými principy, 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 pro měření toků in situ . Vývoj této techniky a její aplikace pod vodou zůstává plodnou oblastí výzkumu.

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 čase 1, 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 představovat 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 na střední a kolísající složky. Kovariance se počítá mezi kolísavou složkou vertikálního větru a kolísavou složkou koncentrace plynu. Měřený tok je úměrný kovarianci.

Oblast, ze které pocházejí detekované víry, je popsána pravděpodobnostně a nazývá se stopa toku . Oblast stopy toku je dynamická co do velikosti a tvaru, mění se se směrem větru, tepelnou stabilitou a výškou měření a má postupné ohraničení.

Účinek oddělení senzoru, konečná délka vzorkování, průměrování zvukové dráhy a další omezení nástroje ovlivňují frekvenční odezvu měřicího systému a může 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 kovariance mezi okamžitou odchylkou vertikální rychlosti větru (w ') od střední hodnoty (w-overbar) a okamžitou odchylkou koncentrace plynu, směšovacího poměru (s'), od jeho střední hodnoty hodnota (s-overbar), vynásobená střední hustotou vzduchu (ρa). Několik matematických operací a předpokladů, včetně Reynoldsova rozkladu, se účastní přechodu od fyzicky úplných rovnic turbulentního proudění k praktickým rovnicím pro výpočet „vířivého toku“, 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
  • Fetch / flux stopa 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, v rozsahu od minimálně 5 Hz do 40 Hz pro měření založená na věži

Software

V současné době (2011) existuje mnoho softwarových programů pro zpracování vířivých kovariančních dat a odvozování veličin, 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 jiné jsou uzavřené nebo vlastní .

Mezi příklady patří komerční software s bezplatnou licencí pro nekomerční použití, jako je EddyPro ; open-source bezplatné programy, jako jsou ECO 2 S a ECpack ; bezplatné balíčky uzavřeného zdroje, jako jsou EdiRe , TK3 , Alteddy a EddySoft .

Použití

Běžné použití:

Román používá:

Běžné aplikace

Evapotranspirace:

Dálkový průzkum Země je přístup k modelování evapotranspirace s využitím energetické bilance a latentního tepelného toku za účelem zjištění rychlosti evapotranspirace. Evapotranspirace (ET) je součástí vodního cyklu 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.

Mikrometeorologie:

Mikrometeorologie zaměřuje studium klimatu na konkrétní měřítko vegetačního porostu, 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 mít zvláštní význam 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.

Mokřadní ekosystémy:

Vegetace mokřadů se velmi liší a liší se ekologicky od rostliny k rostlině. Existenci primárních rostlin v mokřadech lze sledovat pomocí technologie vířivých kovariancí ve spojení s informacemi o dodávce živin monitorováním čistých toků CO 2 a H 2 O. Odečty lze odečíst z tokových věží po řadu let, aby se mimo jiné určila účinnost využívání vody.

Skleníkové plyny a jejich oteplovací účinek:

Toky skleníkových plynů z vegetace a zemědělských polí lze měřit vířivou kovariancí, jak je uvedeno v části o mikrometeorologii výše. Měřením vertikálního turbulentního toku plynných stavů H 2 O, CO 2 , tepla a CH 4 lze kromě jiných těkavých organických sloučenin monitorovací zařízení použít k odvození interakce vrchlíku. 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.

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. Studium uhlíkového cyklu o vegetativním růstu a produkci je životně důležité jak pro pěstitele, tak pro vědce. Pomocí těchto informací lze pozorovat tok uhlíku mezi ekosystémy a atmosférou, s aplikacemi od změny klimatu po modely počasí.

Související metody

Akumulace víření

Skutečná 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.

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.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy