第六讲-通量观测方法与原理-

中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富《陆地表层系统野外实验原理与方法》第六讲地表通量观测方法及原理袁国富中科院地理科学与资源所中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富地-气界面通量观测方法直接测定方法(蒸渗仪、箱式法)间接测定方法(小气候法)波文比方法涡度相关方法大尺度通量的观测(大孔径闪烁仪)通量的分解测定(同位素技术)中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富地-气界面通量观测方法地面与大气之间的能量和物质交换中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富地-气界面通量观测方法地-气界面的水碳通量和交换量通量单位时间单位面积的交换量水汽通量以植物蒸腾和土壤蒸发(方向向上)为主体，在一定的条件下还包括水汽凝结(方向向下)组成的地面与大气之间的水汽交换量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)组成的地面与大气之间的碳交换量中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富大型蒸渗仪方法原理Lysimeter：蒸发渗漏仪(简称蒸渗仪)观测原理：称重前后两个时间观测的土柱质量差为这一观测时段该土柱的水的损失量212121)(GGETLGGIPETLETGIPGG1时段初蒸渗仪土柱重量(g)G2时段末蒸渗仪土柱重量P降雨量I灌溉量L渗漏到土柱外的水量中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富大型蒸渗仪方法示意图外观中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富大型蒸渗仪方法示意图内部构造中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富大型蒸渗仪方法优缺点直接观测，精度高可以进行水分处理，进行不同科学目的的观测自然代表性不够应用范围相对较窄优点缺点中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富波文比-能量平衡方法波文比的定义EH波文比(Bowenratio)指地表感热通量与潜热通量之比波文比可以描述空气的稳定状况：波文比越大，表明感热交换越强烈，空气越不稳定，波文比越小，空气稳定性越好根据空气运动的梯度扩散理论dzdTKcHhpdzdeKPEvdedTKKPcvhp假设Kh=Kv，微分变差分eTPcp该公式意味着，测定两个高度的温度和湿度差，就能得到波文比中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富波文比-能量平衡方法观测原理GEHRnEH1GREn1)(GRHn观测净辐射和波文比，就能计算获得感热通量和潜热通量中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富波文比-能量平衡方法与小气候方法相关的几个概念1.Fetch(风浪区)是指风在某一均匀粗糙表面所穿行的距离或范围。2.Footprint(通量观测区域)是指地表通量观测设施观测到的范围，代表了仪器获得的通量交换的具体范围和位置。3.平流水平方向上的能量交换中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富波文比-能量平衡方法波文比方法的误差来源及其避免提高仪器测量精度，及时维护保养风浪区长度应该在是仪器安装高度的100倍以上1.平流影响2.空气稳定状况适合于中性层结和不稳定层结3.仪器测量误差中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法原理对于一个不断变化的量，它可以分解为两部分：'uuuu为瞬时值，u为一段时间的平均值，u’为脉动值1.平均值与脉动值中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法原理2.Reynolds平均法则uu0'uwuwu0''wuwu''wuwuuw中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法原理u1ρv1u2ρv2w1ρvw1’ρv’F3.涡度相关的两个假定2211vvuu平均垂直风速为00w其中u，w分别为水平和垂直风速，ρv为物质浓度(密度)水平方向上通量的输入与输出相等中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法原理u1ρv1u2ρv2w1ρvw1’ρv’F3.通量公式的推导平均的垂直通量可以表述为vwF''vvv')())(('''''''''''''''''vvvvvvvvvvvvvvvvv中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法原理4.涡度相关(EddyCovariance/Correlation,EC)已知相互关联的变量A,B之间的协方差可以表述为：10))((1),(NiiiBBAANBACov''10''101))((1),(vNiviNivviivwwNwwNwCovi10'))((1'NivviivwwNwF地气之间的湍流传输通量是物质或能量的浓度与垂直速度的协方差中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法动量、热量和水汽通量动量通量：''uw感热通量：''TwcHp水汽通量：''qwEq为空气比湿Baldocchietal,1988,Ecology,69:1331-1340中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法系统主要组成(1)超声风速仪10Hz频谱空气运动及其速度的三维测量(2)湿度仪测量水汽浓度(3)CO2气体分析仪测量CO2浓度中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法系统主要组成中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富涡度相关方法系统主要组成中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富大尺度通量观测:大孔径闪烁仪大孔径闪烁仪(LargeApertureScintillometer)原理空气的折射指数与感热通量之间在理论上存在一个关系空气折射指数用折射指数的结构参数Cn2来描述其湍流强度Cn2是一个与温度结构参数CT2相关的一个参数。对于近红外波段，这个关系式可以表达为：AT为温度对折射指数的相对贡献T为空气温度β为波文比p为大气压温度结构参数空气折射指数中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富大尺度通量观测:大孔径闪烁仪大孔径闪烁仪(LargeApertureScintillometer)原理而温度结构参数与感热通量直接相关：有近似公式：zs发射光束高度d零平面位移LMO:Molin-Obukhov长度其中b=0.57温度结构参数中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富大尺度通量观测:大孔径闪烁仪大孔径闪烁仪(LargeApertureScintillometer)原理LAS由一个发射器和一个接收器组成，发射器发射某个波段的一个光束，这个光束的强度由于空气湍流“闪烁”而发生改变，通过接收器获取被改变的光强度光强的自然对数的协方差与空气折射指数结构参数之间存在如下关系(接收器和发射器的孔径大小相同)：D为发射光束的直径，L为光程长度中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富大尺度通量观测:大孔径闪烁仪特点1.测定发射器与接收器之间线状区域平均的感热通量2.是一种大尺度(一般可达5km)的通量观测手段3.对潜热通量的测定存在一定的问题中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富通量的精细分解测定:同位素技术通量的组成与分割水汽通量：蒸发与蒸腾碳通量：光合碳与呼吸碳TranspirationAtmosphericVaporNetH2OexchangeSoilWaterSoilEvaporationStemWaterSoilsurfacePrecipitationAtmosphericCO2Recycling(~7%ofrespiredCO2)SoilInvasionPhotosyntheticuptakeRespiration中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富通量的精细分解测定:同位素技术同位素基础知识相同质子数，而中子数不同的同一种元素称为同位素氢：1H,2H(D),3H氧：16O,17O,18O碳：12C,13C,14C氮：14N,15N中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富通量的精细分解测定:同位素技术同位素基础知识同位素的分馏因重同位素和轻同位素在质量和化学能上的差异，导致物质运动过程当中，轻重同位素发生分馏，从而使得同位素含量发生改变同位素分馏的作用在于：(1)它导致生态系统中不同源库的稳定同位素比发生变化(2)它建立了一个同位素信号，可以反映元素循环中关键过程的存在方式或程度中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富通量的精细分解测定:同位素技术同位素基础知识同位素含量的表达(以18O为例)同位素比RNNR161818同位素δ值1tan181818dardssampleRRN：元素的量(个数)中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富通量的精细分解测定:同位素技术同位素基础知识同位素分馏过程的表达分馏系数α(fractionation)分馏系数ε(描述同位素的富集程度)发生同位素分馏作用后的同位素含量与发生分馏作用前的同位素含量之比定义为分馏系数BABAABABRRARBR)()(/11//ABABABRRε0意味着分馏过程在富集重同位素（同位素富集），ε0意味着分馏过程在损耗重同位素（同位素贫化）A,B分别指物质的两种形态或者不同的两种化合物LVLVRR1818/11818/LVLVRR中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富通量的精细分解测定:同位素技术同位素基础知识例：已知水的量为N，水中18O同位素的含量(同位素比)为18R，求水中18O的绝对量11818181818161818RNRNNNNNNR解：根据同位素比R的定义，有：由于18R远小于1，因此分母可以近似等于1，则有：NRN1818该公式表明，某物质同位素的量等于该物质同位素比与该物质总量的乘积中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心袁国富通量的精细分解测定:同位素技术SPAC系统中的18O和13CTranspiration(184‰)AtmosphericVapor(1813‰)NetH2Oexchange(185‰)SoilWater(184‰)SoilEvaporation(1831‰)StemWater(184‰)LeafWater(18014‰)Soilsurfacewater(183‰)H218O,H16O,H216OPrecipitation(184‰)AtmosphericCO2(1841‰,13C8‰)Recycling(~7%ofrespiredCO2)C18O16O,C16O2,13C