湍流通量测量方法
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测量地气通量的原理
• 地气通量是指地表和大气之间的物质、能量交换；
• 涡度相关法测量地气通量是从物质能量守恒方程出发，经 过一系列的简化而得到的
涡度相关系统
选择垂直于地表的一个体元 V 内的空气为研究对象，利用连续方 程，分析该体元内物质 的收支情况， 如图所示。其中该方框的上边界是 Bt，下边界是地表 B0，侧边界 Bs，并 且上边界 Bt 平行于地表 B0。通过一 定时间尺度上对该体元内的物质变 化体积分，可以得到该体元内的物质 收支方程
mv
a
有三个物理过程：感热输送、水汽蒸发，以及下垫面的摩擦导致的动量变化。
这是因为：（1）当地气之间存在垂直感热输送时，会导致贴近地表的气体膨胀，
了计算方程（IX）中的第一项，Webb 等以及他的后继者们假设干空气通量 为零，从理想气体状态方程出发，间接给出了求解平均垂直速度的表达式：
w (1 k) w'T ' w' 'v 2k w'u '
T
v
u
（X）
其中， ma : 1.6 ， v : 0.015 ， k u2 2 p 。平均垂直速度的形成总共
4 4 2 4 43
+
1i
4
4Bt
J gnoutdBt 2 4 43
IV 侧边界的平流输送
V 地表排放
VI 其他物质在上边界输送的影响
ur r
ur r
+
Bs J gnout dBs 1i 4 4 2 4 43
1i
4 4B0
J gnindB0 2 4 43
VII 其他物质在侧边界输送的影响 VIII 其他物质地表排放的影响
用涡度相关法计算地气通量。
F( ) w|z
（III）
理想条件下的地气通量计算
物质通量、感热通量和潜热通量的简化形式分别如下：
物质通量： F( ) w| z
（V）
QH F (cpT ) ~ cpF (T ) cp wT | z
感热通量： cp wT w'T ' w 'T ' T w' ' ' w'T '
（VI）
动量通量： duw| z vvw| z
（VII）
方程(V)、(VI)和（VII）中的地表通量计算公式都含有普遍形式 w ，利用
雷诺平均，可以将 w 分解为如下的形式：
F ( ) w w w ' '
（IX）
而在前面的假设中，在利用涡度相关法计算通量时，假设了平均垂直速度 w 是为零的，而实际的实验资料也表明， w 的量级的确非常小（~0.1 mm/s）。但 是实际上，平均垂直速度是客观存在的，其通量输送的贡献也非常大。
)gnin 44
dB0 43
地表排放
1 1B04t
4
V
(t2
442
) 4
4
(t1)dV 4 43
1 1B044V
S chemdV 2 4 43
1 S vapdV 1B044V2 4 43
I 存贮
II 化学产生过程
III 水汽蒸发输送
1 1B04
rr
B4t 42u
gnout 44
dBt 43
在安装超声风速仪时，不能保证仪器绝对垂直于下垫面，尤其是长期垂直 于下垫面。然而水平方向风速的一个很小的分量，也会对平均垂直速度产生很 大的影响。假设超声风速仪的垂直方向与下垫面的法线之间存在 0.1º的夹角（这 个角度属于安装超声风速仪时的误差允许范围），水平风速为 2 m/s，那么此时 水平风速在超声风速仪垂直方向上的分量约是 0.1 mm/s，与实际的平均垂直速 度 w 的量级相当。因此我们不能直接利用超声风速仪所测的垂直风速平均求其 平均垂直速度。
（I）
r
r
其中 u 是风速； u 是物质 的速度，忽略地表大气的扩散作用，此时可取
r rr
r
u u ； nout 是垂直于体元 V 的向外的单位向量； nin 是垂直于地表指向体元的
单位向量。由方程可见，地表的收支方程中包含了 8 项
物质（比如水汽、CO2）通量
F
(
)
1 1B04
rr
( u
B40 4 2
质量守恒方程简化——理想条件下的地气通量计算
当满足下列假设时：
• (1)平稳（定常）湍流；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• (2)水平均匀（平流可以忽略）；
• (3) 近地面存在常通量层；
• (4)影响通量的各种度的涡旋都已被测到；
• (5)测量到的通量代表仪器所在的下垫面。
此时，湍流输送（第III项）为地气输送的唯一机制，可以利
的动量输送，因而具有二阶张量性质。
u2 uv uw
vu v2 vw
wu wv w2
湍流场：
cp ( 'u' , 'v' , ' w' )
(q'u' , q'v', q' w')
u'2 u' v' u' w'
v'u' v'2 v' w'
w'u' w'v' w'2
涡度相关法（Eddy Covariance，EC）
过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。
热通量： ( u , v , w)
水汽通量： (qu , qv , qw)
动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x，y和z三 个方向。风速矢量有三个分量（u、v和w），因此对于动量通量则 具有9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u，v和w方向
收支方程
0
1 1t4
V4(4(t22)
(t1))dV
4443
S idV
V
1i 4 2 4 3
rr
+
1Bt
( u)gnoutdBt
4 4 2 4 43
I 存贮
II 各种化学产生过程 III 上边界的对流输送
rr
rr
ur r
+
1Bs
( u)gnoutdBs
4 4 2 4 43
1B0
( u )gnindB0
二 湍流通量测量方法简介
湍流通量测量方法
• 涡度相关法（Eddy Covariance，EC） • 梯度法－廓线法 • 鲍恩比方法
通量
• 通量是指单位时间通过单位面积的流体的某属性量的输送。 • 流体运动可分为平均运动和脉动运动两部分，因此属性输
送也分别由这两部分运动引起。 • 热通量和水通量：风速分量乘以热量和水汽含量和表示通
1 1B04
rr
B4s 42u
gnout 44
dBs 43
IV 上边界的垂直对流输送
V 侧边界的水平平流输送
（II）
是物质成分 的浓度，并且 不包含固态或者液态的 。由方程(II) 可见，地表物质通量方程总共包括 5 项：存贮项，化学产生过程，水 汽蒸发输送，上边界的垂直对流输送和侧边界的水平平流输送。
• 地气通量是指地表和大气之间的物质、能量交换；
• 涡度相关法测量地气通量是从物质能量守恒方程出发，经 过一系列的简化而得到的
涡度相关系统
选择垂直于地表的一个体元 V 内的空气为研究对象，利用连续方 程，分析该体元内物质 的收支情况， 如图所示。其中该方框的上边界是 Bt，下边界是地表 B0，侧边界 Bs，并 且上边界 Bt 平行于地表 B0。通过一 定时间尺度上对该体元内的物质变 化体积分，可以得到该体元内的物质 收支方程
mv
a
有三个物理过程：感热输送、水汽蒸发，以及下垫面的摩擦导致的动量变化。
这是因为：（1）当地气之间存在垂直感热输送时，会导致贴近地表的气体膨胀，
了计算方程（IX）中的第一项，Webb 等以及他的后继者们假设干空气通量 为零，从理想气体状态方程出发，间接给出了求解平均垂直速度的表达式：
w (1 k) w'T ' w' 'v 2k w'u '
T
v
u
（X）
其中， ma : 1.6 ， v : 0.015 ， k u2 2 p 。平均垂直速度的形成总共
4 4 2 4 43
+
1i
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J gnoutdBt 2 4 43
IV 侧边界的平流输送
V 地表排放
VI 其他物质在上边界输送的影响
ur r
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Bs J gnout dBs 1i 4 4 2 4 43
1i
4 4B0
J gnindB0 2 4 43
VII 其他物质在侧边界输送的影响 VIII 其他物质地表排放的影响
用涡度相关法计算地气通量。
F( ) w|z
（III）
理想条件下的地气通量计算
物质通量、感热通量和潜热通量的简化形式分别如下：
物质通量： F( ) w| z
（V）
QH F (cpT ) ~ cpF (T ) cp wT | z
感热通量： cp wT w'T ' w 'T ' T w' ' ' w'T '
（VI）
动量通量： duw| z vvw| z
（VII）
方程(V)、(VI)和（VII）中的地表通量计算公式都含有普遍形式 w ，利用
雷诺平均，可以将 w 分解为如下的形式：
F ( ) w w w ' '
（IX）
而在前面的假设中，在利用涡度相关法计算通量时，假设了平均垂直速度 w 是为零的，而实际的实验资料也表明， w 的量级的确非常小（~0.1 mm/s）。但 是实际上，平均垂直速度是客观存在的，其通量输送的贡献也非常大。
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dB0 43
地表排放
1 1B04t
4
V
(t2
442
) 4
4
(t1)dV 4 43
1 1B044V
S chemdV 2 4 43
1 S vapdV 1B044V2 4 43
I 存贮
II 化学产生过程
III 水汽蒸发输送
1 1B04
rr
B4t 42u
gnout 44
dBt 43
在安装超声风速仪时，不能保证仪器绝对垂直于下垫面，尤其是长期垂直 于下垫面。然而水平方向风速的一个很小的分量，也会对平均垂直速度产生很 大的影响。假设超声风速仪的垂直方向与下垫面的法线之间存在 0.1º的夹角（这 个角度属于安装超声风速仪时的误差允许范围），水平风速为 2 m/s，那么此时 水平风速在超声风速仪垂直方向上的分量约是 0.1 mm/s，与实际的平均垂直速 度 w 的量级相当。因此我们不能直接利用超声风速仪所测的垂直风速平均求其 平均垂直速度。
（I）
r
r
其中 u 是风速； u 是物质 的速度，忽略地表大气的扩散作用，此时可取
r rr
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u u ； nout 是垂直于体元 V 的向外的单位向量； nin 是垂直于地表指向体元的
单位向量。由方程可见，地表的收支方程中包含了 8 项
物质（比如水汽、CO2）通量
F
(
)
1 1B04
rr
( u
B40 4 2
质量守恒方程简化——理想条件下的地气通量计算
当满足下列假设时：
• (1)平稳（定常）湍流；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• (2)水平均匀（平流可以忽略）；
• (3) 近地面存在常通量层；
• (4)影响通量的各种度的涡旋都已被测到；
• (5)测量到的通量代表仪器所在的下垫面。
此时，湍流输送（第III项）为地气输送的唯一机制，可以利
的动量输送，因而具有二阶张量性质。
u2 uv uw
vu v2 vw
wu wv w2
湍流场：
cp ( 'u' , 'v' , ' w' )
(q'u' , q'v', q' w')
u'2 u' v' u' w'
v'u' v'2 v' w'
w'u' w'v' w'2
涡度相关法（Eddy Covariance，EC）
过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。
热通量： ( u , v , w)
水汽通量： (qu , qv , qw)
动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x，y和z三 个方向。风速矢量有三个分量（u、v和w），因此对于动量通量则 具有9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u，v和w方向
收支方程
0
1 1t4
V4(4(t22)
(t1))dV
4443
S idV
V
1i 4 2 4 3
rr
+
1Bt
( u)gnoutdBt
4 4 2 4 43
I 存贮
II 各种化学产生过程 III 上边界的对流输送
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rr
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1Bs
( u)gnoutdBs
4 4 2 4 43
1B0
( u )gnindB0
二 湍流通量测量方法简介
湍流通量测量方法
• 涡度相关法（Eddy Covariance，EC） • 梯度法－廓线法 • 鲍恩比方法
通量
• 通量是指单位时间通过单位面积的流体的某属性量的输送。 • 流体运动可分为平均运动和脉动运动两部分，因此属性输
送也分别由这两部分运动引起。 • 热通量和水通量：风速分量乘以热量和水汽含量和表示通
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B4s 42u
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dBs 43
IV 上边界的垂直对流输送
V 侧边界的水平平流输送
（II）
是物质成分 的浓度，并且 不包含固态或者液态的 。由方程(II) 可见，地表物质通量方程总共包括 5 项：存贮项，化学产生过程，水 汽蒸发输送，上边界的垂直对流输送和侧边界的水平平流输送。