第六讲_通量观测方法与原理_
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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
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
F
u2ρv2
✓平均垂直风速为0
w0
其中u，w分别为水平和垂直风速，ρv为物质浓度(密度)
涡度相关方法
原理
3. 通量公式的推导
平均的垂直通量可以表述为
F wv
w1ρv
w1’ρv’
w w w' v v v'
u1ρv1
F
u2ρv2
F (w w' )(v v' ) (wv wv' w' v w'v' ) wv wv' w' v w'v' wv wv' w' v w'v' wv w'v' w'v '
波文比-能量平衡方法 波文比方法的误差来源及其避免
1. 平流影响 风浪区长度应该在是仪器安装高度的100倍以上
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 提高仪器测量精度，及时维护保养
涡度相关方法 原理
1. 平均值与脉动值
对于一个不断变化的量，它可 以分解为两部分：
u u u'
u为瞬时值，u为一段时间的平 均值，u’为脉动值
涡度相关方法 原理
2. Reynolds平均法则
u u
u' 0 uw uw
u'w u'w 0 uw uw u'w'
涡度相关方法
原理
3. 涡度相关的两个假定
✓水平方向上通量的输入与输出 相等
u1v1 u2 v2
w1ρv
w1’ρv’
u1ρv1
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
G1 P I G2 ET L ET P I (G1 G2 ) L ET G1 G2
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
观测净辐射和波文比，就能计算获得感热 通量和潜热通量
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
i0
w'v'
N 1
F
w'v '
源自文库
1 N
(wi w)( vi v )
i0
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
涡度相关方法 动量、热量和水汽通量
动量通量： 感热通量：
w'u' H cp w'T '
水汽通量：
E w'q'
q为空气比湿
Baldocchi et al, 1988, Ecology, 69:1331-1340
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：
温度结构参数 空气折射指数
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
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪 大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理
大型蒸渗仪方法 示意图
外观
大型蒸渗仪方法 示意图
内部构造
大型蒸渗仪方法 优缺点
优点 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
缺点 自然代表性不够 应用范围相对较窄
波文比-能量平衡方法
波文比的定义
波文比(Bowen ratio)指地表感热通量与潜热通量之比
H E
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
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
而温度结构参数与感热通量直接相关：
有近似公式： 其中b=0.57
温度结构参数
zs 发射光束高度 d 零平面位移 LMO:Molin-Obukhov长度
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)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
根据空气运动的梯度扩散理论
H
cp Kh
dT dz
E
P
Kv
de dz
假设Kh=Kv，微分变差分
cp P Kh dT Kv de
cp P T e
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
波文比-能量平衡方法 观测原理 Rn H E G H E
E Rn G 1
H (Rn G) 1
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
涡度相关方法 系统主要组成
涡度相关方法 系统主要组成
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理
《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
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)
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
涡度相关方法 原理
4. 涡度相关(Eddy Covariance/Correlation, EC)
已知相互关联的变量A,B之间的协方差可以表述为：
N 1
Cov( A,
B)
1 N
( Ai A)(Bi B)
i0
N 1
Cov(w,
v )
1 N
(wi w)(vi v )
i0
N 1
1 N
wi' vi '
D为发射光束的直径，L为光程长度
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
F
u2ρv2
✓平均垂直风速为0
w0
其中u，w分别为水平和垂直风速，ρv为物质浓度(密度)
涡度相关方法
原理
3. 通量公式的推导
平均的垂直通量可以表述为
F wv
w1ρv
w1’ρv’
w w w' v v v'
u1ρv1
F
u2ρv2
F (w w' )(v v' ) (wv wv' w' v w'v' ) wv wv' w' v w'v' wv wv' w' v w'v' wv w'v' w'v '
波文比-能量平衡方法 波文比方法的误差来源及其避免
1. 平流影响 风浪区长度应该在是仪器安装高度的100倍以上
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 提高仪器测量精度，及时维护保养
涡度相关方法 原理
1. 平均值与脉动值
对于一个不断变化的量，它可 以分解为两部分：
u u u'
u为瞬时值，u为一段时间的平 均值，u’为脉动值
涡度相关方法 原理
2. Reynolds平均法则
u u
u' 0 uw uw
u'w u'w 0 uw uw u'w'
涡度相关方法
原理
3. 涡度相关的两个假定
✓水平方向上通量的输入与输出 相等
u1v1 u2 v2
w1ρv
w1’ρv’
u1ρv1
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
G1 P I G2 ET L ET P I (G1 G2 ) L ET G1 G2
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
观测净辐射和波文比，就能计算获得感热 通量和潜热通量
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
i0
w'v'
N 1
F
w'v '
源自文库
1 N
(wi w)( vi v )
i0
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
涡度相关方法 动量、热量和水汽通量
动量通量： 感热通量：
w'u' H cp w'T '
水汽通量：
E w'q'
q为空气比湿
Baldocchi et al, 1988, Ecology, 69:1331-1340
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：
温度结构参数 空气折射指数
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
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪 大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理
大型蒸渗仪方法 示意图
外观
大型蒸渗仪方法 示意图
内部构造
大型蒸渗仪方法 优缺点
优点 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
缺点 自然代表性不够 应用范围相对较窄
波文比-能量平衡方法
波文比的定义
波文比(Bowen ratio)指地表感热通量与潜热通量之比
H E
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
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
而温度结构参数与感热通量直接相关：
有近似公式： 其中b=0.57
温度结构参数
zs 发射光束高度 d 零平面位移 LMO:Molin-Obukhov长度
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)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
根据空气运动的梯度扩散理论
H
cp Kh
dT dz
E
P
Kv
de dz
假设Kh=Kv，微分变差分
cp P Kh dT Kv de
cp P T e
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
波文比-能量平衡方法 观测原理 Rn H E G H E
E Rn G 1
H (Rn G) 1
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
涡度相关方法 系统主要组成
涡度相关方法 系统主要组成
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理
《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
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)
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
涡度相关方法 原理
4. 涡度相关(Eddy Covariance/Correlation, EC)
已知相互关联的变量A,B之间的协方差可以表述为：
N 1
Cov( A,
B)
1 N
( Ai A)(Bi B)
i0
N 1
Cov(w,
v )
1 N
(wi w)(vi v )
i0
N 1
1 N
wi' vi '