波文比法的原理仪器及问题分析.ppt

波文比-能量平衡方法 测定地表和大气物质与能量交换通量 的原理、仪器及其问题分析,s08020311 气象学 杨 姝,内容提纲,1. 波文比-能量平衡法的测定原理 2. 波文比-能量平衡法的问题探讨 3. 有关仪器介绍,1.波文比-能量平衡法的测定原理,1.1 波文比的提出 波文比(Bowen ratio)是1926年英国物理学家Bowen IS在研究自由水面的能量平衡时提出的。他认为，水分子的蒸发扩散过程与同一水面向空气中的热量输送过程是相似的。于是，他提出了波文比()的概念，即水面与空气间的湍流交换热量(H) 与自由水面向空气中蒸发水 (1.1) 汽的耗热(LE)之比。,1.波文比-能量平衡法的测定原理 1.2 波文比-能量平衡方程的导出,根据能量守恒定律到达植物群体的净辐射 通量密度RN可由下式表达: (1.2) H：显热通量密度; LE：潜热通量密度; QS：土壤热通量密度; J：贮存在植物群体内的能量 A：作物进行光合作用转变为化学能贮存在高级有机化合物中的能量 D：向其他方向(主要指水平方向)移走或其他方向移入的能量。,1,1.波文比-能量平衡法的测定原理 1.2 波文比-能量平衡方程的导出,图为高度为ZR，底面积为单位水平面积的气柱中，典型的白天能量通量密度（Hl为均一植物的高度）。（a）：方程（1.2）中的输入项与贮存项；（b）：方程（1.2）中的输出项。,对各项分析的结果: RN是支配项; A很小,可以忽略; 一般情况下J也可忽略, 但日出日落时、果林和 森林中,不能忽略; D难以估计,故往往忽略; H、LE、QS不能忽略。,1.波文比-能量平衡法的测定原理 1.2 波文比-能量平衡方程的导出,(1.3),1.波文比-能量平衡法的测定原理 1.2 波文比-能量平衡方程的导出,表1 植被上方典型的能量平衡（单位：瓦/米2）,由 (1.1)可得 (1.4) (1.3) (1.5) 又知湍流扩散方程： (1.6) (1.7) 将(1.6)(1.7)代入(1.1),设KHKq, 用差分代微分得: (1.8),1.波文比-能量平衡法的测定原理 1.2 波文比-能量平衡方程的导出,KH:热量湍流交换系数 Kq:水汽湍流交换系数 :位温(用气温代替) q:比湿 CP:空气定压比热 e:水汽压 P:大气压 18/29 :干湿球湿度计常数 L:水的汽化潜热,2.1 优点： 此方法不用求湍流交换系数K，便可得到湍流通量。用空气动力学方法需求K值但是较难得到且往往误差很大。能量平衡法避开了这一难点。 在仪器及观测技术良好的条件下,值越小,1在(1)中所占的比重越大,(1)的误差就越小，最后结果越准确。 只需两个高度的要素梯度观测值。,2.波文比-能量平衡法的问题探讨,2.2 存在的问题： RN和QS的误差，在计算LE的过程中是累积的。因和e的符号可以相反，所以LE的误差范围可以是零到无穷大。 波文比法在实际应用中，还存在着更为严重的不足，用波文比法计算出的LE，可能与实际方向相反。 在应用波文比法时，有时会出现计算结果与实际情况在数量级上相差很大。,2.波文比-能量平衡法的问题探讨,2.3 观测时应注意的问题 要求观测仪器误差小； KHKq假定与实际情况不符所引起的误差不能忽略，尤其强烈逆温下KH不等于Kq，必须做KHKq假定的补充订正； 波文比法尤适合于较潮湿的大气条件；在风速较小时能量平衡法优于空气动力学方法； 测点应位于田块中央，风浪区长度为所布设的温度传感器和风速仪器高度的100-200倍； 观测高度应为株高的1.5倍，这样才能使KHKq成立； 要求天气平稳少变,辐射和风速没有过于剧烈的变化； 应避开早晚(RN-QS)很小或为负值的短暂时段。,2.波文比-能量平衡法的问题探讨,3.1 波文比系统,3.有关仪器介绍,3.有关仪器介绍,3.1 波文比系统,波文比全自动观测系统测定冬小麦冠层能量平衡,3.有关仪器介绍,3.1 波文比系统,波文比控制箱,023/CO2波文比流动控制器 应用能量平衡波文比技术测量 水蒸气、CO2、温度梯度 CR23X 数据采集器 Li-Cor6262 CO2/H2O红外分 析仪 所测变量： H2O 梯度 用热电偶测两层高度空气温度 净辐射 总土壤热通量,3.有关仪器介绍,3.2 换位式波文比仪,1:支架 2:倒向电机 3:皮带 4:托架2个 5:通风干湿表2个 6:限位开关 7:温湿度测量电路 8:换位控制电路 9:数据采集及控制电路 10:电源电路 11:计算机 12:立柱2根 13:高度标尺,3.有关仪器介绍,3.2 换位式波文比仪 工作原理:两根立柱垂直放置，支架 上端安装倒向电机2，倒向电机带动 皮带3,两个通风干湿表5分别安装在 托架4上，两个托架分别与两个立柱 滑动配合，皮带的两端分别系住两个托架。在倒向电机的下面，每个立柱 的上端各安装一个限位开关6。托架在倒向电机的带动下沿立柱向上滑动, 托架触及到限位开关后，倒向电机停止转动。两个通风干湿表分别达到最 高检测点和最低检测点。经过一段稳定时间，两个通风干湿表开始检测数 值，该数值送到温湿度测量电路7进行放大等信号处理,计算机11发出指令 指挥数据采集及控制电路9,按照特定的时间发出数据采集指令给温湿度测 量电路7进行下一步数据采集,换位控制电路8按照数据采集及控制电路9的 指令控制倒向电机的转动,电源电路10给各电路7,8,9提供动力电源。一般 情况,两个通风干湿表每隔5-10分钟换位一次,换位时间可调，换位后通风 干湿表达到稳定后开始检测数值。,3.有关仪器介绍,3.2 换位式波文比仪 优点：在实际使用的各种梯度 测量中，一般都采用通过空气 中两点的测量计算得到梯度。 同样，当温度传感器的精度高 于实际温度梯度时，可以通过使用换位式波文比观测仪，达到 进一步提高测量精度的目的。其具体方法是：采用两个温、湿 度传感器在一个换位周期的两组测量值之差取平均的方法，以 达到消除系统误差的目的，从而提高了波文比仪的测量精度。,3.有关仪器介绍,3.2 换位式波文比仪 注意：(1)温度传感的换位平衡时间 对系统的影响:该仪器在工作中，每 一次换位必然带来温度传感器重新 建立平衡的问题。故在换位完成后, 不能立即进行温度采样，要在两温度传感器与换位后的气温建立新的平衡 后再开始采样才能保证仪器的正常使用。 (2)换位周期对测量的影响:由于该仪器的工作过程是建立在一个换位周期 时间内的，在这一周期中气温剖面会有变化，气温梯度也可能不稳定，所 以换位周期的时间长短程度及气温的变化程度决定了对整个系统的影响程 度，一般换位时间周期越长对系统的影响越大。但在实际大气中，高低两 点间的气温的变化是很有限的。所以只要把两次测量之间的实际大气变化 量控制在仪器固有的精度以内，就对换位式测量没有影响。 (3)换位距离的选择:一般说两传感器间的距离越大，的测量越容易但 在实际大气中使用却不一定完全如此。一旦两传感器之间的气温剖面不是 单调剖面就会造成方法上的失败。故换位距离近一点更保险些。,3.有关仪器介绍,3.3 多通道波文比观测仪 组成： 本套波文比观测仪由 温湿度传感器、数据 采集仪、热流传感器 、通风电机、太阳能 供电装置、辐射表和 支架等部分组成。,多通道波文比仪框架图,3.有关仪器介绍,3.3 多通道波文比观测仪 各传感器主要性能： (1)干湿球温度传感器 (a)空气温度传感器测量 范围:-20+60 (b)精度:0.1 该传感器经调试其电阻值与 温度之间呈强负相关。,多通道波文比仪框架图,3.有关仪器介绍,3.3 多通道波文比观测仪 各传感器主要性能： (2)TBQ-2型辐射传感器 (a)灵敏度:11.022vwm-2 (b)响应时间:30sec(99%) (c)线形误差:3% (d)温度特性:5% (-40+40) (e)稳定度:2% 辽宁锦州323研究所生产.,多通道波文比仪框架图,3.有关仪器介绍,3.3 多通道波文比观测仪 各传感器主要性能： (3)数据采集仪 采用自行研制的多通道温度测量 仪,可自动并行测量8个通道的温 度，各2个通道的热流和辐射,获 得各测点的同步变化信息，消除 测量过程由于人为原因造成的误 差。采用软件同时检测各通道电 平高低,进行逻辑分析运算,对各 通道的测量值同时进行计数，再 经80C31单片机数学处理后转换 为温湿度,热流,辐射值并同时将 数据贮存。,多通道波文比仪框架图,3.有关仪器介绍,3.3 多通道波文比观测仪 各传感器主要性能： (4) HF-1型热流传感器 (a)内阻:300 (b)温度范围:-40120 (c)尺寸:120144(mm) (