2湍流通量测量方法概述

1、二二 湍流通量测量方法简介湍流通量测量方法简介湍流通量测量方法湍流通量测量方法 涡度相关法（涡度相关法（Eddy CovarianceEddy Covariance，ECEC） 梯度法廓线法梯度法廓线法 鲍恩比方法鲍恩比方法通量通量 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。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。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热通量和水通量：风速分量乘以热量和水汽含量和表示通过

2、这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量过这个方向的单位面积所传输的热量和水汽量。( , , ) uvw( , q , ) quvqw热通量：热通量：水汽通量：水汽通量： w w uv v uu u u 222vwwvwv 动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为动量通量：对上述两个标量的通量传输可以分解为x x，y y和和z z三三个方向。风速矢量有三个分量（个方向。风速矢量有三个分量（u u、v v和和w w），），因此对于动量通量则因此对于动量通量则具有具有9 9个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输个分量，即任一方向的气流运动可以带动传输u u，v v和和w w方向的方向的动量输送

3、，因而具有二阶张量性质。动量输送，因而具有二阶张量性质。) , , (wvucp) , vq , (wquq w vw v uvwu vu u 222uwwv湍流场：湍流场：涡度相关法（涡度相关法（Eddy Covariance，EC）测量地气通量的原理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；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过一系列的简化而得到的涡度相关系统收支方程收支方程021I0VV10( ( )( )+()+()()+tstiou

4、ttVVBioutinoutstBBBittdVS dVu ndBtu ndBun dBJ ndB III 上边界的对流输送 存贮II 各种化学产生过程I 侧边界的平流输送 地表排放VI 其他物质在上边界输送的影响00+outinsBsBiiJ ndBJ n dB 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（I）00021000IIII II 00IV V1()()111( )( )11tsinBchemvapVVVoutouttsBBFun dBBtt dVSdVSdVBtBBundBundBBB 地表排放 存贮水汽蒸发输送化学产生过程上边界的垂直对流输送 侧边界的水

5、平平流输送（II）物质（比如水汽、物质（比如水汽、CO2CO2）通量）通量质量守恒方程简化质量守恒方程简化理想条件下的地气通量计算理想条件下的地气通量计算 当满足下列假设时当满足下列假设时： (1)(1)平稳（定常）湍流平稳（定常）湍流； (2)(2)水平均匀水平均匀（平流可以忽略）；（平流可以忽略）； (3) (3) 近地面存在常通量层近地面存在常通量层； (4)(4)影响通量的各种度的涡旋都已被测到影响通量的各种度的涡旋都已被测到； (5)(5)测量到的通量代表仪器所在的下垫面测量到的通量代表仪器所在的下垫面。 此时，此时，湍流输送（第湍流输送（第IIIIII项）为地气输送的唯一机制，可以

6、项）为地气输送的唯一机制，可以利用涡度相关法计算地气通量利用涡度相关法计算地气通量。（III）()|zFw（V）（VI）（VII）理想条件下的地气通量计算理想条件下的地气通量计算（IX）（X）（XI）（XII）（XIV）（XIII）w C 1N(ww )(CC )ii1NiCWCW湍流输送项湍流输送项湍流观测湍流观测 超声风速仪：超声风速仪：利用声学方法测量三维风、温脉动，没有机利用声学方法测量三维风、温脉动，没有机械转动部件，响应时间快，精度高、量程宽、输出线性，械转动部件，响应时间快，精度高、量程宽、输出线性，是一种绝对测量的仪器是一种绝对测量的仪器, ,不需经常标定。不需经常标定。 热线

7、风速仪：热线风速仪：采样频率高，可达到上千赫兹，但比较容易采样频率高，可达到上千赫兹，但比较容易损坏。损坏。换能器换能器(transducer)：相对放置的：相对放置的一对换能器（一对换能器（I，II），里面的压），里面的压电晶体为收、发两用型的。当对电晶体为收、发两用型的。当对换能器换能器I施加脉冲电压时，可产生施加脉冲电压时，可产生超声脉冲信号，发射出来，换能超声脉冲信号，发射出来，换能器器II能够接受到，并把超声信号转能够接受到，并把超声信号转化成电信号，输入到超声风速仪化成电信号，输入到超声风速仪的芯片中。的芯片中。 反之，当在反之，当在II上施加上施加脉冲电压时，其产生的超声脉冲脉冲

8、电压时，其产生的超声脉冲信号能被信号能被I接受，并将超声信号转接受，并将超声信号转换成电信好，输入到超声风速仪换成电信好，输入到超声风速仪的芯片中。的芯片中。声程声程L：上下换能器之间的距离：上下换能器之间的距离超声风速仪测风原理（一）超声风速仪测风原理（一）超声信号超声信号顺风顺风时经声程时经声程L L传播所需时间传播所需时间 TwTw： Tw = L/(C+V) (1) (1)超声信号超声信号逆风逆风时经声程时经声程L L传播所需时间传播所需时间 TaTa： Ta = L/(C-V) (2) (2)由（由（1 1）和（）和（2 2）可得）可得 V = L/2 (1/Tw - 1/Ta )

9、(3) C= L/2 (1/Tw+ 1/Ta ) (4) 式中：式中： V V 为风速为风速, C , C 为声速为声速, L , L 为声程为声程 由（由（3 3）式可知）式可知 ，只要测出，只要测出 TwTw和和TaTa，就能得到所要的风，就能得到所要的风速值和声速值，进一步可推算空气温度速值和声速值，进一步可推算空气温度 T=CT=C2 2/ /20.067。 超声风速仪的就是通过先测量超声风速仪的就是通过先测量TwTw和和TaTa，从而求出大气的风，从而求出大气的风速和温度速和温度超声风速仪测风原理（二）超声风速仪测风原理（二）Gill R3，英国，英国CSAT3CSAT3，美国，美国

10、目前国内外主要的超声风速仪目前国内外主要的超声风速仪IAP-1IAP-1，中国，中国IAP-2IAP-2，中国，中国UWUW，美国，美国K-ProbeK-Probe，美国，美国TR-61CTR-61C，日本，日本USA-1USA-1，美国，美国Model 81000Model 81000，美国，美国Lambert-BeerLambert-Beer定律是吸收光度法的基本定律，表示定律是吸收光度法的基本定律，表示物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚物质对某一单色光吸收的强弱与吸光物质浓度和厚度间的关系。度间的关系。Li7500 Li7500 利用水汽和二氧化碳利用水汽和二氧化碳对红外辐射吸

11、收的波段不同对红外辐射吸收的波段不同可以同时观测水汽和二氧化可以同时观测水汽和二氧化碳的摩尔浓度碳的摩尔浓度涡度相关法计算通量涉及的问题涡度相关法计算通量涉及的问题1、湍流资料质量控制和质量保证湍流资料质量控制和质量保证 资料资料质量控制质量控制：查找野点、查找随机脉冲、替换插值、去：查找野点、查找随机脉冲、替换插值、去噪等噪等 质量保证质量保证：振幅分辨率检验、僵值检验、高阶统计量检验、：振幅分辨率检验、僵值检验、高阶统计量检验、平稳性检验、局地相似关系检验等平稳性检验、局地相似关系检验等2、坐标转换坐标转换3、通量修正通量修正：Webb修正、高频修正、低频修正等修正、高频修正、低频修正等涡

12、度相关法计算通量过程简单直接，但是难用好涡度相关法计算通量过程简单直接，但是难用好梯度法测算湍流通量梯度法测算湍流通量 近地面层的通量廓线关系近地面层的通量廓线关系 气象要素廓线的观测气象要素廓线的观测 数据分析处理与通量计算数据分析处理与通量计算参考文献：参考文献：孙卫国，贴地层通量与廓线关系的初步研究，南京气象学院学孙卫国，贴地层通量与廓线关系的初步研究，南京气象学院学报，报，1992.1992.微分形式的通量廓线关系微分形式的通量廓线关系无量纲化梯度函数无量纲化梯度函数通量廓线关系的应用通量廓线关系的应用从近地面层气象要素廓线从近地面层气象要素廓线观测确定湍流通量观测确定湍流通量梯度法估

13、算通量的优缺点梯度法估算通量的优缺点 优点：用优点：用花钱少花钱少的慢速响应传感器就能测量到平均廓线，的慢速响应传感器就能测量到平均廓线，然后再从平均廓线中推导出通量。然后再从平均廓线中推导出通量。 缺点缺点：（：（1 1）通量和平均廓线之间的关系是经验参数化；通量和平均廓线之间的关系是经验参数化；（2 2）廓线形状有时还受诸如粗糙度或零平面位移等因子）廓线形状有时还受诸如粗糙度或零平面位移等因子的变化而变化；（的变化而变化；（3 3）因为采用近地层相似，所以只能计）因为采用近地层相似，所以只能计算地面通量；（算地面通量；（4 4）对于城市这样高度复杂的下垫面的地）对于城市这样高度复杂的下垫面的地表通量，此时表通量，此时M-OM-O相似理论是否成立还需要进一步的研究，相似理论是否成立还需要进一步的研究，因此还能否使用梯度法估算通量也需要进一步的研究。因此还能否使用梯度法估算通量也需要进一步的研究。鲍恩比方法估算地表通量鲍恩比方法估算地表通量0.0004=+, 11ppHEvvsGHEsGsGHEC KzCQQqLL K qzQQQQQQQQQQqq ， 其中因此，由能量平衡方程可得： 如果近地层中的如果近地层中的qq与与的简单测量是用测杆上两个的简单测量是用测杆上两个不同高度上的传感器进行的，并且如果净辐射是实测的，地不同高度上的传