Eddy kovarians

Eddy kovarianssystem bestående av en ultraljudsvindmätare och infraröd gasanalysator .

Virvelkovariansen (även känd som virvelkorrelation och virvelflöde ) är en nyckelteknik för atmosfärisk mätning för att mäta och beräkna vertikala turbulenta flöden inom atmosfäriska gränsskikt . Metoden analyserar högfrekventa vind- och skalära atmosfäriska dataserier, gas, energi och momentum, vilket ger värden på flöden av dessa egenskaper. Det är en statistisk metod som används inom meteorologi och andra tillämpningar ( mikrometeorologi , oceanografi, hydrologi, jordbruksvetenskap, industriella och regulatoriska tillämpningar, etc.) för att bestämma växelkurser för spårgaser över naturliga ekosystem och jordbruksfält, och för att kvantifiera gasutsläppshastigheter från andra mark- och vattenområden. Det används ofta för att uppskatta momentum , värme , vattenånga, koldioxid och metanflöden.

Tekniken används också i stor utsträckning för verifiering och justering av globala klimatmodeller , mesoskala och vädermodeller, komplexa biogeokemiska och ekologiska modeller och fjärranalysuppskattningar från satelliter och flygplan. Tekniken är matematiskt komplex och kräver stor noggrannhet vid inställning och bearbetning av data. Hittills, ^{[ när? ]} det finns ingen enhetlig terminologi eller en enda metod för eddy-kovarianstekniken, men mycket ansträngning görs av flödesmätningsnätverk (t.ex. FluxNet , Ameriflux , ICOS , CarboEurope , Fluxnet Canada , OzFlux , NEON och iLEAPS ) för att förena olika tillvägagångssätt.

Ett virvelkorrelationsinstrument som mäter syreflöden i bentiska miljöer.

Tekniken har dessutom visat sig användbar under vatten till den bentiska zonen för att mäta syreflödet mellan havsbotten och överliggande vatten. I dessa miljöer är tekniken allmänt känd som eddy-korrelationstekniken, eller bara eddy-korrelation. Syreflöden utvinns från råmätningar i stort sett enligt samma principer som används i atmosfären, och de används vanligtvis som en proxy för kolutbyte, vilket är viktigt för lokala och globala kolbudgetar. För de flesta bentiska ekosystem är virvelkorrelation den mest exakta tekniken för att mäta in-situ flöden. Teknikens utveckling och dess tillämpningar under vatten är fortfarande ett fruktbart forskningsområde.

Generella principer

Representation av luftflödet i det atmosfäriska gränsskiktet

Luftflöde kan föreställas som ett horisontellt flöde av ett flertal roterande virvlar, det vill säga turbulenta virvlar av olika storlekar, där varje virvel har horisontella och vertikala komponenter. Situationen ser kaotisk ut, men vertikal rörelse av komponenterna kan mätas från tornet.

Pyörrekovarianssi-tekniikan kaaviokuva.jpg

Fysisk mening

Vid en fysisk punkt på tornet, vid tidpunkt 1, flyttar virvel 1 luftpaket c ₁ ner med hastighet $w_{1}$ . Sedan, vid tidpunkt 2, flyttar eddy 2 upp paket c ₂ med hastighet $w_{2}$ . Varje paket har gaskoncentration, tryck, temperatur och luftfuktighet. Om dessa faktorer, tillsammans med hastigheten är kända, kan vi bestämma flödet. Till exempel, om man visste hur många molekyler vatten som gick ner med virvlar vid tidpunkt 1, och hur många molekyler som gick upp med virvlar vid tidpunkt 2, vid samma punkt, skulle man kunna beräkna det vertikala flödet av vatten vid denna tidpunkt under denna tid . Så vertikalt flöde kan presenteras som en kovarians av den vertikala vindhastigheten och koncentrationen av entiteten av intresse.

Sammanfattning

3D-vinden och en annan variabel (vanligtvis gaskoncentration, temperatur eller momentum) sönderdelas i medelvärde och fluktuerande komponenter. Kovariansen beräknas mellan den fluktuerande komponenten av den vertikala vinden och den fluktuerande komponenten av gaskoncentrationen. Det uppmätta flödet är proportionellt mot kovariansen.

Området från vilket de upptäckta virvlarna härrör beskrivs probabilistiskt och kallas ett fluxfotavtryck . Fluxfotavtrycksområdet är dynamiskt i storlek och form, förändras med vindriktning, termisk stabilitet och mäthöjd, och har en gradvis kant.

Effekten av sensorseparation, ändlig samplingslängd, medelvärdesberäkning av ljudväg, såväl som andra instrumentella begränsningar, påverkar mätsystemets frekvenssvar och kan behöva en samspektral korrigering, särskilt märkbar med instrument med sluten väg och vid låga höjder under 1 till 1,5 m.

Matematisk grund

I matematiska termer beräknas "virvelflöde" som en kovarians mellan momentan avvikelse i vertikal vindhastighet ( $w'$ ) från medelvärdet ( ${\displaystyle {\bar {w}}})$ och momentan avvikelse i gaskoncentration, blandningsförhållande ( $s'$ ), från dess medelvärde ( ${\bar {s}}$ ), multiplicerat med medelluftdensitet ( $\rho _{a}$ ). Flera matematiska operationer och antaganden, inklusive Reynolds nedbrytning, är involverade i att komma från fysiskt fullständiga ekvationer av det turbulenta flödet till praktiska ekvationer för att beräkna "virvelflöde", som visas nedan.

Stora antaganden

Mätningar vid en punkt kan representera ett område uppåt
Mätningar görs innanför gränsskiktet av intresse
Hämta/ flödesfotavtryck är adekvat – flöden mäts endast vid intresseområde
Fluxet är helt turbulent – det mesta av den vertikala nettoöverföringen görs av virvlar
Terrängen är horisontell och uniformerad: genomsnittet av fluktuationer är noll; densitetsfluktuationer försumbara; flödeskonvergens & divergens försumbar
Instrument kan upptäcka mycket små förändringar vid hög frekvens, från minst 5 Hz och till 40 Hz för tornbaserade mätningar

programvara

Från och med 2011 fanns det många program för att bearbeta virvelkovariansdata och härleda kvantiteter som värme, momentum och gasflöden. Programmen varierar avsevärt i komplexitet, flexibilitet, antal tillåtna instrument och variabler, hjälpsystem och användarstöd. Vissa program är programvara med öppen källkod , medan andra är stängd eller proprietära .

Exempel inkluderar kommersiell programvara med fri licens för icke-kommersiell användning som EddyPro ; gratisprogram med öppen källkod som ECO ₂ S och ECpack ; gratis paket med stängd källkod som EdiRe , TK3 , Alteddy och EddySoft .

Används

Vanliga användningsområden:

Växthusgasutsläpp
Övervakning av koldioxidutsläpp
Övervakning av metanutsläpp
Mätning av vattenförlust, evapotranspiration
Omedelbar vattenanvändningseffektivitet
Effektivitet för momentan strålningsanvändning

Roman använder:

Precisionsbevattning , precisionsjordbruk
Kolbindnings- och avskiljningsövervakning
Deponigas utsläpp till atmosfären
Utsläpp av gaser som förskjuts genom hydraulisk sprickbildning till atmosfären
Gasläckagedetektering och lokalisering
Metanutsläpp från permafrostregioner
Biogena VOC-utsläpp
Mätning av reaktivt spårgasutbytesflöde

Vanliga applikationer

Evapotranspiration

Fjärranalys är ett tillvägagångssätt för att modellera evapotranspiration med hjälp av en energibalans och det latenta värmeflödet för att hitta evapotranspirationshastigheter. Evapotranspiration (ET) är en del av vattnets kretslopp , och korrekta ET-avläsningar är viktiga för lokala och globala modeller för att hantera vattenresurser. ET-kvoter är en viktig del av forskning inom hydrologirelaterade områden, såväl som för jordbruksmetoder. MOD16 är ett exempel på ett program som mäter ET bäst för tempererade klimat.

Mikrometeorologi

Mikrometeorologi fokuserar klimatstudier på den specifika vegetationskronans skala, återigen med tillämpningar på hydrologisk och ekologisk forskning. I detta sammanhang kan virvelkovarians användas för att mäta värmemassflöde i gränsytskiktet, eller i gränsskiktet som omger vegetationskronan. Effekterna av turbulens kan till exempel vara av särskilt intresse för klimatmodellerare eller de som studerar det lokala ekosystemet. Vindhastighet, turbulens och massa (värme) koncentration är värden som kan registreras i ett flödestorn. Genom mätningar relaterade till virvelkovariansegenskaper såsom grovhetskoefficienter kan empiriskt beräknas, med tillämpningar för modellering.

Våtmarksekosystem

Våtmarksvegetationen varierar stort och varierar från växt till växt ekologiskt. Primär växtexistens i våtmarker kan övervakas genom att använda virvelkovariansteknologi i kombination med näringstillförselinformation genom att övervaka nettoflöden av CO ₂ och H ₂ O. Avläsningar kan tas från fluxtorn under ett antal år för att bland annat bestämma vattenanvändningseffektiviteten.

Växthusgaser och deras uppvärmningseffekt

Flöden av växthusgaser från vegetation och jordbruksfält kan mätas med virvelkovarians enligt hänvisning till avsnittet om mikrometeorologi ovan. Genom att mäta vertikalt turbulent flöde av gastillstånd av H ₂ O, CO ₂ , värme och CH _{4 ,} bland andra flyktiga organiska föreningar, kan övervakningsutrustning användas för att sluta sig till växelverkan mellan tak. Landskapsövergripande tolkningar kan sedan slutas med hjälp av ovanstående data. Höga driftskostnader, väderbegränsningar (viss utrustning är bättre lämpad för vissa klimat) och deras tekniska begränsningar kan begränsa mätnoggrannheten.

Vegetationsproduktion i terrestra ekosystem

Vegetationsproduktionsmodeller kräver noggranna markobservationer, i detta sammanhang från virvelkovariant flödesmätning. Eddy-kovarians används för att mäta nettoprimärproduktionen och bruttoprimärproduktionen av växtpopulationer. Teknikens framsteg har tillåtit mindre fluktuationer som resulterat i en skala på 100-2000 meter av luftmassa och energiavläsningar. Att studera kolets kretslopp på vegeterad tillväxt och produktion är mycket viktigt för både odlare och forskare. Med hjälp av sådan information kan kolflödet mellan ekosystem och atmosfären observeras, med tillämpningar som sträcker sig från klimatförändringar till vädermodeller.

Relaterade metoder

Virvelansamling

Sann virvelansamling

Tekniken för äkta virvelackumulering kan användas för att mäta flöden av spårgaser för vilka det inte finns några tillräckligt snabba analysatorer tillgängliga, alltså där virvelkovarianstekniken är olämplig. Grundtanken är att uppåtgående luftpaket (uppströmmar) och nedåtgående luftpaket (nedströmmar) provtas proportionellt mot deras hastighet i separata reservoarer. En gasanalysator med långsam respons kan sedan användas för att kvantifiera de genomsnittliga gaskoncentrationerna i både upp- och nedströmsreservoarer.

Avslappnad virvelansamling

Huvudskillnaden mellan den sanna och den avslappnade virvelackumuleringstekniken är att den senare provar luft med en konstant flödeshastighet som inte är proportionell mot den vertikala vindhastigheten.

Se även

Vidare läsning

Burba , G., 2013. Eddy Covariance Method for Scientific, Industrial, Agricultural and Regulatory Applications: a Field Book on Measuring Ecosystem Gas Exchange and Area Emission Rates. Arkiverad 2016-03-31 på Wayback Machine LI-COR Biosciences, Lincoln, USA, 331 s.
Aubinet, M., T. Vesala, D. Papale (Eds.), 2012. Eddy Covariance: A Practical Guide to Measurement and Data Analysis. Springer Atmospheric Sciences, Springer Verlag, 438 s.
Foken, T., 2008. Micrometeorology, Springer-Verlag, Berlin, Tyskland, 308 s.
Lee, X., W. Massman och B. Law, 2004. Handbook of Micrometeorology. Kluwer Academic Publishers, Nederländerna, 250 s.
Rosenberg, NJ, BL Blad och SB Verma, 1983. Microclimate: The Biological Environment, Wiley-Interscience, 580 pp.

externa länkar