涡度相关观测系统.ppt

什么是坐标旋转？ 坐标旋转是数学上的一种计算方法，旋转就是改变坐标系统的方向。其目的就是通过旋转改变原来的坐标系统，使得我们更容易计算或者表达更简洁直观。 目前我们对风向和风速的观测坐标系统是基于3维互相垂直的自然坐标系统，旋转后仍然为3维互相垂直的坐标系统，但在新坐标系统，垂直方向上的风速要使得它尽可能的小，甚至为零，通过旋转坐标就可以达到目的。 为什么要进行坐标旋转？ 仪器安装不垂直: 我们在进行通量计算时，主要考虑的垂直方向的通量，对于水平方向的通量，我们认为是均匀的。但是，如果仪器安装不垂直，水平方向的风就可能通过这个原因使得一部分成为垂直方向的风和通量。 为什么要进行坐标旋转？ 即使仪器安装的是垂直的，但是，地面不水平均匀，就会形成垂直方向上的风 第一次旋转 第一次旋转的目的是使得X轴平行于平均气流（风向）, 即水平横向风速为0。第一次变换后的3个方向的风速u2, v2和w2分别为： 第2次旋转 第2次旋转的目的是使得垂直风速为零 第3次旋转 经过两次旋转后, . 此时已经基本消除了平均垂直风速不为零对通量结果的影响, 其风速仪在新平面的方向与最初的方向有关. 虽然此时经向的平均风速和垂直平均风速等于零, 但他们的协方差不一定为零. 为了避免这种模糊现象可能对动量计算产生的影响, McMillen 建议再进行一次旋转, 即第3次旋转, 使得, 其计算公式如下: ＊夜间CO2通量数据的处理 对于某一自然生态系统而言，CO2排放量主要取决于土壤和植被的生物量（包括土壤中的微生物，根，茎，叶等，内因）和环境状况（如，大气温度、土壤温度和土壤湿度等，外因）.即：夜间CO2的排放与空气的层结和稳定性等湍流特征无关。但是涡度相关系统是和湍流相关的，即使地表向空气中排放很多，但如果没有一定的湍流输送，用涡度相关仪器在离地较高的地方测定的CO2通量有时不能完全真实地反映地气间CO2的交换（主要指土壤和植被呼吸）.因为在夜间，空气层结通常是比较稳定的，湍流一般都很弱。这就引出了一系列问题。 ? 呼吸模型 ＊能量闭合 LE为潜热通量, H为显热通量, Rn为净辐射, G为土壤热通量, S为冠层热储量, Q为附加能量源汇的总和, 因Q项值很小常常被忽略. LE G H Rn Rn 0 LE 0 H 0 G 0 LE G H Rn Rn 0 LE ≤ 0 H 0 G 0 G  ＊数据插补 ＊谱分析和谱校正 ?  免费软件，可从下面网址获得: http://www.geos.ed.ac.uk/abs/research/micromet/EdiRe/Downloads.html ☆ 实验主要内容 ＊ 均值计算 ＊ 均方差计算 ☆ 实验主要内容 ＊湍流强度 ＊ 雷诺应力 ☆ 实验主要内容 ＊摩擦速度 ☆ 实验报告要求 1.实验名称、实验原理 2.编制超声风温仪计算程序 3.用给定观测资料计算出平均风速、平均风向、风速标准差、湍流强度、雷诺应力、摩擦速度 涡度相关观测系统 内容简介 ☆ 涡度相关的概念 ☆ 涡度相关系统组成 ☆ 涡度相关数据处理与分析 ☆ 实验主要内容 ☆ 实验报告要求 ☆ 涡度相关的概念 ※ 涡度相关（Eddy Covariance，EC）： 通过快速测定大气的物理量(如温度，湿度，CO2浓度等) 与垂直风速的协方差来计算湍流通量的一种方法，它是基于大气湍流理论和数据统计分析相结合的一种技术。目前已经被广泛应用于地气交换的测量。 ☆ 涡度相关的概念 ※ 通量： 单位时间单位面积内通过了多少物质或能量 垂直风速和某种属性的协方差 通量取决于: 通过面积的物质或能量的量 物质或能量通过的面积大小 通过关注面积的时间是多长 ☆ 涡度相关的概念 涡动相关计算并测量大气边界层内的湍流通量。 常通量层仅占ABL的 10% 。 ☆ 涡度相关的概念 气流可以描述为很多湍涡的水平流动。这些湍涡具有3维结构，携带着不同的下垫面或者环境属性，比如大气成分浓度，温度和湿度。 ☆ 涡度相关的概念 ※ 湍流： 如果湍流可以看做一系列关于平均值的波动，即雷诺平均，那么任何瞬时物理量的值都等于给定时间(比如30min)内的均值加瞬时分量（脉动值） ☆ 涡度相关的概念 ※ 湍流： 两个物理量的乘积等于物理量均值的乘积加一个协方差， 任何脉动量的均值等于0 两个物理量之和的均值等于物理量平均值的和 ☆ 涡度相关的概念 涡动相关通量测量的主要假设： 在A点测量应该代表从A点的整个上