空气动力学方法..ppt

空气动力学方法测定地表和大气物质与能量交换通量 杨燕 学号：专业：大气物理学与大气环境 内容 一、基本概念 二、梯度法原理及计算 三、梯度法的常用仪器设备 一、基本概念 什么是通量？ 在单位时间通过单位面积的垂直方向输送的动量、热量和物质的量称为通量密度（flux density），通常简称为通量（flux）。 常见的通量观测内容有CO2、H2O等物质通量以及显热、感热等能量通量。 生态系统通量研究的主要方法 （1）微气象学法 包括：涡度相关法；质量平衡法；能量平衡法；空气动力学法等 空气动力学法指通过描述近地层气流的动力学特性，来解释各种能量和物质输送物理过程的微气象学方法。 （2）箱式法 分为静态箱法和动态箱法 二、原理及计算 一、相似性原理 (1)近地面层的相似特征: 近地面层中各气象要素的廓线相似;近地面层中各气象要素的脉动相似;近地面层的湍流状态是相似的。 (2)近地面层的基本假定:近地面层中性层结下,普朗特混合长理论成立,风速随高度呈对数分布; Km≈KH; 非中性层结下风廓线偏离对数规律; (3)莫宁(Monin)--奥布霍夫(Obukhov)稳定度长度:考虑到在非中性层结下表示湍流混合的主要特征量应类似于混合长l,并具有长度因次,莫宁与奥布霍夫应用因次分析法求出 该特征量L的表达式。L即称为莫宁--奥布霍夫稳定度长度。 二、微气象学原理 见参考教材“农业小气候形成的空气动力学基础 ” 根据空气动力学理论,在近地层内的空气动力学粗糙面上,某一气体浓度( Cg) 的垂直梯度可表示为 式中, Z 是观测高度,Φg 为该气体交换稳定度函数, U﹡为摩擦风速, K 为卡曼常数, d 为零平面位移，Fg为气体通量 高度Z 处,某一气体向上的输送通量可表示为: Fg =ρg·kg·(d cg/ d Z) 式中, kg 是被测气体的湍流扩散系数,常借助于动量输送系数来确定. 在中性大气条件下,热量扩散系数( kh) 、动量扩散系数( km) 和气体扩散系数( kg) 可认为相等, kg 可以从风廓线方程获得: 其中, U ( Z) 为高度Z 处的风速, Z0 为表面粗糙度长度, U﹡摩擦风速. 这样,测量风速和被测气体浓度的垂直梯度便可计算出高度Z 处该气体的通量值. 但在实际测量中,中性大气条件往往得不到满足,通常要求进行大气稳定度修正,即: 根据Monin-Obukhov相似理论，实际大气中的动量、热量实际大气中的动量、热 量和水汽交换稳定度函数均为稳定度参数Φ 的函数, 且可通过理查逊数Ri 来表示： Z/L=Ri（Ri＞0） Z/L=Ri/(1-5Ri) （Ri≤0） 式中, g 为重力加速度,θ为位温, Ri 为正表示稳定大气, Ri为负表示不稳定大气. 气体交换稳定度函数Φg 通常使用由Dyer 等修正的表达式 稳定大气：Φg=（1-5Ri）-1 不稳定大气：Φg=（1-16Ri）-0.5 这样，在一般情况下，为获得某种气体的通量值，需要测量该气体的垂直梯度、温度梯度和温度梯度 LI7000红外气体分析仪 CO2分析器的技术指标类型：差分，非扩散式固态检测器CO2滤波器波长：4.255μm测量范围：0-3000ppm精确度：1%零点漂移：±0.3ppm/℃量程漂移：读数±0.2%/℃水分敏感性：＜0.1ppmCO2/mmol/mol H2O 压力范围：0-115Kpa，绝对值分辨率：0.1μmol mol-1H2O分析器技术指标类型：差分，非扩散式固态检测器H2O滤波器波长：2.595μm测量范围：0~60 mmol/mol，需保持光具座和内部连接软管在露点温度 以上精确度：1%零点漂移：±0.2 mmol/mol LI840红外气体分析仪 数据采集器 空气温湿度以及风速传感器 * * 计算Ri 计算普适函数Φ 计算摩擦速度u*和摩擦温度θ* 计算大气稳定度ζ 并将ζ与ζ0比较 计算初始大气稳定度ζ0 计算通量 不收敛 令ζ=ζ0 收 敛 迭代计算的方法 系统主要包括 （1）气体采样部分 采集各高度下的CO2和H2O的样本，右图中的采样梯度为8层 （2）气体分析部分