空气动力学方法

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
Cg Fg g Z a U K Z d
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
U（Z）（U / k）lnZ d / Z 0

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: 1 Fg g k g dc g / dZ 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） 2 Ri g Z dU dZ
高度Z 处,某一气体向上的输送通量可表示为: Fg =ρg· (d cg/ d Z) kg· 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:
迭代计算的方法
计算Ri 计算初始大气稳定度ζ
0
计算通量
令ζ=ζ0 计算普适函数Φ 不 收 敛
收 敛
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
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 主要指红外CO2/H2O分析仪
（3）数据采集器 用于数据采集、存储以及整 个系统的控制
（4）梯度塔以及其它附件 用于系统安装
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-1 H2O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
Fra Baidu bibliotek

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。
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
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：S08020307 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。
校准 漂移
量程漂移 总漂移
数据采集器
空气温湿度以及风速传感器
LI840红外气体分析仪
CO2分析器 量程 准确度 零点漂移 0 ~ 3000 ppm 优于读数的1.5% <0.15 ppm/°C <0.03 %/°C < 0.4 ppm/°C@370ppm
H2O分析器 0 ~ 80 ppt 1.5% <0.003 ppt/°C 10ppt < 0.03%/°C < 0.009 ppt/°C@10ppt