第六讲_通量观测方法与原理_ ppt课件
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陆地生态系统通量观测的原理与方法(第二版)
陆地生态系统通量观测的原理与方法（第二版）
陆地生态系统通量观测是深入了解陆地生态系统及其能量循环的关键。
波尔特（Pörtner）等人的第二版《高等教育：陆地生态系统通量观测的原理与方法》，
将围绕国际包括学科，把握最先进的理论研究，分析研究范围，结合地方实践，意在引导读者利用适当的参数来理解陆地生态系统通量观测，从而深入探讨全球变化如何影响大尺度通量，以及改写通量观测计划。
本书首先介绍了陆地生态系统通量观测关键概念及关联框架，提供了基础知识。
然后，重点介绍了这一领域的观测原理，着重讨论了气候变化对植被通量的影响，并列出了各种远距离观测技术以及如何从这些技术中选择最佳观测模式。
这些讨论旨在激发读者关注和技能，帮助读者构建有效的科学设计，以评估陆地生态系统通量的变化。
此外，该书还讨论了数据处理的的多种实证方法，如回归分析，相关性分析，
统计模型等，着重介绍了观测设计、数据处理与结果评估的全过程，并针对实际情况提供了丰富的实用技巧和经验。
对于那些有兴趣深入研究陆地生态系统通量学的学生而言，这本书无疑可以为学习概念及其实施提供一个完整而又有效的框架。
因此，它所提供的全面信息及知识资源，为读者实现陆地生态系统通量观测的学习提供了有力的帮助。
中科院-生态系统水碳氮循环与通量观测原理与技术
2.7尺度Scale
• 在不同现象，分析和取样上，尺度被用作以上提及的 六个概念的同义词，还有一些其他相关定义被使用。
• 虽然尺度这一词汇的使用纷繁复杂而混乱不堪，但是 我们强调与以下三者具有联系。
1）被研究现象的结构和过程。（即存在空间尺度，也 存在时间尺度。）
2）取样方案和统计分析应该被分开考虑。（就是说 sampling和analysis的尺度是相互分离而不相互混淆的）
4.1.1美国矮桦Betula glandulosa
样线法 记录分布位置 和覆盖度
Yukon，Canada
1001个0.1×0.1m2的连续样方
4.1.2白刺果豚草Ambrosia dumosa
Joshua Tree National Park,America
样地为100×100 m2 取样样方为5×5 m2 记录分布位置
ECNU
1.2尺度概念--种类
现象(phenomenon) 尺度 观测(observational) 尺度
分析(analysis) 尺度
1.2.1现象尺度
27*27 cm
格局的空间特征：
斑块大小（tile size） 种间间距（phase lag） 现
象
尺 度
过程的空间特征： 行动的范围
（range of action）
• 在支撑（Support）任何一个特征上的某个改 变，都将新定义一个变量。
• 取样单元一旦改变，两组即便是同一属性的测 得变量也必然是截然分开的不同变量。
2.6比例尺Cartographic ratio
• 当数据被提出或存储为地图时，存在一个 地图上的距离所代表现实世界真实距离的 比值。
• large scale ≠ large extents
陆地生态系统通量观测的原理与方法
陆地生态系统通量观测的原理与方法
陆地生态系统通量观测是指对陆地生态系统进行实时或近实时的监测，以获取其能量、物质和信息的流动情况。
这些流动情况可以帮助我们了解陆地生态系统的运作机制，为环境管理、生态系统模拟和模型建立提供数据支持。
通量观测的原理基于物理和化学定律，比如气体定律、热力学第一定律和热力学第二定律。
通量观测的方法通常包括测量气体浓度、温度、湿度、风速和风向等参数，以及利用生物标志物（如树干呼吸、土壤呼吸、植物光合作用等）来估算生态系统的能量和物质流动。
还可以使用传感器、监测站和遥感技术进行通量观测。
举个例子，对于森林生态系统的通量观测，可以使用气体分析仪测量森林中二氧化碳的浓度，从而估算森林的碳汇能力。
还可以利用森林的树干呼吸（即树干对大气中二氧化碳进行吸收和释放的过程）来估算森林的碳汇能力。
还可以使用遥感技术对森林的生长情况进行监测，如利用卫星遥感数据来估算森林的蓄积量、森林覆盖度和叶面积指数（LAI）等。
还可以使用生物标志物，如土壤呼吸、植物光合作用和蒸腾速率来估算森林的能量和物质流动情况。
对于草地生态系统的通量观测，可以使用气体分析仪测量草地中的氧气和二氧化碳浓度，从而估算草地的碳汇能力。
还可以使用生物标志物，如土壤呼吸、植物光合作用和蒸腾速率来估算草地的能量和物质流动情况。
通量观测也可以应用于其他陆地生态系统，如农田、城市和沙漠等。
不同的生态系统可能需要使用不同的观测方法和技术，但基本原理是相通的。
光通量计算PPT课件
(
d 2
)
2
第10页/共12页
从地面上看太阳表面亮度为15万熙提，即该激光器发光面的光亮度为地面所见 太阳亮度的100多倍。
若人眼所允许的光亮度104，问防护眼镜的透射率为多少? (人眼的折射率为1.33)
L'
L
n'2 n2
L' Ln'2
1
8.4
7
104 1 010
1.332
3 1 08
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两边乘折射定律的对应端
n2 sini cosidid n'2 sini'cosi' di' d
第6页/共12页
n2 sini cosidid n'2 sini'cosi' di' d 又d sin idid
d' sin i'di'dφ n2 cosid n2 cosi'd'
d' L'cosi'dsd' d Lcosdsd
'
d d'
第4页/共12页
i1 i
d d1
（反射定律)
n sin i n'sin i' （折射定律）
n cos idi n'cos i' di'
d'
sin i' di' d
n2 sin i cosi (n' )2 cosi'
did
n2 cosi (n' )2 cosi'
d
ห้องสมุดไป่ตู้
1．反射情形
一、透过率、反射率
天气现象观测PPT课件
2021/4/8
6
9.1 降水(雨水)测量
9.1 降水(雨水)测量
2、雨量器 雨量器是观测降水量的仪器，它将自然降水接入一定的容器内，然后换算
成降水量。雨量器由雨量筒与量杯组成，如图9.9-1所示。雨量筒用来承接降水 物，它包括承水器、储水瓶和外筒。
不同国家承水器的形状和大小有些差别，我国雨量器/计国家标准规定，承 雨器统一采用内径为200mm的正圆形承水器，误差不超过0.6mm。承雨器口呈 内直外斜刀刃结构，刃口锐角为400-450，保证外部雨水不会溅入筒内，进人承 雨口的降雨也不应溅出承雨口外,其形状应符合如图9.9-1所示。承雨口材料应 坚实，内壁光滑，不得有砂眼、毛刺、碰伤、镀层脱皮、渗漏等缺陷。
虹吸式雨量计不需要电源，但需要人工定时更换自记纸和人工给钟筒 上弦，类似于机械式钟表，但是，由于原理上限制，不易将降雨量转换成 可供处理的电信号输出，因而不能远距离传输，也不能进一步数据处理， 这是虹吸式雨量计的局限性。
9.1 降水(ห้องสมุดไป่ตู้水)测量
3、虹吸式雨量计
9.1 降水(雨水)测量
4、翻斗式雨量计
此外一次降雨达不到翻斗的翻转量，则此无法记录，并且当前一次 降雨最后达不到翻斗的翻转量而残存在斗内，也会影响下次降水的测量， 一般翻斗式雨量对小雨测量结果会偏小。
对于高分辨率的翻斗(如0.1mm)，翻转一次误差虽较小，对于一次降小过程因 翻转次数增多，使得累积起来误差则相当大。因此在雨量较大时，若采用分辨 率较低的翻斗(如0.5mm或1mm)，相对翻转次数较少，使得累积起来的雨量误 差较小。因此低分辨率的翻斗对于降水较强时，较为适用。
据记载我国在宋朝已有用器具进行雨量测量的记录，在1424年前后已有 全国统一的雨量器，这些雨量器被分发到全国各地的州府，在公元1442 年改为铜制的统一雨量器，并由各地向国家上报雨情。
小学科学观测云和雨课件ppt
采用定时观测的方法，每隔一段时间 记录一次数据，同时用文字描述云和 雨的变化情况。观测结束后，整理记 录表，分析观测结果，得出结论。
05
观测数据分析与应用
数据整理与初步分析
观测数据的记录
包括云的类型、高度、厚度、颜色等 特征，以及降雨的时间、强度、持续 时间等信息。
数据整理方法
初步分析内容
根据整理后的数据，初步分析云和雨 之间的关系，如云的类型与降雨的关 联性等。
确保实验场所通风良好，避免有害气体 积聚。
穿戴实验服和护目镜，避免皮肤和眼睛 接触到有害物质。
准备好急救药品和器材，以备不时之需 。
实验器材使用方法
详细介绍实验所需器材的名称、用 途和使用方法。
演示正确使用器材的方法，并指导 学生进行练习。
强调器材的保养和维护方法，延长 器材使用寿命。
提醒学生在实验结束后及时清理和 归位器材。
小学科学观测云和雨
目录
• 引言 • 云的形成与分类 • 雨的形成与类型 • 实地观测活动设计 • 观测数据分析与应用 • 实验操作注意事项 • 总结反思与展望
01
引言
观测云和雨的意义
01
了解天气变化
云和雨是天气变化的重要指示 器，观测它们可以帮助学生了
解天气的形成和变化。
02
培养观察能力
观测云和雨需要细致入微的观 察，有助于培养学生的观察力
气象观测仪器介绍
了解气象观测中常用的仪器及其原理，如气象雷达、卫星云图等 。
气象预报方法概述
简要介绍气象预报的基本方法，如数值预报、统计预报等。
气象灾害预警与防范
了解气象灾害的类型、特点及预警方法，提高防范意识和能力。
06
实验操作注意事项
05
观测数据分析与应用
数据整理与初步分析
观测数据的记录
包括云的类型、高度、厚度、颜色等 特征，以及降雨的时间、强度、持续 时间等信息。
数据整理方法
初步分析内容
根据整理后的数据，初步分析云和雨 之间的关系，如云的类型与降雨的关 联性等。
确保实验场所通风良好，避免有害气体 积聚。
穿戴实验服和护目镜，避免皮肤和眼睛 接触到有害物质。
准备好急救药品和器材，以备不时之需 。
实验器材使用方法
详细介绍实验所需器材的名称、用 途和使用方法。
演示正确使用器材的方法，并指导 学生进行练习。
强调器材的保养和维护方法，延长 器材使用寿命。
提醒学生在实验结束后及时清理和 归位器材。
小学科学观测云和雨
目录
• 引言 • 云的形成与分类 • 雨的形成与类型 • 实地观测活动设计 • 观测数据分析与应用 • 实验操作注意事项 • 总结反思与展望
01
引言
观测云和雨的意义
01
了解天气变化
云和雨是天气变化的重要指示 器，观测它们可以帮助学生了
解天气的形成和变化。
02
培养观察能力
观测云和雨需要细致入微的观 察，有助于培养学生的观察力
气象观测仪器介绍
了解气象观测中常用的仪器及其原理，如气象雷达、卫星云图等 。
气象预报方法概述
简要介绍气象预报的基本方法，如数值预报、统计预报等。
气象灾害预警与防范
了解气象灾害的类型、特点及预警方法，提高防范意识和能力。
06
实验操作注意事项
空气动力学方法
空气动力学方法
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。
Fg 1gkgdgc/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）
R i ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Z dd U 2 Z
(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。
律;
学方法。 Fg =ρg·kg·(d cg/ d Z)
（2）箱式法 LI840红外气体分析仪 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. （2）箱式法
（2）箱式法 (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; 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.
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。
Fg 1gkgdgc/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）
R i ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Z dd U 2 Z
(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。
律;
学方法。 Fg =ρg·kg·(d cg/ d Z)
（2）箱式法 LI840红外气体分析仪 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. （2）箱式法
（2）箱式法 (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; 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.
4.2闪烁法通量观测
Parameter Sensitivity
2 2 Cn CT H u*
Scintillometers
Kipp & Zonen LAS Scintec BLS450, 900 Kipp & Zonen XLAS Scintec BLS2000 Scintec SLS20, 40 CEH/RAL94 (与LAS组合成 双波长闪烁仪)
LAS
XLAS
DBLS
2 2 l0 , Cn , CT u* , H
2 2 2 Cn (CT , CQ ) H , LE u*
毫米波
MWS
(天线直径)
15
15
空气的折射指数
n ' aT T ' aq q '
aT
n n , aq T q
aT
aq
For a heterogeneous surface, you can not expect a good energy balance closure.
4000
310
3000
Comparison of sensible heat fluxes from LAS & EC (Arou, JulAug, 2008. Height: EC, 3.15m; LAS, 9.5m)
Ludwig Prandtl (及其学生 von Karman)
Lewis Richardson
G. I. Taylor 湍流统计理论的奠基人
1921 相关函数；湍流的载体是不同大小的随机涡(Eddy)；动量 /标量输送是由涡粘度引起的湍涡扩散 1935-36 均匀各项同性湍流理论与湍流谱；‘混合长’问题
第六讲_通量观测方法与原理_
光强的自然对数的协方差与空气折射指数结构参数之间存在如下关系(接收 器和发射器的孔径大小相同)：
D为发射光束的直径，L为光程长度
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
大型蒸渗仪方法 示意图
外观
大型蒸渗仪方法 示意图
内部构造
大型蒸渗仪方法 优缺点
优点 直接观测，精度高 可以进行水分处理，进行不同科学目的的观测
缺点 自然代表性不够 应用范围相对较窄
波文比-能量平衡方法
波文比的定义
波文比(Bowen ratio)指地表感热通量与潜热通量之比
H E
波文比可以描述空气的稳定状况：波文比越大，表明感热交换越强烈，空 气越不稳定，波文比越小，空气稳定性越好
u为瞬时值，u为一段时间的平 均值，u’为脉动值
涡度相关方法 原理
2. Reynolds平均法则
u u
u' 0 uw uw
u'w u'w 0 uw uw u'w'
涡度相关方法
原理
3. 涡度相关的两个假定
✓水平方向上通量的输入与输出 相等
u1v1 u2 v2
w1ρv
w1’ρv’
u1ρv1
空气的折射指数与感热通量之间在理 论上存在一个关系 空气折射指数用折射指数的结构参数 Cn2来描述其湍流强度 Cn2是一个与温度结构参数CT2相关的 一个参数。对于近红外波段，这个关 系式可以表达为：
温度结构参数 空气折射指数
AT为温度对折射指数的相对贡献 T为空气温度 β为波文比 p为大气压
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪 大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理
i0
w'v'
D为发射光束的直径，L为光程长度
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪
大型蒸渗仪方法 示意图
外观
大型蒸渗仪方法 示意图
内部构造
大型蒸渗仪方法 优缺点
优点 直接观测，精度高 可以进行水分处理，进行不同科学目的的观测
缺点 自然代表性不够 应用范围相对较窄
波文比-能量平衡方法
波文比的定义
波文比(Bowen ratio)指地表感热通量与潜热通量之比
H E
波文比可以描述空气的稳定状况：波文比越大，表明感热交换越强烈，空 气越不稳定，波文比越小，空气稳定性越好
u为瞬时值，u为一段时间的平 均值，u’为脉动值
涡度相关方法 原理
2. Reynolds平均法则
u u
u' 0 uw uw
u'w u'w 0 uw uw u'w'
涡度相关方法
原理
3. 涡度相关的两个假定
✓水平方向上通量的输入与输出 相等
u1v1 u2 v2
w1ρv
w1’ρv’
u1ρv1
空气的折射指数与感热通量之间在理 论上存在一个关系 空气折射指数用折射指数的结构参数 Cn2来描述其湍流强度 Cn2是一个与温度结构参数CT2相关的 一个参数。对于近红外波段，这个关 系式可以表达为：
温度结构参数 空气折射指数
AT为温度对折射指数的相对贡献 T为空气温度 β为波文比 p为大气压
大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪 大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理
i0
w'v'
近地面层湍流通量观测方法简介
( 2.22)
q*
( 2.23)
再利用(2.20)式计算出新的M-O长度L后，再代入(2.21)至(2.23)式的右边，更 新U*、T*和q*，如此迭代，直到精度满意为止。最后由(2.4)至(2.6)式，就得 到了H、LE和。
2.2 测量方法
风速梯度是利用微气象专用的风速表测量，这种风速表异于气象站使用 的普通风速表，其特点是精度高（误差0.1m/s）、启动风速小（<0.3m/s）。 温度梯度和湿度梯度的测量则是利用Bowen比系统，其特点是利用它自 身的翻转系统，在测量过程中每10分种翻转一次来消除温度探头的误差，从 从而得到高精度的干、湿球温度（误差0.01°C）。测量系统见Pic2.1至2.9。
H a Cp w LE a L v wq a Cp wu (1.2) (1.3) (1.4)
其中， H 为感热通量； LE 为潜热通量； 为动量通量； a 为空气密度； Cp为空气的定压比热；Lv为单位质量水汽的汽化热；u’和w’分别为风速在 水平与垂直方向上的脉动；’为温度脉动；q’为湿度脉动 。
0 0 0 0 0 0
( 2.7) ( 2.8) ( 2.9)
其中=z/L， 当稳定条件下时>0；不稳定条件下时<0；中性条件下时=0；
对三上式积分得如下廓线公式：
z U z0 z ln M M z U* L L 0 z T T0 z0 z ln H H z T* L L 0 z q q 0 z0 z ln q q z q* L L 0 ( 2.10) ( 2.11) ( 2.12)
1.2 测量方法
led光通量测量 ppt 含有图片
四、倒装芯片技术
通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED 结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区 射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的 电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层 Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄 膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就 不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影 响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。 但无论在什么情况下，金属薄膜的存在，总会使透 光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出 光效率受到影响。采用GaN LED倒装芯片的结构可 以从根本上消除上面的问题。
光源发光面上某点的亮度L等于垂直于给定方向的平面上所 得到的发光强度与该正投影的面积之商，即光通量对发光面 表面之比。L=dI /dScosθ
2、测量原理
将光通量标准灯与待测灯相比较而得到待测灯的光通量。 积分球照度由E= Φρ/4πR（1-ρ）=KΦ表示。设光通 量标准灯的光通量是Φs，测量时先将标准灯放在积分球 中心，通电后测量窗口测得照度Es= Φsρ/4πR（1-ρ） 用待测灯替换标准灯并测量照度Ec，比较两式得 Φc=EcΦs/Es
三、表面微结构技术
表面微结构制程是提高器件出光效率的又一个有效技术，该技 术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结 构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而 且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提 高。测量指出，对于窗口层厚度为20µm的器件，出光效率可增 长30％。当窗口层厚度减至10µm时，出光效率将有60％的改进。 对于585-625nm波长的LED器件，制作纹理结构后，发光效率 可达30lm/w，其值已接近透明衬底器件的水平。
云的观测 ｜教科版优秀课件
凡事都是多棱镜，不同的角度会看到不同的结果。若能把一些事看淡了，就会有个好心境，若把很多事看开了，就会有个好心情。让聚散离合犹如月缺月圆那样寻常，
人
的
一
生
说
白
了
，
也
就
是
三
万
余
天
，
贫
穷
与
富
贵
，
都
是
一
种
生
活
境
遇
。
懂
得
爱
自
己
的
人
，
对
口罗不是。
■
电
:
那
你
的
第
口
罗
没
有
我
和
他
不
同
。
我
是
但
是
当
我
拍
但是我年轻时有一个想法就是如果我 告诉你 怎么弄 ，15分 钟后你 还没有 弄完我 就不耐 烦像如 果我自 己弄五 分钟就 弄完所 以最后 通常变 成我自 己弄。 但这样 做有一 个不好 的后果 就是当 你真的 五分钟 弄完就 会给别 人一种 感觉他 在现场 完全没 有用他 会不开 心。
•
哪三类？
•
2.这三种云都有哪些特点？
《云的观测》记录单
第组
2017年6月 日
云的名称
(分三类)
云的特征
(填写高度 ，形状 ……)
云的图片
（填序号）
注：1.边阅读课本P15边记录；2.写主要词语
1
2
3
4
5
6
7
8
9
348 2 69
1
7
卷 云
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波文比-能量平衡方法
波文比的定义
波文比(Bowen ratio)指地表感热通量与潜热通量之比
H E
波文比可以描述空气的稳定状况：波文比越大，表明感热交换越强 烈，空气越不稳定，波文比越小，空气稳定性越好
根据空气运动的梯度扩散理论
HcpKh
dT dz
EPKv
de dz
假设Kh=Kv，微分变差 分
cpP Kh dT Kv de
i0
w'v'
N 1
Fw 'v'1N (w iw )(v i v) i0
地气之间的湍流传输通 量是物质或能量的浓度 与垂直速度的协方差
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
涡度相关方法
动量、热量和水汽通量
动量通量：
w'u'
感热通量：
H cp w'T'
条件下还包括水汽凝结(方向向下)组成的地面与大气之 间的水汽交换量 碳通量
以植物光合作用(方向向下)，植物和土壤呼吸(方向向 上)组成的地面与大气之间的碳交换量
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
大型蒸渗仪方法
原理
Lysimeter：蒸发渗漏仪(简称蒸渗仪) 观测原理：称重 前后两个时间观测的土柱质量差为这一观测时段该土柱的水 的损失量
G1 PI G2 ETL ETPI (G1 G2)L ETG1 G2
G1时段初蒸渗仪土柱重量(g) G2时段末蒸渗仪土柱重量 P降雨量 I灌溉量 L渗漏到土柱外的水量
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
示意图
外观
大型蒸渗仪方法
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《陆地表层系统野外实验原理与方法》
第六讲
地表通量观测方法及原理
袁国富 中科院地理科学与资源所
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地-气界面通量观测方法
直接测定方法(蒸渗仪、箱式法) 间接测定方法(小气候法)
✓波文比方法 ✓涡度相关方法 大尺度通量的观测(大孔径闪烁仪) 通量的分解测定(同位素技术)
F
u2ρv2
F ( w w ' )( v v ' )
(w
v
w
' v
w
' v
w
' v')
w v w v' w ' v w ' v'
w v w v' w ' v w ' v'
w v w ' v'
w ' v '
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示意图
内部构造
大型蒸渗仪方法
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优缺点
大型蒸渗仪方法
优点 直接观测，精度高 可以进行水分处理，进行不同科学目的的观测
缺点
自然代表性不够 应用范围相对较窄
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3. 平流 水平方向上的能量交换
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波文比-能量平衡方法 波文比方法的误差来源及其避免
1. 平流影响 风浪区长度应该在是仪器安装高度的100倍以上
2. 空气稳定状况 适合于中性层结和不稳定层结
3. 仪器测量误差 提高仪器测量精度，及时维护保养
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波文比-能量平衡方法 与小气候方法相关的几个概念
1. Fetch(风浪区) 是指风在某一均匀粗糙表面所穿行的距离或范围。
2. Footprint(通量观测区域) 是指地表通量观测设施观测到的范围，代表了仪器获得的通 量交换的具体范围和位置。
水汽通量：
E w'q'
q为空气比湿 Baldocchi et al, 1988, Ecology, 69:1331-1340
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原理
涡度相关方法
4. 涡度相关(Eddy Covariance/Correlation, EC)
已知相互关联的变量A,B之间的协方差可以表述为：
N1
C(o A ,B v)1N (A iA )B (iB) i0
N1
Co
v(w,
v
)
1 N
(wi w)(vi v)
i0
N1
1 N
wi' vi '
u1ρv1
பைடு நூலகம்
F
u2ρv2
✓平均垂直风速为0
w0
其中u，w分别为水平和垂直风速，ρv为物质浓度(密度)
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涡度相关方法
原理
3. 通量公式的推导 平均的垂直通量可以表述为 F wv
w1ρv
w1’ρv’
www'
v v v'
u1ρv1
cpP T e
该公式意味着，测定两个高度的温度和湿度差，就能得到波文比
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波文比-能量平衡方法 观测原理
R nHEG
H E
E Rn G 1
H (Rn G) 1
观测净辐射和波文比，就能计算获得 感热通量和潜热通量
涡度相关方法
2. Reynolds平均法则
u u
u' 0
uw uw u'wu'w0 uwuwu'w'
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涡度相关方法
原理
3. 涡度相关的两个假定
✓水平方向上通量的输入与输 出相等
u1 v1u2 v2
w1ρv
w1’ρv’
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原理
涡度相关方法
1. 平均值与脉动值
对于一个不断变化的量， 它可以分解为两部分：
uuu'
u为瞬时值，u为一段时间 的平均值，u’为脉动值
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原理
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地-气界面通量观测方法
地面与大气之间的能量和物质交换
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地-气界面通量观测方法
地-气界面的水碳通量和交换量
通量 单位时间单位面积的交换量
水汽通量 以植物蒸腾和土壤蒸发(方向向上)为主体，在一定的