演示文稿第六講通量觀測方法與原理現(xiàn)在是1頁\一共有42頁\編輯于星期二第六講通量觀測方法與原理ppt課件現(xiàn)在是2頁\一共有42頁\編輯于星期二地-氣界面通量觀測方法直接測定方法(蒸滲儀、箱式法)間接測定方法(小氣候法)波文比方法渦度相關(guān)方法大尺度通量的觀測(大孔徑閃爍儀)通量的分解測定(同位素技術(shù))現(xiàn)在是3頁\一共有42頁\編輯于星期二地-氣界面通量觀測方法地面與大氣之間的能量和物質(zhì)交換現(xiàn)在是4頁\一共有42頁\編輯于星期二地-氣界面通量觀測方法地-氣界面的水碳通量和交換量通量單位時(shí)間單位面積的交換量水汽通量以植物蒸騰和土壤蒸發(fā)(方向向上)為主體，在一定的條件下還包括水汽凝結(jié)(方向向下)組成的地面與大氣之間的水汽交換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)組成的地面與大氣之間的碳交換量現(xiàn)在是5頁\一共有42頁\編輯于星期二大型蒸滲儀方法原理Lysimeter：蒸發(fā)滲漏儀(簡稱蒸滲儀)觀測原理：稱重前后兩個(gè)時(shí)間觀測的土柱質(zhì)量差為這一觀測時(shí)段該土柱的水的損失量G1時(shí)段初蒸滲儀土柱重量(g)G2時(shí)段末蒸滲儀土柱重量P降雨量I灌溉量L滲漏到土柱外的水量現(xiàn)在是6頁\一共有42頁\編輯于星期二大型蒸滲儀方法示意圖外觀現(xiàn)在是7頁\一共有42頁\編輯于星期二大型蒸滲儀方法示意圖內(nèi)部構(gòu)造現(xiàn)在是8頁\一共有42頁\編輯于星期二大型蒸滲儀方法優(yōu)缺點(diǎn)直接觀測，精度高可以進(jìn)行水分處理，進(jìn)行不同科學(xué)目的的觀測自然代表性不夠應(yīng)用范圍相對較窄優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)現(xiàn)在是9頁\一共有42頁\編輯于星期二波文比-能量平衡方法波文比的定義波文比(Bowenratio)指地表感熱通量與潛熱通量之比波文比可以描述空氣的穩(wěn)定狀況：波文比越大，表明感熱交換越強(qiáng)烈，空氣越不穩(wěn)定，波文比越小，空氣穩(wěn)定性越好根據(jù)空氣運(yùn)動(dòng)的梯度擴(kuò)散理論假設(shè)Kh=Kv，微分變差分該公式意味著，測定兩個(gè)高度的溫度和濕度差，就能得到波文比現(xiàn)在是10頁\一共有42頁\編輯于星期二波文比-能量平衡方法觀測原理觀測凈輻射和波文比，就能計(jì)算獲得感熱通量和潛熱通量現(xiàn)在是11頁\一共有42頁\編輯于星期二波文比-能量平衡方法與小氣候方法相關(guān)的幾個(gè)概念1.Fetch(風(fēng)浪區(qū))是指風(fēng)在某一均勻粗糙表面所穿行的距離或范圍。2.Footprint(通量觀測區(qū)域)是指地表通量觀測設(shè)施觀測到的范圍，代表了儀器獲得的通量交換的具體范圍和位置。3.平流水平方向上的能量交換現(xiàn)在是12頁\一共有42頁\編輯于星期二波文比-能量平衡方法波文比方法的誤差來源及其避免提高儀器測量精度，及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)風(fēng)浪區(qū)長度應(yīng)該在是儀器安裝高度的100倍以上1.平流影響2.空氣穩(wěn)定狀況適合于中性層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)3.儀器測量誤差現(xiàn)在是13頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法原理對于一個(gè)不斷變化的量，它可以分解為兩部分：u為瞬時(shí)值，u為一段時(shí)間的平均值，u’為脈動(dòng)值1.平均值與脈動(dòng)值現(xiàn)在是14頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法原理2.Reynolds平均法則現(xiàn)在是15頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法原理u1ρv1u2ρv2w1ρvw1’ρv’F3.渦度相關(guān)的兩個(gè)假定平均垂直風(fēng)速為0其中u，w分別為水平和垂直風(fēng)速，ρv為物質(zhì)濃度(密度)水平方向上通量的輸入與輸出相等現(xiàn)在是16頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法原理u1ρv1u2ρv2w1ρvw1’ρv’F3.通量公式的推導(dǎo)平均的垂直通量可以表述為現(xiàn)在是17頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法原理4.渦度相關(guān)(EddyCovariance/Correlation,EC)已知相互關(guān)聯(lián)的變量A,B之間的協(xié)方差可以表述為：地氣之間的湍流傳輸通量是物質(zhì)或能量的濃度與垂直速度的協(xié)方差現(xiàn)在是18頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法動(dòng)量、熱量和水汽通量動(dòng)量通量：感熱通量：水汽通量：q為空氣比濕Baldocchietal,1988,Ecology,69:1331-1340現(xiàn)在是19頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法系統(tǒng)主要組成(1)超聲風(fēng)速儀10Hz頻譜空氣運(yùn)動(dòng)及其速度的三維測量(2)濕度儀測量水汽濃度(3)CO2氣體分析儀測量CO2濃度現(xiàn)在是20頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法系統(tǒng)主要組成現(xiàn)在是21頁\一共有42頁\編輯于星期二渦度相關(guān)方法系統(tǒng)主要組成現(xiàn)在是22頁\一共有42頁\編輯于星期二大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometer)原理空氣的折射指數(shù)與感熱通量之間在理論上存在一個(gè)關(guān)系空氣折射指數(shù)用折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Cn2來描述其湍流強(qiáng)度Cn2是一個(gè)與溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)CT2相關(guān)的一個(gè)參數(shù)。對于近紅外波段，這個(gè)關(guān)系式可以表達(dá)為：AT為溫度對折射指數(shù)的相對貢獻(xiàn)T為空氣溫度β為波文比

p為大氣壓溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)空氣折射指數(shù)現(xiàn)在是23頁\一共有42頁\編輯于星期二大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometer)原理而溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)與感熱通量直接相關(guān)：有近似公式：zs發(fā)射光束高度d零平面位移LMO:Molin-Obukhov長度其中b=0.57溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)現(xiàn)在是24頁\一共有42頁\編輯于星期二大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometer)原理LAS由一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器組成，發(fā)射器發(fā)射某個(gè)波段的一個(gè)光束，這個(gè)光束的強(qiáng)度由于空氣湍流“閃爍”而發(fā)生改變，通過接收器獲取被改變的光強(qiáng)度光強(qiáng)的自然對數(shù)的協(xié)方差與空氣折射指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在如下關(guān)系(接收器和發(fā)射器的孔徑大小相同)：D為發(fā)射光束的直徑，L為光程長度現(xiàn)在是25頁\一共有42頁\編輯于星期二大尺度通量觀測:大孔徑閃爍儀特點(diǎn)測定發(fā)射器與接收器之間線狀區(qū)域平均的感熱通量是一種大尺度(一般可達(dá)5km)的通量觀測手段對潛熱通量的測定存在一定的問題現(xiàn)在是26頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)通量的組成與分割水汽通量：蒸發(fā)與蒸騰碳通量：光合碳與呼吸碳TranspirationAtmosphericVaporNetH2OexchangeSoilWaterSoilEvaporationStemWaterSoilsurfacePrecipitationAtmosphericCO2

Recycling(~7%ofrespiredCO2)SoilInvasionPhotosynthetic

uptakeRespiration現(xiàn)在是27頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)知識相同質(zhì)子數(shù)，而中子數(shù)不同的同一種元素稱為同位素氫：1H,2H(D),3H氧：16O,17O,18O碳：12C,13C,14C氮：14N,15N現(xiàn)在是28頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)知識同位素的分餾因重同位素和輕同位素在質(zhì)量和化學(xué)能上的差異，導(dǎo)致物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中，輕重同位素發(fā)生分餾，從而使得同位素含量發(fā)生改變同位素分餾的作用在于：(1)它導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中不同源庫的穩(wěn)定同位素比發(fā)生變化(2)它建立了一個(gè)同位素信號，可以反映元素循環(huán)中關(guān)鍵過程的存在方式或程度現(xiàn)在是29頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)知識同位素含量的表達(dá)(以18O為例)同位素比R同位素δ值N：元素的量(個(gè)數(shù))現(xiàn)在是30頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)知識同位素分餾過程的表達(dá)分餾系數(shù)α(fractionation)分餾系數(shù)ε(描述同位素的富集程度)發(fā)生同位素分餾作用后的同位素含量與發(fā)生分餾作用前的同位素含量之比定義為分餾系數(shù)ε>0意味著分餾過程在富集重同位素（同位素富集），ε<0意味著分餾過程在損耗重同位素（同位素貧化）A,B分別指物質(zhì)的兩種形態(tài)或者不同的兩種化合物現(xiàn)在是31頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)同位素基礎(chǔ)知識例：已知水的量為N，水中18O同位素的含量(同位素比)為18R，求水中18O的絕對量解：根據(jù)同位素比R的定義，有：由于18R遠(yuǎn)小于1，因此分母可以近似等于1，則有：該公式表明，某物質(zhì)同位素的量等于該物質(zhì)同位素比與該物質(zhì)總量的乘積現(xiàn)在是32頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)SPAC系統(tǒng)中的18O和13CTranspiration(d18O?-4‰)AtmosphericVapor(d18O?-13‰)NetH2Oexchange(d18O?-5‰)SoilWater(d18O?-4‰)SoilEvaporation(d18O?-31‰)StemWater(d18O?-4‰)LeafWater(d180?+14‰)Soilsurfacewater(d18O?+3‰)H218O,H16O,H216OPrecipitation(d18O?-4‰)AtmosphericCO2

(d18O?+41‰,d13C?-8‰)Recycling(~7%ofrespiredCO2)C18O16O,C16O2,

13CO2,

12CO2Soil(d18O?+30‰,d13C?-25‰)InvasionH2

18OPhotosynthetic

uptake(d18O?+18‰d13C?-26‰)Stem(d18O?+29‰,d13C?-26‰)Respiration現(xiàn)在是33頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)原理(以水汽通量為例)蒸散通量等于蒸發(fā)與蒸騰之和蒸散的同位素通量等于蒸發(fā)同位素通量與蒸騰同位素通量之和δT蒸騰水汽同位素含量，等于植物莖水同位素含量(穩(wěn)態(tài)假設(shè))δE蒸發(fā)水汽同位素含量，用Graig-Gordon模型計(jì)算δET蒸散水汽同位素含量，用KeelingPlot方法獲取現(xiàn)在是34頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)原理(以水汽通量為例)植物蒸騰的水同位素穩(wěn)態(tài)假設(shè)在某些情形下，進(jìn)入葉片的水的同位素組成與排出葉片的水(水汽)的同位素組成相等，這種情形稱之為植物蒸騰的同位素穩(wěn)態(tài)同位素穩(wěn)態(tài)在一個(gè)較長時(shí)間尺度時(shí)，或者蒸騰水汽量遠(yuǎn)大于葉片本身含水量，水汽交換(蒸騰速率)較大時(shí)，穩(wěn)態(tài)假設(shè)一般是成立的在短時(shí)間尺度，如小時(shí)或更短尺度，由于受各種環(huán)境因子的影響，蒸騰的同位素穩(wěn)態(tài)往往會受到影響，形成蒸騰過程的同位素非穩(wěn)態(tài)情形蒸騰水汽源水現(xiàn)在是35頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)原理(以水汽通量為例)Craig-Gordon模型模擬蒸發(fā)水汽同位素組成的模型蒸發(fā)的三個(gè)物理過程以及對應(yīng)的三個(gè)不同分餾過程1.液態(tài)水汽化形成飽和水汽層，以及對應(yīng)的平衡分餾過程2.水汽穿過界面的靜止空氣層的分子擴(kuò)散過程，以及對應(yīng)的分子擴(kuò)散分餾3.水汽通過湍流交換層的湍流擴(kuò)散過程以及對應(yīng)的湍流擴(kuò)散分餾現(xiàn)在是36頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)原理(以水汽通量為例)Craig-Gordon模型蒸發(fā)通量的阻力模式：水汽通量＝水汽濃度梯度/擴(kuò)散阻力對于總的水汽擴(kuò)散而言，水汽通量為：對于水汽重同位素的擴(kuò)散而言，同位素水汽通量為：hN空氣相對濕度，RL液態(tài)水同位素含量，RA空氣水汽同位素含量，αV/L平衡分餾系數(shù)，ρ總的水汽擴(kuò)散阻力，包括分子擴(kuò)散阻力ρM和湍流擴(kuò)散阻力ρT，i下標(biāo)指水穩(wěn)定同位素HDO或H218O現(xiàn)在是37頁\一共有42頁\編輯于星期二通量的精細(xì)分解測定:同位素技術(shù)原理(以水汽通量為例)Craig-Gordon模型n=1/2對于自然水面蒸發(fā)

=1對于土壤水和葉片水蒸發(fā)Θ=1對于小水面

=0.5-0.88

對于大水面18Δdi