Атмосфералық ағын өлшеу әдісі

Кіріспе

Атмосфералық өлшеу техникасы

Эдди коварианты (сондай-ақ эдди корреляциясы және эдди ағыны деп те аталады) – атмосфералық шекаралық қабаттардағы тік турбулентті ағындарды өлшеу және есептеуге арналған маңызды атмосфералық өлшеу техникасы. Бұл әдіс жоғары жиілікті жел және скалярлық атмосфералық деректер қатарын, газ, энергия және импульсті талдайды, нәтижесінде осы қасиеттердің ағынының шамалары шығады. Бұл метеорология және басқа да салаларда (микрометеорология, океанография, гидрология, ауыл шаруашылығы ғылымдары, өнеркәсіптік және реттеу салалары және т.б.) қолданылатын статистикалық әдіс. Ол табиғи экожүйелер мен егістік алқаптарындағы ізгі газдардың алмасу деңгейін анықтауға және басқа жер мен су аумақтарынан газ шығару мөлшерін өлшеуге мүмкіндік береді. Көбінесе импульс, жылу, су буы, көмірқышқыл газ және метан ағынын бағалау үшін қолданылады. Бұл техника сондай-ақ жаһандық климат модельдерін, мезомасштабты және ауа райы модельдерін, күрделі биогеохимиялық және экологиялық модельдерді, сондай-ақ спутниктер мен ұшақтардан алынған қашықтықтан зондтау деректерін тексеру және түзету үшін кеңінен қолданылады. Әдіс математикалық тұрғыдан күрделі және деректерді орнату мен өңдеуде үлкен сақтықтық талап етеді. Бүгінгі күні эдди коварианты техникасы үшін бірыңғай терминология немесе әдістеме жоқ, бірақ ағын өлшеу желілері (мысалы, FluxNet, Ameriflux, ICOS, CarboEurope, Fluxnet Canada, OzFlux, NEON және iLEAPS) әртүрлі тәсілдерді біріктіру үшін көп күш жұмсап жатыр. Бұл техника сонымен қатар теңіз түбіндегі бентоникалық аймақта су астында қолданылып, теңіз түбі мен үстіңгі су арасындағы оттегі ағынын өлшеуге мүмкіндік береді. Мұндай ортада бұл техника әдетте эдди корреляциясы техникасы деп аталады немесе жай ғана эдди корреляциясы деп айтылады. Оттегі ағыны атмосферада қолданылатын принциптерге ұқсас, шикі өлшемдерден алынады және көбінесе жергілікті және жаһандық көміртек бюджетінде маңызды рөл атқаратын көміртек алмасуының көрсеткіші ретінде қолданылады. Көптеген бентос экожүйелері үшін эдди корреляциясы – in situ ағынын өлшеудің ең дәл әдісі болып табылады. Техниканы дамыту және су астындағы қолдану саласы зерттеулер үшін әлі де жемісті аймақ болып табылады.

The eddy covariance (also known as eddy correlation and eddy flux) is a key atmospheric measurement technique to measure and calculate vertical turbulent fluxes within atmospheric boundary layers. The method analyses high frequency wind and scalar atmospheric data series, gas, energy, and momentum, which yields values of fluxes of these properties. It is a statistical method used in meteorology and other applications (micrometeorology, oceanography, hydrology, agricultural sciences, industrial and regulatory applications, etc.) to determine exchange rates of trace gases over natural ecosystems and agricultural fields, and to quantify gas emissions rates from other land and water areas. It is frequently used to estimate momentum, heat, water vapour, carbon dioxide and methane fluxes. The technique is also used extensively for verification and tuning of global climate models, mesoscale and weather models, complex biogeochemical and ecological models, and remote sensing estimates from satellites and aircraft. The technique is mathematically complex, and requires significant care in setting up and processing data. To date, there is no uniform terminology or a single methodology for the eddy covariance technique, but much effort is being made by flux measurement networks (e. g., FluxNet, Ameriflux, ICOS, CarboEurope, Fluxnet Canada, OzFlux, NEON, and iLEAPS) to unify the various approaches. The technique has additionally proven applicable under water to the benthic zone for measuring oxygen fluxes between the sea floor and overlying water. In these environments, the technique is generally known as the eddy correlation technique, or just eddy correlation. Oxygen fluxes are extracted from raw measurements largely following the same principles as used in the atmosphere, and they are typically used as a proxy for carbon exchange, which is important for local and global carbon budgets. For most benthic ecosystems, eddy correlation is the most accurate technique for measuring in situ fluxes. The technique's development and its applications under water remains a fruitful area of research.

Атмосфералық шекаралық қабаттағы ауа ағынының бейнеленуі

Ауа ағынын көптеген айналатын құйындардың көлденең ағыны ретінде көзге елестетуге болады, яғни түрлі өлшемдегі турбуленттік құйындар, олардың әрқайсысы көлденең және тік компоненттерге ие. Бұл жағдай хаотикалық сияқты көрінеді, бірақ компоненттердің тік қозғалысын мұнарадан өлшеу мүмкін.

Физикалық мағынасы

Мұнараның бір физикалық нүктесінде, 1 уақыт мезгілінде, 1 айналым c1 ауа тіркемесін белгілі бір жылдамдықпен төменге жылжытады. Содан кейін, 2 уақыт мезгілінде, 2 айналым c2 тіркемесін сол жылдамдықпен жоғары жылжытады. Әр тіркемеде газ концентрациясы, қысым, температура және ылғалдылық болады. Егер осы факторлар, сондай-ақ жылдамдық белгілі болса, ағынды анықтауға болады. Мысалы, егер 1 уақыт мезгілінде қанша су молекуласы айналыммен төмен қарай жылжығанын және 2 уақыт мезгілінде қанша молекула айналыммен жоғары көтерілгенін білсек, осы нүктеде осы уақыт аралығында судың тік ағынын есептеуге болады. Осылайша, тік ағынды тік жел жылдамдығының және қызығушылық тудыратын заттың концентрациясының ковариациясы ретінде көрсетуге болады.

Қорытынды

3D жел және тағы бір айнымалы (әдетте газ концентрациясы, температура немесе импульс) орташа және құбылу компоненттеріне жіктеледі. Вертикаль желдің құбылу компоненті мен газ концентрациясының құбылу компоненті арасындағы ковариация есептеледі. Өлшенген ағын ковариацияға пропорционал. Байқалған құйынның пайда болатын аймағы ықтималдық тұрғысынан сипатталады және ағын іздері деп аталады. Ағын іздерінің ауданы мен пішіні динамикалық, жел бағытына, жылулық тұрақтылығына және өлшеу биіктігіне байланысты өзгереді және біртіндеп шекараға ие. Датчиктердің арақашықтығының әсері, шектеулі сынама ұзындығы, дыбыс жолының орташалауы, сондай-ақ басқа да құралдық шектеулер өлшеу жүйесінің жиілік жауабына әсер етеді және спектральды түзетуді қажет етуі мүмкін, әсіресе жабық жүйелі құралдармен және 1-ден 1,5 метрге дейінгі төмен биіктіктерде бұл айқын байқалады.

Математикалық негіз

Математикалық тұрғыдан алғанда, "тұмсықты ағыс" – тік жел жылдамдығының орташа мәнінен бірден ауытқуы мен газ концентрациясының, араласу қатынасының орташа мәнінен бірден ауытқуы арасындағы ковариация, орташа ауа тығыздығына көбейтілген шама ретінде есептеледі. Тұрбулентті ағыстың физикалық толық теңдеулерінен "тұмсықты ағысты" есептеуге арналған практикалық теңдеулерге жету үшін, Рейнольдс ыдырауы сияқты бірнеше математикалық операциялар мен болжамдар қолданылады, бұл төменде көрсетілген.

Эвапотранспирация

Қашықтан зондтау – энергия балансы мен жасырын жылу ағынын қолданып, булануды модельдеу арқылы булану-тершілу жылдамдығын анықтау тәсілі. Булану-тершілу (ЭТ) су айналымының бір бөлігі болып табылады, ал ЭТ-нің дәл өлшемдері су ресурстарын басқару үшін жергілікті және жаһандық модельдер үшін маңызды. ЭТ деңгейлері гидрология және оған қатысты салалардағы зерттеулерде, сондай-ақ егін шаруашылығы тәжірибелерінде маңызды рөл атқарады. MOD16 – орташа белдеу климаты үшін ЭТ-ні ең жақсы өлшейтін бағдарламаның мысалы.

Микрометеорология

Микрометеорология климатты зерттеуді нақты өсімдік жапқышы деңгейінде шоғырландырады, бұл гидрологиялық және экологиялық зерттеулерге де қолданылады. Осы контексте, тұмандық ковариация шекаралық бет қабатындағы немесе өсімдік жапқышының айналасындағы шекаралық қабаттағы жылу және масса ағынын өлшеу үшін қолданылуы мүмкін. Түрбуленцияның әсері, мысалы, климатты модельдеушілерге немесе жергілікті экожүйені зерттеушілерге ерекше қызығушылық тудыруы мүмкін. Жел жылдамдығы, түрбуленттілік және массалық (жылу) концентрациясы – бұл флюс мұнарасында тіркелетін шамалар. Тұмандық ковариацияның қасиеттерімен байланысты өлшеулер арқылы, мысалы, дөрекілік коэффициенттері модельдеуге қолданылатын эмпирикалық жолмен есептелуі мүмкін.

Сулы-жауынды жерлер экожүйелері

Сулы-батпақты жерлердегі өсімдіктер әртүрлі және экологиялық тұрғыдан әр түрлі болады. Батпақты жерлердегі негізгі өсімдіктердің өмір сүруін, таза СО2 және Н2О ағындарын бақылаумен қатар, қоректік заттармен қамтамасыз ету туралы ақпаратты пайдалана отырып, вихрьтік ковариация технологиясы арқылы бақылауға болады. Суды тиімді пайдалануды анықтау үшін бірнеше жыл бойы ағын мұнараларынан өлшемдер алуға болады.

Парниктік газдар және олардың жылыну әсері

Өсімдіктер мен егіс далаларынан шығатын парниктік газдар ағыны жоғарыдағы микрометеорология бөлімінде сипатталғандай, айналу ковариациясы арқылы өлшенеді. H2O, CO2, жылу және CH4 сияқты газдардың, сондай-ақ басқа ұшпалы органикалық қосылыстардың тік турбулентті ағынын өлшеу арқылы мониторингтік жабдықтардың көмегімен жапырақ қаптамасымен (канопе) өзара әрекеттесуді анықтауға болады. Осы деректерді пайдаланып, кең аумақтық тұжырымдар жасау мүмкін. Жоғары операциялық шығындар, ауа-райының шектеулері (кейбір жабдықтар нақты климат жағдайларына арналған) және осыған байланысты техникалық шектеулер өлшеулердің дәлдігін төмендетуі мүмкін.

Құрлықтық экожүйелердегі өсімдік шаруашылығы

Өсімдік өндірісінің модельдеріне дәл жер бетіндегі бақылаулар қажет, осы ретте бұрандалы ковариациялық ағын өлшеулері маңызды. Бұрандалы ковариация таза біріншілік өнімділік пен өсімдік популяцияларының жалпы біріншілік өнімділігін өлшеу үшін қолданылады. Технологияның жетістіктері 100-2000 метрлік ауқымда ауа массасы мен энергияның шағын өзгерістерін өлшеуге мүмкіндік берді. Жасыл өсімдіктердің өсуі мен өндірісіндегі көміртегі айналымын зерттеу өсірушілер де, ғалымдар да үшін өте маңызды. Мұндай ақпаратты қолдану арқылы экожүйелер мен атмосфера арасындағы көміртегі ағынын бақылауға болады, бұл қолданыстары климаттың өзгеруінен бастап ауа райы модельдеріне дейін жетеді.

Әуесқойлық айналым жинақталуы

Шынайы және бос бұрқасын жинақтау әдісінің басты айырмашылығы – екіншісі ауаны желдің тік жылдамдығына пропорционал емес, тұрақты ағын жылдамдығымен сынап алады.