Введение

Ковариантность вихря (также известная как корреляция вихря и вихревой поток) — ключевая техника измерения в атмосфере, предназначенная для измерения и расчета вертикальных турбулентных потоков в пределах атмосферных пограничных слоев. Метод анализирует высокочастотные временные ряды данных о ветре и скалярных атмосферных параметрах, таких как газы, энергия и импульс, что позволяет получить значения потоков этих свойств. Это статистический метод, используемый в метеорологии и других областях (микрометеорология, океанография, гидрология, сельскохозяйственные науки, промышленное и регулирующее применение и т. д.) для определения скорости обмена трассировочными газами в природных экосистемах и сельскохозяйственных угодьях, а также для количественной оценки скорости выбросов газов с других наземных и водных территорий. Он часто используется для оценки потоков импульса, тепла, водяного пара, углекислого газа и метана. Эта техника также широко применяется для верификации и настройки глобальных климатических моделей, мезомасштабных и погодных моделей, сложных биогеохимических и экологических моделей, а также оценок, полученных с помощью дистанционного зондирования со спутников и самолетов. Метод математически сложен и требует большой аккуратности при настройке и обработке данных. На сегодняшний день не существует единой терминологии или методологии для техники ковариантности вихря, однако сети измерения потоков (например, FluxNet, Ameriflux, ICOS, CarboEurope, Fluxnet Canada, OzFlux, NEON и iLEAPS) прилагают значительные усилия для унификации различных подходов. Кроме того, эта техника успешно применяется под водой в бентальной зоне для измерения потоков кислорода между морским дном и надлежащей водой. В этих условиях техника обычно называется техникой вихревой корреляции или просто корреляцией вихря. Потоки кислорода извлекаются из исходных измерений, в основном следуя тем же принципам, что и в атмосфере, и обычно используются в качестве прокси для обмена углеродом, что важно для локальных и глобальных углеродных бюджетов. Для большинства бентальных экосистем корреляция вихря является наиболее точным методом измерения потоков in situ. Разработка и применение этой техники под водой остается перспективной областью исследований.

Представление воздушного потока в предельном слое атмосферы

Поток воздуха можно представить как горизонтальное течение множества вращающихся вихрей, то есть турбулентных водоворотов различных размеров, каждый из которых имеет горизонтальные и вертикальные составляющие. Картина выглядит хаотичной, но вертикальное движение этих составляющих можно измерить с помощью башни.

Физическое значение

В одной физической точке на башне, в момент времени 1, вихрь 1 перемещает воздушный пакет c1 вниз со скоростью. Затем, в момент времени 2, вихрь 2 перемещает воздушный пакет c2 вверх со скоростью. Каждый пакет обладает концентрацией газа, давлением, температурой и влажностью. Если эти факторы, вместе со скоростью, известны, мы можем определить поток. Например, если бы было известно, сколько молекул воды переместилось вниз с вихрями в момент времени 1, и сколько молекул поднялось с вихрями в момент времени 2, в одной и той же точке, можно было бы рассчитать вертикальный поток воды в этой точке за указанный промежуток времени. Таким образом, вертикальный поток можно представить как ковариацию вертикальной скорости ветра и концентрации интересующего вещества.

Резюме

3D ветер и другая переменная (обычно концентрация газа, температура или импульс) раскладываются на средние и флуктуирующие компоненты. Ковариация вычисляется между флуктуирующей составляющей вертикального ветра и флуктуирующей составляющей концентрации газа. Измеренный поток пропорционален ковариации. Площадь, из которой исходят обнаруженные вихри, описывается вероятностно и называется областью влияния потока. Область влияния потока динамична по размеру и форме, изменяется в зависимости от направления ветра, термической стабильности и высоты измерений, и имеет размытую границу. Влияние расстояния между датчиками, конечной длины выборки, усреднения по пути звука, а также других инструментальных ограничений, сказывается на частотной характеристике измерительной системы и может потребовать коспектральной коррекции, особенно заметной при использовании замкнутых систем и на небольших высотах ниже 1–1,5 м.

Математические основы

В математическом выражении "вихревой поток" вычисляется как ковариация между мгновенным отклонением вертикальной скорости ветра от среднего значения и мгновенным отклонением концентрации газа, молярной доли, от её среднего значения, умноженная на среднюю плотность воздуха. Для перехода от физически полных уравнений турбулентного потока к практическим уравнениям для вычисления "вихревого потока" требуется ряд математических операций и допущений, включая разложение Рейнольдса, что показано ниже.

Эвапотранспирация

Дистанционное зондирование – это метод моделирования эвапотранспирации, основанный на использовании энергетического баланса и скрытой теплоты для определения интенсивности эвапотранспирации. Эвапотранспирация (ЭТ) является частью круговорота воды в природе, и точные измерения ЭТ необходимы для локальных и глобальных моделей управления водными ресурсами. Значения ЭТ играют важную роль в исследованиях в области гидрологии и смежных дисциплин, а также в сельскохозяйственной практике. MOD16 – пример алгоритма, наиболее точно определяющего ЭТ для умеренных климатических зон.

Микрометеорология

Микрометеорология фокусирует изучение климата на масштабе конкретного растительного яруса, что также находит применение в гидрологических и экологических исследованиях. В этом контексте метод ковариации вихрей может использоваться для измерения тепломассового потока в приземном слое атмосферы или в пограничном слое, окружающем растительный покров. Эффекты турбулентности, например, могут представлять особый интерес для разработчиков климатических моделей или исследователей местной экосистемы. Скорость ветра, турбулентность и концентрация массы (тепла) – это параметры, которые могут быть зарегистрированы на мачтовой станции потоков. На основе измерений, связанных со свойствами ковариации вихрей, эмпирически могут быть рассчитаны такие характеристики, как коэффициенты шероховатости, что находит применение в моделировании.

Экосистемы водно-болотных угодий

Растительность водно-болотных угодий сильно различается и экологически варьируется в зависимости от вида растений. Жизнедеятельность основных растений в водно-болотных угодьях можно отслеживать с помощью технологии ковариации вихрей, в сочетании с данными о поступлении питательных веществ, путем измерения чистых потоков CO2 и H2O. Наблюдения с помощью потоковых башен можно проводить в течение нескольких лет для определения, в том числе, эффективности использования воды.

Парниковые газы и их эффект потепления

Потоки парниковых газов от растительности и сельскохозяйственных угодий могут измеряться методом ковариации вихрей, как описано в разделе о микрометеорологии выше. Измеряя вертикальный турбулентный поток газообразных состояний H2O, CO2, тепла и CH4, а также других летучих органических соединений, мониторинговое оборудование позволяет оценить взаимодействие растительного покрова с атмосферой. На основе этих данных можно делать обобщающие выводы о ландшафте в целом. Высокая стоимость эксплуатации, погодные ограничения (некоторое оборудование лучше приспособлено к определенным климатическим условиям) и связанные с этим технические ограничения могут снижать точность измерений.

Производство растительности в наземных экосистемах

Модели продуктивности растительности требуют точных наземных наблюдений, в данном случае полученных с помощью измерений ковариантных потоков вихрей. Метод ковариации вихрей используется для измерения чистого первичного производства и валового первичного производства растительных популяций. Достижения в технологиях позволили регистрировать незначительные колебания, что привело к измерениям воздушных масс и энергии в масштабе от 100 до 2000 метров. Изучение круговорота углерода в растительных сообществах и их продуктивности имеет жизненно важное значение как для агрономов, так и для ученых. Используя эти данные, можно наблюдать за потоком углерода между экосистемами и атмосферой, что находит применение в различных областях, от изучения изменения климата до разработки моделей погоды.

Расслабленное накопление вихрей

Основное различие между методом накопления вихря и методом расслабленного накопления вихря заключается в том, что последний отбирает пробы воздуха с постоянной скоростью потока, не зависящей от вертикальной скорости ветра.