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.
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.
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.