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1、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,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),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,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
2、交换量,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,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,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,自然代表性不够应用范围相对较窄,优点,缺点,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,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
3、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,假设Kh=Kv，微分变差分,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,波文比-能量平衡方法,观测原理,观测净辐射和波文比，就能计算获得感热通量和潜热通量,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。,3. 平流,水平方向上的能量交换,波文比-能量平衡方法,波文比方法的误差来源及其避免,提高仪器测量精度，及时维护保养,风浪区
4、长度应该在是仪器安装高度的100倍以上,1. 平流影响,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,涡度相关方法,原理,对于一个不断变化的量，它可以分解为两部分：,u为瞬时值，u为一段时间的平均值，u为脉动值,1. 平均值与脉动值,涡度相关方法,原理,2. Reynolds平均法则,涡度相关方法,原理,3. 涡度相关的两个假定,平均垂直风速为0,其中u，w分别为水平和垂直风速，v为物质浓度(密度),水平方向上通量的输入与输出相等,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,涡度相关方法,原理,4. 涡度相关(Eddy Covariance/Cor
5、relation, EC),已知相互关联的变量A,B之间的协方差可以表述为：,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,涡度相关方法,动量、热量和水汽通量,动量通量：,感热通量：,水汽通量：,q为空气比湿,Baldocchi et al, 1988, Ecology, 69:1331-1340,涡度相关方法,系统主要组成,(1)超声风速仪10Hz频谱空气运动及其速度的三维测量,(2)湿度仪测量水汽浓度,(3)CO2气体分析仪测量CO2浓度,涡度相关方法,系统主要组成,涡度相关方法,系统主要组成,大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪,大孔径闪烁仪(Large Aperture Sci
6、ntillometer)原理,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：,AT为温度对折射指数的相对贡献 T为空气温度为波文比 p为大气压,温度结构参数,空气折射指数,大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪,大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理,而温度结构参数与感热通量直接相关：,有近似公式：,zs 发射光束高度d 零平面位移LMO:Molin-Obukhov长度,其中b=0.57,温度结构参数,大尺度通量观测: 大
7、孔径闪烁仪,大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)原理,LAS由一个发射器和一个接收器组成，发射器发射某个波段的一个光束，这个光束的强度由于空气湍流“闪烁”而发生改变，通过接收器获取被改变的光强度,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,特点,测定发射器与接收器之间线状区域平均的感热通量是一种大尺度(一般可达5km)的通量观测手段对潜热通量的测定存在一定的问题,通量的精细分解测定:同位素技术,通量的组成与分割,水汽通量：蒸发与蒸腾,碳通量
8、：光合碳与呼吸碳,Transpiration,Atmospheric Vapor,Net H2O exchange,Soil Water,Soil Evaporation,Stem Water,Soil surface,Precipitation,Atmospheric CO2,Recycling(7% of respired CO2),Soil,Invasion,Photosynthetic uptake,Respiration,通量的精细分解测定:同位素技术,同位素基础知识,相同质子数，而中子数不同的同一种元素称为同位素,氢：1H, 2H(D), 3H氧：16O, 17O, 18O碳：12
9、C, 13C, 14C氮：14N, 15N,通量的精细分解测定:同位素技术,同位素基础知识,同位素的分馏,因重同位素和轻同位素在质量和化学能上的差异，导致物质运动过程当中，轻重同位素发生分馏，从而使得同位素含量发生改变,同位素分馏的作用在于：(1)它导致生态系统中不同源库的稳定同位素比发生变化(2)它建立了一个同位素信号，可以反映元素循环中关键过程的存在方式或程度,通量的精细分解测定:同位素技术,同位素基础知识,同位素含量的表达(以18O为例),同位素比R,同位素值,N：元素的量(个数),通量的精细分解测定:同位素技术,同位素基础知识,同位素分馏过程的表达,分馏系数(fractionation
10、),分馏系数(描述同位素的富集程度),发生同位素分馏作用后的同位素含量与发生分馏作用前的同位素含量之比定义为分馏系数,0意味着分馏过程在富集重同位素（同位素富集）， 0意味着分馏过程在损耗重同位素（同位素贫化）,A, B分别指物质的两种形态或者不同的两种化合物,通量的精细分解测定:同位素技术,同位素基础知识,例：已知水的量为N，水中18O同位素的含量(同位素比)为18R，求水中18O的绝对量,解：根据同位素比R的定义，有：,由于18R远小于1，因此分母可以近似等于1，则有：,该公式表明，某物质同位素的量等于该物质同位素比与该物质总量的乘积,通量的精细分解测定:同位素技术,SPAC系统中的18O
11、和13C,通量的精细分解测定:同位素技术,原理(以水汽通量为例),蒸散通量等于蒸发与蒸腾之和,蒸散的同位素通量等于蒸发同位素通量与蒸腾同位素通量之和,T 蒸腾水汽同位素含量，等于植物茎水同位素含量(稳态假设)E 蒸发水汽同位素含量，用Graig-Gordon模型计算ET 蒸散水汽同位素含量，用Keeling Plot方法获取,通量的精细分解测定:同位素技术,原理(以水汽通量为例),植物蒸腾的水同位素稳态假设,在某些情形下，进入叶片的水的同位素组成与排出叶片的水(水汽)的同位素组成相等，这种情形称之为植物蒸腾的同位素稳态同位素稳态在一个较长时间尺度时，或者蒸腾水汽量远大于叶片本身含水量，水汽交换
12、(蒸腾速率)较大时，稳态假设一般是成立的在短时间尺度，如小时或更短尺度，由于受各种环境因子的影响，蒸腾的同位素稳态往往会受到影响，形成蒸腾过程的同位素非稳态情形,蒸腾水汽,源水,通量的精细分解测定:同位素技术,原理(以水汽通量为例),Craig-Gordon模型,模拟蒸发水汽同位素组成的模型,蒸发的三个物理过程以及对应的三个不同分馏过程1.液态水汽化形成饱和水汽层，以及对应的平衡分馏过程2.水汽穿过界面的静止空气层的分子扩散过程，以及对应的分子扩散分馏3.水汽通过湍流交换层的湍流扩散过程以及对应的湍流扩散分馏,通量的精细分解测定:同位素技术,原理(以水汽通量为例),Craig-Gordon模型
13、,蒸发通量的阻力模式：水汽通量水汽浓度梯度/扩散阻力,对于总的水汽扩散而言，水汽通量为：,对于水汽重同位素的扩散而言，同位素水汽通量为：,hN空气相对湿度，RL液态水同位素含量，RA空气水汽同位素含量，V/L平衡分馏系数，总的水汽扩散阻力，包括分子扩散阻力M和湍流扩散阻力T，i下标指水稳定同位素HDO或H218O,通量的精细分解测定:同位素技术,原理(以水汽通量为例),Craig-Gordon模型,n=1/2 对于自然水面蒸发 =1 对于土壤水和叶片水蒸发=1对于小水面 =0.5-0.88 对于大水面18diff = -28.52diff = -25.1,通量的精细分解测定:同位素技术,原理(
14、以水汽通量为例),Keeling Plot方法,近地层空气水汽被认为是周围空气水汽与地表蒸散水汽的混合物，因此有质量平衡方程:,这里qm为某一高度的水汽浓度，qa为周围空气(上风向空气)的水汽浓度(比湿)，qET为地表蒸散(包括植物蒸腾和土壤蒸发)水汽浓度(比湿)则水汽中稳定同位素成分(HDO,H218O)的质量平衡可以写作：,水汽同位素含量与水汽浓度的倒数为线性关系，且截距为ET的同位素含量,通量的精细分解测定:同位素技术,原理(以水汽通量为例),Keeling Plot方法,Keeling Plot曲线河北栾城，冬小麦田，2008,通量的精细分解测定:同位素技术,水汽同位素的观测方法,1.
15、 传统方法,野外通过冷阱装置提取水汽样，带入实验室，用同位素质谱仪分析,2. 原位连续测定技术TDLAS,一种在野外进行原位的连续实施测定分析水汽同位素的仪器,通量的精细分解测定:同位素技术,水汽同位素的观测方法,2. 原位连续测定技术TDLAS,通量的精细分解测定:同位素技术,水汽同位素的观测方法,3. 同位素观测技术的新发展,美国LGR公司生产的系列同位素分析仪器,特点：不需要参照标准样品，可连续现场测量 测量得到的是同位素比率R,该系统应用光腔衰荡光谱技术 (CRDS)。光腔衰荡光谱技术是近年来发展起来的一种全新的激光吸收光谱技术，它变传统吸收光谱中对光强绝对值的测量为对光强衰减时间的测量，从而避免了光强波动对测量结果的影响。通过光脉冲在谐振腔中的多次反射，可获得极长的吸收程，大大提高了检测灵敏度。采用连续光源的连续波光腔衰荡光谱更具有极高的光谱分辨率和探测灵敏度。,通量的精细分解测定:同位素技术,水汽同位素的观测方法,3. 同位素观测技术的新发展,液态水同位素分析仪,气态水同位素分析仪,甲烷同位素分析仪,CO2同位素分析仪,
