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
H E
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
HcpKh
dT dz
EPKv
de dz
假设Kh=Kv，微分变差 分
cpP Kh dT Kv de
i0
w'v'
N 1
Fw 'v'1N (w iw )(v i v) i0
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
中国科学院地理科学与资源研究所中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心 袁国富
涡度相关方法
动量、热量和水汽通量
动量通量：
w'u'
感热通量：
H cp w'T'
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交换量
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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 PI G2 ETL ETPI (G1 G2)L ETG1 G2
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
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示意图
外观
大型蒸渗仪方法
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《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
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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)
F
u2ρv2
F ( w w ' )( v v ' )
(w
v
w
' v
w
' v
w
' v')
w v w v' w ' v w ' v'
w v w v' w ' v w ' v'
w v w ' v'
w ' v '
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示意图
内部构造
大型蒸渗仪方法
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优缺点
大型蒸渗仪方法
优点 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
缺点
自然代表性不够 应用范围相对较窄
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3. 平流 水平方向上的能量交换
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波文比-能量平衡方法 波文比方法的误差来源及其避免
1. 平流影响 风浪区长度应该在是仪器安装高度的100倍以上
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 提高仪器测量精度，及时维护保养
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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。
水汽通量：
E w'q'
q为空气比湿 Baldocchi et al, 1988, Ecology, 69:1331-1340
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原理
涡度相关方法
4. 涡度相关(Eddy Covariance/Correlation, EC)
已知相互关联的变量A,B之间的协方差可以表述为：
N1
C(o A ,B v)1N (A iA )B (iB) i0
N1
Co
v(w,
v
)
1 N
(wi w)(vi v)
i0
N1
1 N
wi' vi '
u1ρv1
பைடு நூலகம்
F
u2ρv2
✓平均垂直风速为0
w0
其中u，w分别为水平和垂直风速，ρv为物质浓度(密度)
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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 F wv
w1ρv
w1’ρv’
www'
v v v'
u1ρv1
cpP T e
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
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波文比-能量平衡方法 观测原理
R nHEG
H E
E Rn G 1
H (Rn G) 1
观测净辐射和波文比，就能计算获得 感热通量和潜热通量
涡度相关方法
2. Reynolds平均法则
u u
u' 0
uw uw u'wu'w0 uwuwu'w'
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涡度相关方法
原理
3. 涡度相关的两个假定
✓水平方向上通量的输入与输 出相等
u1 v1u2 v2
w1ρv
w1’ρv’
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原理
涡度相关方法
1. 平均值与脉动值
对于一个不断变化的量， 它可以分解为两部分：
uuu'
u为瞬时值，u为一段时间 的平均值，u’为脉动值
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原理
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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
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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