《陆地表层系统野外实验原理与方法》—地表通量观测方法和基本原理

1、陆地表层系统野外实验原理与方法地表通量观测方法和基本原理地-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交换量大型蒸渗仪方法原理Lysimeter：蒸

2、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

3、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

4、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u1v1u2v2w1vw1vF3. 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u1v1u2v2w1vw1vF3. 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/Correlation, 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

5、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大尺度通量观测: 大孔径闪烁仪大孔径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer)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

6、。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温度结构参数大尺度通量观测: 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

7、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：光合碳与呼吸碳TranspirationAtmospheric VaporNet H2O exchangeSoil WaterSoil EvaporationStem WaterSoil surfacePrecipitationA

8、tmospheric CO2 Recycling(7% of respired CO2)Soil InvasionPhotosynthetic uptakeRespiration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：12C, 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

9、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)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

10、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和13CTranspiration (d18O -4 ) Atmospheric Vapor (d18O -13) Net H2O exchange(d18O -5)Soil Water (d18O -4) Soil Evaporation (d18O -31) Stem Water (d18O -4) Leaf W

11、ater (d180 +14)Soil surface water (d18O +3) H218O, H16O, H216OPrecipitation(d18O -4)Atmospheric CO2 (d18O+41, d13C-8)Recycling(7% of respired CO2)C18O16O, C16O2 , 13CO2 , 12CO2Soil (d18O+30, d13C-25) InvasionH2 18OPhotosynthetic uptake(d18O +18d13C-26)Stem (d18O+29, d13C-26)Respiration通量的精细分解测定:同位素技

12、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(蒸腾速率)较大时，稳态假设一般是成立的在短时间尺度，

13、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

14、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 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(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

15、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. 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