空气动力学方法

空气动力学方法第一页，共十五页，编辑于2023年，星期日内容一、基本概念二、梯度法原理及计算三、梯度法的常用仪器设备第二页，共十五页，编辑于2023年，星期日一、基本概念什么是通量？在单位时间通过单位面积的垂直方向输送的动量、热量和物质的量称为通量密度（fluxdensity），通常简称为通量（flux）。常见的通量观测内容有CO2、H2O等物质通量以及显热、感热等能量通量。第三页，共十五页，编辑于2023年，星期日生态系统通量研究的主要方法

（1）微气象学法包括：涡度相关法；质量平衡法；能量平衡法；空气动力学法等空气动力学法指通过描述近地层气流的动力学特性，来解释各种能量和物质输送物理过程的微气象学方法。（2）箱式法分为静态箱法和动态箱法第四页，共十五页，编辑于2023年，星期日二、原理及计算一、相似性原理(1)近地面层的相似特征:近地面层中各气象要素的廓线相似;近地面层中各气象要素的脉动相似;近地面层的湍流状态是相似的。(2)近地面层的基本假定:近地面层中性层结下,普朗特混合长理论成立,风速随高度呈对数分布;Km≈KH;非中性层结下风廓线偏离对数规律;(3)莫宁(Monin)--奥布霍夫(Obukhov)稳定度长度:考虑到在非中性层结下表示湍流混合的主要特征量应类似于混合长l,并具有长度因次,莫宁与奥布霍夫应用因次分析法求出该特征量L的表达式。L即称为莫宁--奥布霍夫稳定度长度。二、微气象学原理

见参考教材“农业小气候形成的空气动力学基础”第五页，共十五页，编辑于2023年，星期日根据空气动力学理论,在近地层内的空气动力学粗糙面上,某一气体浓度(Cg)的垂直梯度可表示为

式中,Z是观测高度,Φg为该气体交换稳定度函数,U﹡为摩擦风速,K为卡曼常数,d为零平面位移，Fg为气体通量第六页，共十五页，编辑于2023年，星期日高度Z处,某一气体向上的输送通量可表示为:

Fg=ρg·kg·(dcg/dZ)

式中,kg是被测气体的湍流扩散系数,常借助于动量输送系数来确定.在中性大气条件下,热量扩散系数(kh)、动量扩散系数(km)和气体扩散系数(kg)可认为相等,kg可以从风廓线方程获得:

其中,U(Z)为高度Z处的风速,Z0

为表面粗糙度长度,U﹡摩擦风速.这样,测量风速和被测气体浓度的垂直梯度便可计算出高度Z处该气体的通量值.第七页，共十五页，编辑于2023年，星期日但在实际测量中,中性大气条件往往得不到满足,通常要求进行大气稳定度修正,即:根据Monin-Obukhov相似理论，实际大气中的动量、热量实际大气中的动量、热量和水汽交换稳定度函数均为稳定度参数Φ的函数,且可通过理查逊数Ri来表示：

Z/L=Ri（Ri＞0）Z/L=Ri/(1-5Ri)（Ri≤0）第八页，共十五页，编辑于2023年，星期日式中,g为重力加速度,θ为位温,Ri为正表示稳定大气,Ri为负表示不稳定大气.气体交换稳定度函数Φg通常使用由Dyer等修正的表达式稳定大气：Φg=（1-5Ri）-1

不稳定大气：Φg=（1-16Ri）-0.5

这样，在一般情况下，为获得某种气体的通量值，需要测量该气体的垂直梯度、温度梯度和温度梯度第九页，共十五页，编辑于2023年，星期日

计算Ri计算普适函数Φ计算摩擦速度u*和摩擦温度θ*计算大气稳定度ζ并将ζ与ζ0比较计算初始大气稳定度ζ0计算通量不收敛令ζ=ζ0收敛迭代计算的方法第十页，共十五页，编辑于2023年，星期日系统主要包括（1）气体采样部分采集各高度下的CO2和H2O的样本，右图中的采样梯度为8层（2）气体分析部分主要指红外CO2/H2O分析仪（3）数据采集器用于数据采集、存储以及整个系统的控制（4）梯度塔以及其它附件用于系统安装

第十一页，共十五页，编辑于2023年，星期日LI7000红外气体分析仪

CO2分析器的技术指标

类型：差分，非扩散式固态检测器

CO2滤波器波长：4.255μm

测量范围：0-3000ppm

精确度：1%

零点漂移：±0.3ppm/℃

量程漂移：读数±0.2%/℃

水分敏感性：＜0.1ppmCO2/mmol/molH2O

压力范围：0-115Kpa，绝对值

分辨率：0.1μmolmol-1

H2O分析器技术指标

类型：差分，非扩散式固态检测器

H2O滤波器波长：2.595μm

测量范围：0~60mmol/mol，需保持光具座和内部连接软管在露点温度以上

精确度：1%

零点漂移：±0.2mmol/mol

第十二页，共十五页，编辑于2023年，星期日LI840红外气体分析仪

CO2分析器H2O分析器量程0~3000ppm0~80ppt准确度优于读数的1.5%1.5%校准漂移零点漂移<0.15ppm/°C<0.003ppt/°C量程漂移<0.03%/°C10ppt<0.03%