计算不可压缩流的涡度法的收敛性问题

关于涡度法的起源可以追溯到1931年Rosenhead用点涡法计算二维涡流。但是在随后很长时间内没有新的进展。直到70年代,随着计算机的发展,涡度法才迅速地发展起来,以致现在成为不可压缩流计算的重要方法之一。 在涡度法中不使用固定的网格,而考察一个个大小不等的涡团的运动及其相互作用。

基于涡度相关法的不同生态系统碳通量研究进展

农田生态系统是一个受到人类活动影响最大的系统,其碳源/汇评估一直是全球碳循环领域的研究热点;湿地是一种集水陆两大特性于一体的生态系统,其在维护生物多样性、减少温室效应、提供水资源、观光与旅游等方面起着举足轻重的作用;森林生态系统是全球碳循环的关键环节。本文综述了以涡度相关法为手段对各个生态系统碳通量的研究进展,为涡度相关法与各个生态系统碳通量研究提供参考。

高塔涡度相关观测长三角农业区CO_(2)通量变化特征及影响因素

人类活动对景观尺度农业下垫面的CO_(2)收支有着不可忽视的影响,明确在人类活动影响下景观尺度农业区CO_(2)通量的变化特征及影响因素对增汇减排策略的制定具有重要的意义。使用高塔涡度相关法对长三角地区一处农业区CO_(2)通量开展连续观测以明确其源汇特征及影响因子。结果表明:该农业区CO_(2)通量在春夏秋季表现为白天吸收CO_(2),夜间排放CO_(2)的日变化动态,三个季节CO_(2)通量的变化范围分别为-0.15—0.14、-0.60—0.28、-0.21—0.19 mg m^(-2)s^(-1),冬季则表现为全天排放CO_(2),日变化范围为0—0.14 mg m^(-2)s^(-1)。每年的6—11月CO_(2)吸收明显,其余时间段以排放为主,吸收峰值和排放峰值分别出现在每年的8月和11月,多年均值分别为-0.14、0.08 mg m^(-2)s^(-1)。研究区2019—2021年表现为一个逐年上升的大气碳源,CO_(2)通量年总量均值为(142.73±99.01)gC m^(-2)a^(-1)。在半小时尺度上光量子通量密度(PPFD)、10 cm处土壤温度(Ts)以及饱和水汽压差是影响CO_(2)收支的关键环境要素,日尺度上PPFD、Ts是主要控制因子,月尺度上,Ts是最为重要的影响因素,同时降雨量以及归一化植被指数也影响着CO_(2)通量。经人为CO_(2)开源数据清单得到的通量塔15 km范围内人为CO_(2)排放量为(429.7±30.01)gC m^(-2)a^(-1),抵消了该农业区稻田、森林等自然生态系统的碳汇作用。

关于三维涡度法的一点注记

涡度法是不可压缩流动数值模拟的一个常用的方法,它特别适合于高Reynold数流动。三维涡度法是一项大规模的计算,它又可以细分成几种方法。不论用那一种方法,由涡度场确定速度场是不可缺少的一步。

涡度相关法研究土壤水分状况对沙地杨树人工林生态系统能量分配和蒸散日变化的影响

为了解位于北京大兴区林场杨树人工林在不同的土壤水分环境条件下的水汽交换过程和能量的分配差异及其与环境因子关系,运用涡度相关(Eddycovariance,EC)法开路系统、常规微气象观测系统及土壤热通量板等设施对生态系统生长季内典型水分胁迫和无水分胁迫条件下蒸散日变化、能量分配以及与各环境因子的关系进行了测定分析和比较。结果表明,在水分严重胁迫日(以7月7日为例),蒸散日变化过程为单峰曲线,全天(24h)蒸散量为2·4mm;而在无水分胁迫典型日(以7月25日为例),蒸散日变化过程呈多峰曲线,全天蒸散量为4·5mm。能量平衡分析显示,无水分胁迫条件下潜热通量(LE)占净辐射通量(Rn)的比例远高于水分胁迫条件下潜热通量占净辐射通量的比例,说明水分充足时,能量的大部分用于蒸散。水分胁迫条件下蒸散速率与各环境因子的相关性均低于无水分胁迫条件下蒸散速率与环境因子的相关性。水分胁迫条件下,蒸散速率主要与净辐射和下垫面因子关系显著,而与其它因子的相关性较小;无水分胁迫条件下,蒸散速率与下垫面土体含水量和各气象因子均表现出较强的相关性。大气温度对于两个典型日蒸散速率的影响均很小;土壤含水量与水分胁迫日的蒸散速率几乎没有相关性,反应出土壤水分含量低至对蒸散几乎没有贡献了。

基于涡度相关法的中国草地生态系统碳通量研究进展

草地生态系统碳循环研究是全球碳循环研究的热点,涡度相关法使草地生态系统碳通量的长期和连续观测成为可能。本研究介绍了以涡度相关法为手段的中国草地生态系统碳通量的研究进展,重点阐述了中国草地生态系统碳通量在不同时间尺度上的变化特征,同时概括了不同的环境因子对草地生态系统碳通量控制机理方面的研究成果,并在此基础上对今后中国草地生态系统碳通量研究提出了建议。

荒漠河岸胡杨林生态系统涡度相关通量数据处理与质量控制方法研究

涡度相关通量数据处理与质量控制是保证各观测台站数据质量、实现数据共享与综合集成的前提。然而,由于各个背景样地差异比较大,目前这一方面还没有统一、精确的方法可用。因此本文以黑河下游额济纳旗胡杨林生态系统8月份的涡度数据为例,介绍了各处理方法对通量结果的影响,结果表明:相比其它各校正方法而言,野点值剔除及密度效应校正(WPL)对CO2通量的影响最大,其值分别降低了11%和42%;WPL校正对潜热通量的影响最大,其值增加了6.5%;超声虚温校正对感热通量的影响最大,其值降低了9.3%。就数据质量控制与评价的方法研究,发现该样地能量平衡闭合率为71%,分别有65%和72%的数据通过了湍流的平稳性检验和湍流发展的充分性检验,数据质量较好。通过该研究,以期为荒漠河岸林生态系统涡度相关数据的处理提供参考。

基于涡度相关法的长江中下游稻田水分利用效率变化规律

揭示水稻生态系统水分利用效率(WaterUseEfficiency,WUE)的变化规律,有助于动态评价稻田水碳循环过程和农业用水效益。该研究利用涡度相关法得到中国长江中下游双季稻田的3年通量数据,研究生态系统尺度的稻田WUE季节变化规律及其年际差异,揭示生态系统夜间呼吸消耗对稻田水分利用的影响,阐明WUE与净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP)和ET的关系。结果表明:双季稻WUE季节尺度变化特征与NEP基本一致,呈现出先增大、后减小的趋势,表明其季节变化由NEP主导,取决于作物自身以生育期为尺度的生长发育规律。早、晚稻日均WUE均在拔节孕穗期达到峰值,且在生长中期均维持较高水平,日均WUE分别达到5.8、5.5g/kg。早、晚稻全生育期WUE均值分别为(3.3±0.3)、(3.4±0.4)g/kg,生态系统夜间呼吸消耗使WUE下降40%以上。不同稻季WUE的年际差异达到9.2%~12.4%,其中抽穗开花期差异最大。不同纬度的稻田WUE存在差异,该研究得到的中国长江中下游稻田WUE高于菲律宾、巴西等热带地区稻田,但低于中国东北辽河三角洲稻田,与小麦、玉米等农田生态系统相比,稻田WUE也较低。研究结果可为评价中国长江中下游稻作区农业用水效率以及优化水碳管理模式提供依据。

基于涡度协方差法和生理生态法对落叶松林CO_2通量的初步研究

摘要该文利用涡度协方差法和生理生态学方法（不同分量的累积和）获得的通量观测数据，对老山落叶松（／．ar．执矿渤戚）林（45＂20’N，127。34’E）的碳收支进行了分析。通过对每0．5h所测数据进行的分析表明，能量平衡达到75％，说明涡度协方差法适应于本站的研究。较阴天气情况下，林分光照利用效率显著高于晴朗天气，可能归因于阴天较多的散射光。以单位土地面积计算发现，通过涡度协方差法计算的落叶松林生态系统的总初级生产力在20一50tmaol·m12·s11之间，远高于冠层叶片的总光合速率9．8—23．4pmol·m12·s11（平均值16．2tmaol·m12·s11），而当综合考虑冠层光合和林下植物光合作用时，两种方法测定结果吻合性较好，说明林下植物对落叶松林碳平衡有重要影响。在估计森林生态系统呼吸方面，以有风夜晚净生态系统交换量（Ⅳj晒）来代表生态系统呼吸总量（3．9tmaol·m｜2·s。）低估了生态系统呼吸总量，粗略估计较生理生态学方法（不同呼吸分量的累积和）低估了50％左右（14．2tmaol·m12·s11）。结果发现两种方法在估计森林碳平衡方面存在一定的差异，呼吸量的估计差异应是今后研究的重点。

涡度相关仪倾斜订正方法的比较及应用

利用973暴雨项目2002年在安徽肥西观测的涡度相关资料,针对目前涡度相关法中存在的仪器倾斜误差问题,采用两种倾斜订正方法计算湍流参数并进行对比分析。结果表明,三次坐标轴旋转倾斜订正方法和平面拟合方法均可以对仪器倾斜引起的误差进行坐标旋转订正,有效剔除仪器倾斜引起的侧向应力的影响,以及仪器倾斜时水平方向风速引起的虚假湍流通量,提高了湍流通量的计算精度。两种倾斜订正方法各有一定适用条件,平面拟合方法优于三次坐标轴旋转倾斜订正方法。

箱法和涡度相关法测碳通量的比较研究

对箱法和涡度相关法测定碳通量进行了比较分析,指出了两种方法的理论基础及其实际应用等各方面的优缺点。其箱法原理简单、仪器价格便宜、操作容易、移动便利、灵敏度高,适宜进行小尺度测量,是生态系统机理方面研究的有力工具,是农田和草地等生态系统碳通量测量的主要方法;但是由于箱法效应的存而削弱了观测气体的空间变化性,箱体本身会扰动土壤环境而改变CO2浓度梯度、气压梯度、湍流震动和气流,从而影响测定的通量值。涡度相关法对观测环境不会造成扰动,能够得到长期连续的通量数据,可以用来测定较大尺度的下垫面通量;但是涡度相关技术在观测时仍然受限于一些环境条件:上风向没有足够的下垫面,晚间大气比较稳定,湍流较弱,测定仪器下方存在点源等因素都可以造成涡度相关技术测定精确性的降低。

基于涡度相关法的黄河小浪底人工混交林CH4通量平均周期的确定

【目的】随着涡度相关法长期连续观测CH4通量的研究在国际上日渐增加,准确计算CH4通量成为相关研究人员关注的热点问题之一。根据研究区实际情况,探究涡度相关数据在实际应用中适宜的采样频率和平均计算周期,为准确计算CH4通量提供理论依据。【方法】采用不同的平均周期(15~720 min)对黄河小浪底人工混交林生态系统2016年7−8月CH4通量原始数据(采样频率10 Hz)进行计算,以30 min为准标准,比较不同平均周期计算的CH4通量日变化特征,分析不同平均周期对CH4通量计算的影响。【结果】不同平均周期导致计算的CH4通量结果发生变化。15、60、120、240、360和720 min平均周期与30 min计算的CH4通量日变化特征趋势差异正午前后较大,而在早晨或傍晚差别较小;平均周期小于120 min时,其计算CH4通量日变化趋势与30 min一致,CH4的通量值随平均周期的增加而增大,当平均周期大于240 min,通量计算出现明显误差。结合Ogive函数计算分析,当平均周期小于15 min时,Ogive函数逐渐增大,当平均周期为60 min时,ogive函数逐渐平稳。【结论】不同计算周期对CH4的计算结果有一定的影响,在本研究区下垫面情况下,计算月及其以上尺度的CH4通量采用60 min的平均周期,而研究日及其以下尺度的CH4通量变化特征时采用平均计算周期为15 min。

基于涡度协方差法和植被指数的油菜光能利用率研究

利用油菜生长季(2020年9月~2021年5月)观测田间涡度相关通量数据,分析油菜光能利用率(Ecosystem light use efficiency,LUE_(eco))和表观初始量子效率(α)动态变化特征及两者之间关系,并结合环境因子和植被指数,探讨油菜LUE_(eco)与各参数之间关系。结果表明,油菜LUE_(eco)日变化呈U型曲线,早晚较高,午间较低,不同月份差异主要体现在曲线变化高低上;油菜LUE_(eco)月变化呈先升后降抛物线变化,与α月变化具有一致性;不同计算方法得到光能利用率之间存在显著线性正相关关系,总体上LUE_(eco)约为α的二分之一;在季节尺度上,LUE_(eco)总体表现为偏峰型曲线变化,全生长季平均值为0.0347μmol(CO_(2))·μmol(PAR)^(-1);LUE_(eco)季节变化主要受光合有效辐射、空气温度和作物长势影响。研究结果可为探讨光能利用率变异特征及基于光能利用率模型生态系统生产力模拟研究提供参考。

基于涡度相关法的水稻光能利用率研究

为探讨水稻生长季内光能利用率(light use efficiency,LUE)的动态特征,使用2020年5—9月稻田通量观测资料,应用简单相关分析和通径分析方法,分析环境因子对光能利用率的影响。结果表明,水稻生长季LUE日平均值为0.95%,波动范围为0.25%~2.23%,小时尺度表现为早晚值较高、中午值较低,日动态上呈现先升高后降低的单峰曲线变化;日尺度上的LUE主要受光合有效辐射和空气温度影响。研究为合理利用农田生态系统资源、推动LUE在生产力模型中的应用提供了理论依据。

基于涡度相关法的农田生态系统碳通量研究进展

涡度相关法作为国际上公认的碳通量测定的标准方法,在农田生态系统碳通量研究领域具有广阔的空间。本研究旨在总结涡度相关法的农田生态系统碳通量最新研究成果,为涡度相关法与农田生态系统碳通量研究提供参考。文章综述了国内外基于涡度相关技术的农田生态系统碳通量研究现状,重点总结了其在时间变化、驱动因子、生产力模型、数据处理等方面的最新研究成果。经了解发现涡度相关技术对农田生态系统碳通量的时间变化特征研究较多,且众多研究结果表明在单一种植模式下农田碳通量的日变化和季节变化呈显著单峰“U”型趋势,在多熟种植模式下季变化呈“W”型,但对种植模式的碳通量研究缺乏区域代表性;同时驱动因子研究集中在温度、光照、水分等环境因素对农田碳通量的影响方面,对环境因子与农艺措施之间的关系研究较少;且对于通量夜间数据的处理和无效、缺失数据的剔除与插补缺乏统一的标准。因此本文认为区域典型种植模式的长期定位监测、多因子协同分析、数据质量监控等方面具有较大研究空间。

淡水养殖池塘CO_(2)通量多时间尺度变化特征及其影响要素

为探讨淡水养殖CO_(2)通量的多时间尺度变化特征及其影响因子,本研究以我国长江三角洲区域典型淡水养殖池塘为研究对象,基于涡度相关法(Eddy covariance,EC)测定的2016—2021年高频连续CO_(2)通量数据,对CO_(2)通量的多时间尺度变化特征及其环境、人为影响要素进行分析。结果表明:养殖池塘CO_(2)通量(以C计)存在明显的日变化、季节变化和年际变化特征,其年尺度交换量的变化范围为-671~1005 kg·hm^(-2)·a^(-1),年均值为(-74±688)kg·hm^(-2)·a^(-1),表现为CO_(2)的弱汇。CO_(2)通量在不同时间尺度的主控因子存在明显差异,其中在0.5 h尺度上,太阳辐射和气温分别是白天和夜晚CO_(2)通量的主要影响因子;日尺度和月尺度的CO_(2)通量则分别受太阳辐射和归一化植被指数(NDVI)调控,且CO_(2)通量与上述要素均呈显著负相关;年际尺度上,养殖池塘CO_(2)通量受饲料投入量与NDVI的共同作用,二者建立的回归方程可以解释64%的CO_(2)年总通量变化,其中CO_(2)排放量随饲料投入量的增加呈线性增加(R2=0.55,P<0.05)。根据本研究结果,建议在未来可将提高饲料利用率作为控制养殖水体温室气体排放、改善水体生态环境、实现水产养殖业可持续发展的重要途径。

基于涡度系统的干旱区枣林能量平衡分析

【目的】揭示干旱区枣林的能量循环与能量变化规律。【方法】利用涡度相关法得到干旱区枣林连续2 a的通量数据,分析了能量变化规律、分配方式以及热存储项能量的日平均变化规律。【结果】①干旱区枣林生态系统的净辐射Rn、潜热通量LE、显热通量H、土壤热通量G在各月份的日均值变化均呈以净辐射变化规律为基础的单峰变化。②干旱区枣林2018年和2019年的整年度30 min尺度能量闭合率为73.45%、73.11%,计入热储存项后,能量闭合率分别提高了3.72%、2.75%,达到了77.17%、75.86%。③干旱区枣林的土壤热储存项日均值在生育期和休眠期变化规律相似;潜热热储存项和显热热储存项在生育期和休眠期变化规律不同;光合热储存项和冠层热储存项在休眠期均为0,但在生育期有典型的日变化。【结论】热存储项对干旱区枣林生态系统的能量平衡闭合程度贡献不大,干旱区枣林的能量分配方案受水分条件、植被类型和气候特征的影响。

基于涡度相关法的森林生态系统碳通量观测研究

涡度相关法是以雷诺分解为理论基础,通过计算湍流中垂直方向的风速脉动与相关物理量脉动的协方差,求解出物理量的湍流通量。森林生态系统作为陆地上重要的碳源和碳汇,具有固碳和释放碳素的功能,在碳中和方面发挥着重要作用。文章通过对西北某山岭森林生态系统(试验点1)和华北平原某生态区森林生态系统(试验点2)进行定位观测,分别在夏季和冬季选取一个月的观测数据,采用涡度相关法进行碳通量计算,结果表明,试验点1夏季生态系统碳吸收量大于排放量,试验点2冬季生态系统碳吸收量小于排放量。

涡度相关观测的能量闭合状况及其对农田蒸散测定的影响

涡度相关法被认为是测定农田蒸散量的标准方法。然而,能量不闭合现象在涡度相关测量中普遍存在。分析能量不闭合对涡度相关观测的影响,对于提高涡度相关观测精度具有重要意义。以蒸渗仪法为参照,探讨涡度相关观测的能量闭合状况对农田蒸散测定的影响,在导致涡度相关观测能量不闭合的诸多因素中,寻找对蒸散测定有影响的因素。结果表明:涡度相关观测的白天能量平衡比率(EBR)呈秋冬高、春夏低的变化特征,麦季日均EBR范围在0.26—2.84之间,平均1.15;玉米季日均EBR范围在0.19—2.59之间,平均0.78。无论麦季或玉米季,涡度相关法测定的平均蒸散量(ETec)均明显低于蒸渗仪法观测值(ETL),但两者显著相关(P<0.01),并有相似的季节变化。平均蒸散比(ETec/ETL)麦季约为0.61,玉米季约为0.50。在冬小麦田和夏玉米田,ETec/ETL均与EBR显著相关(P<0.01)。麦田种植密度大,下垫面较均匀,蒸散比与EBR成正比(P<0.01),且不受叶面积指数(LAI)大小影响;反之,玉米田种植密度小,只有当LAI>1,下垫面变得较均匀后,蒸散比与EBR的关系才变得显著(P<0.01)。风速小时ETec/ETL与EBR显著相关,风速增加时二者相关性减弱。尤其在玉米田,当摩擦风速(u*)大于0.3 m/s时,ETec/ETL与EBR的相关性不再显著。风速小时,大气湍流微弱,湍流的涡旋较大。在有限的观测时段(0.5h)内,涡度相关仪的传感器难以捕捉足够的湍涡能量,所测湍流能量偏低,导致能量不闭合。以上结果为应用能量平衡比率校正农田蒸散提供了可能途径。

基于涡度相关的春玉米逐日作物系数及蒸散模拟

作物系数是计算作物蒸散量的关键参数。利用2006-2008年和2011年辽宁锦州玉米农田生态系统的涡度相关、气象、作物发育期及叶面积指数观测数据,分析不受水分胁迫条件下玉米逐日作物系数特征及其与叶面积指数的关系。研究表明:作物系数与玉米农田实际蒸散均呈单峰型变化,约在7月末至8月初达到最大值(玉米开花吐丝期)。在此基础上,建立了不受水分胁迫条件下玉米逐日作物系数与叶面积指数关系(达到0.01显著性水平),同时,采用积温表示的标准化生育期方法模拟相对叶面积指数,并建立了逐日作物系数与相对叶面积指数关系(达到0.01显著性水平),解决了无叶面积观测地区玉米逐日实际蒸散量的计算。研究结果可为玉米农田用水管理以及灌溉措施的制定提供参考。