波文比法的原理儀器及問(wèn)題分析ppt課件

1、波文比波文比- -能量平衡方法能量平衡方法測(cè)定地表和大氣物質(zhì)與能量交換通量測(cè)定地表和大氣物質(zhì)與能量交換通量的原理、儀器及其問(wèn)題分析的原理、儀器及其問(wèn)題分析s08020311氣象學(xué)楊 姝內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱v1. 波文比波文比-能量平衡法的測(cè)定原理能量平衡法的測(cè)定原理v2. 波文比波文比-能量平衡法的問(wèn)題探討能量平衡法的問(wèn)題探討v3. 有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹1.波文比波文比-能量平衡法的測(cè)定原理能量平衡法的測(cè)定原理1.1 波文比的提出 波文比(Bowen ratio)是1926年英國(guó)物理學(xué)家Bowen IS在研究自由水面的能量平衡時(shí)提出的。他認(rèn)為，水分子的蒸發(fā)擴(kuò)散過(guò)程與同一水面向空氣中的熱量輸送過(guò)

2、程是相似的。于是，他提出了波文比()的概念，即水面與空氣間的湍流交換熱量(H) 與自由水面向空氣中蒸發(fā)水 (1.1) 汽的耗熱(LE)之比。LEH1.波文比波文比-能量平衡法的測(cè)定原理能量平衡法的測(cè)定原理1.2 波文比波文比-能量平衡方程的導(dǎo)出能量平衡方程的導(dǎo)出 根據(jù)能量守恒定律到達(dá)植物群體的凈輻射根據(jù)能量守恒定律到達(dá)植物群體的凈輻射通量密度通量密度RNRN可由下式表達(dá)可由下式表達(dá): :(1.2) (1.2) H H：顯熱通量密度：顯熱通量密度; LE; LE：潛熱通量密度：潛熱通量密度; ;QSQS：土壤熱通量密度：土壤熱通量密度; ; J J：貯存在植物群體內(nèi)的能量：貯存在植物群體內(nèi)的能量

3、AA：作物進(jìn)行光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能貯存在：作物進(jìn)行光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能貯存在高級(jí)有機(jī)化合物中的能量高級(jí)有機(jī)化合物中的能量 D D：向其他方向：向其他方向( (主要指水平方向主要指水平方向) )移走或其他移走或其他方向移入的能量。方向移入的能量。DAJQLEHRSN11.1.波文比波文比- -能量平衡法的測(cè)定原理能量平衡法的測(cè)定原理1.2 1.2 波文比波文比- -能量平衡方程的導(dǎo)出能量平衡方程的導(dǎo)出圖為高度為圖為高度為ZRZR，底面積為單位水平面積的氣柱中，典型的白天能量通量密，底面積為單位水平面積的氣柱中，典型的白天能量通量密度度HlHl為均一植物的高度）。（為均一植物的高度）。（a a）：

4、方程）：方程1.21.2中的輸入項(xiàng)與貯存項(xiàng)；中的輸入項(xiàng)與貯存項(xiàng)；（b b）：方程）：方程1.21.2中的輸出項(xiàng)。中的輸出項(xiàng)。v對(duì)各項(xiàng)分析的結(jié)果對(duì)各項(xiàng)分析的結(jié)果: :vRNRN是支配項(xiàng)是支配項(xiàng); ;vAA很小很小, ,可以忽略可以忽略; ;v一般情況下一般情況下J J也可忽略也可忽略, ,v 但日出日落時(shí)、果林和但日出日落時(shí)、果林和v 森林中森林中, ,不能忽略不能忽略; ;vD D難以估計(jì)難以估計(jì), ,故往往忽略故往往忽略; ;vH H、LELE、QSQS不能忽略。不能忽略。1.波文比波文比-能量平衡法的測(cè)定原理能量平衡法的測(cè)定原理1.2 波文比波文比-能量平衡方程的導(dǎo)出能量平衡方程的導(dǎo)出SN

5、QLEHR(1.3)RNDQSJAHLE近日出近日出0551038中中 午午5002525212461近日落近日落01551023午午 夜夜50102523201.波文比波文比-能量平衡法的測(cè)定原理能量平衡法的測(cè)定原理1.2 波文比波文比-能量平衡方程的導(dǎo)出能量平衡方程的導(dǎo)出表表1 1 植被上方典型的能量平衡單位：瓦植被上方典型的能量平衡單位：瓦/ /米米2 2） 由由 (1.1)可得可得 (1.4) (1.3) (1.5)又知湍流擴(kuò)散方程：又知湍流擴(kuò)散方程： (1.6) (1.7)將將(1.6)(1.7)代入代入(1.1),設(shè)設(shè)KHKq, 用差分代微分得用差分代微分得: (1.8)LEH1.

6、波文比波文比-能量平衡法的測(cè)定原理能量平衡法的測(cè)定原理1.2 波文比波文比-能量平衡方程的導(dǎo)出能量平衡方程的導(dǎo)出SNQLEHR1SNQRLE11SNQRHzKCHHPzqKEqzqKLLEqPeqLPCPezeKCzKCqPHPKH:熱量湍流交換系數(shù)熱量湍流交換系數(shù)Kq:水汽湍流交換系數(shù)水汽湍流交換系數(shù):位溫位溫(用氣溫代替用氣溫代替)q:比濕比濕CP:空氣定壓比熱空氣定壓比熱e:水汽壓水汽壓P:大氣壓大氣壓18/29:干濕球濕度計(jì)常數(shù)干濕球濕度計(jì)常數(shù)L:水的汽化潛熱水的汽化潛熱2.1 優(yōu)點(diǎn)：此方法不用求湍流交換系數(shù)K，便可得到湍流通量。用空氣動(dòng)力學(xué)方法需求K值但是較難得到且往往誤差很大。能量

7、平衡法避開(kāi)了這一難點(diǎn)。在儀器及觀測(cè)技術(shù)良好的條件下,值越小,1在(1)中所占的比重越大,(1)的誤差就越小，最后結(jié)果越準(zhǔn)確。只需兩個(gè)高度的要素梯度觀測(cè)值。2.波文比波文比-能量平衡法的問(wèn)題探討能量平衡法的問(wèn)題探討2.2 存在的問(wèn)題：RN和QS的誤差，在計(jì)算LE的過(guò)程中是累積的。因和e的符號(hào)可以相反，所以LE的誤差范圍可以是零到無(wú)窮大。波文比法在實(shí)際應(yīng)用中，還存在著更為嚴(yán)重的不足，用波文比法計(jì)算出的LE，可能與實(shí)際方向相反。 在應(yīng)用波文比法時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況在數(shù)量級(jí)上相差很大。 2.波文比波文比-能量平衡法的問(wèn)題探討能量平衡法的問(wèn)題探討2.3 觀測(cè)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題要求觀測(cè)儀器誤差??；

8、KHKq假定與實(shí)際情況不符所引起的誤差不能忽略，尤其強(qiáng)烈逆溫下KH不等于Kq，必須做KHKq假定的補(bǔ)充訂正；波文比法尤適合于較潮濕的大氣條件；在風(fēng)速較小時(shí)能量平衡法優(yōu)于空氣動(dòng)力學(xué)方法；測(cè)點(diǎn)應(yīng)位于田塊中央，風(fēng)浪區(qū)長(zhǎng)度為所布設(shè)的溫度傳感器和風(fēng)速儀器高度的100-200倍；觀測(cè)高度應(yīng)為株高的1.5倍，這樣才能使KHKq成立；要求天氣平穩(wěn)少變,輻射和風(fēng)速?zèng)]有過(guò)于劇烈的變化；應(yīng)避開(kāi)早晚(RN-QS)很小或?yàn)樨?fù)值的短暫時(shí)段。2.波文比波文比-能量平衡法的問(wèn)題探討能量平衡法的問(wèn)題探討3.1 波文比系統(tǒng)波文比系統(tǒng)3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.1 波文比系統(tǒng)波文比系統(tǒng)波文比全自動(dòng)觀

9、測(cè)系統(tǒng)測(cè)定冬小麥冠層能量平衡波文比全自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)定冬小麥冠層能量平衡3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.1 波文比系統(tǒng)波文比系統(tǒng)波文比控制波文比控制箱箱023/CO2波文比流動(dòng)控制器波文比流動(dòng)控制器應(yīng)用能量平衡波文比技術(shù)測(cè)應(yīng)用能量平衡波文比技術(shù)測(cè)量量 水蒸氣、水蒸氣、CO2、溫度梯度、溫度梯度 CR23X 數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器 Li-Cor6262 CO2/H2O紅外紅外分分 析儀析儀所測(cè)變量：所測(cè)變量： H2O 梯度梯度 用熱電偶測(cè)兩層高度空氣用熱電偶測(cè)兩層高度空氣溫度溫度 凈輻射凈輻射 總土壤熱通量總土壤熱通量3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.2 換位式波文比儀換位式波文比儀 1:支架支架 2

10、:倒向電機(jī)倒向電機(jī) 3:皮帶皮帶 4:托架托架2個(gè)個(gè) 5:通風(fēng)干濕表通風(fēng)干濕表2個(gè)個(gè) 6:限位開(kāi)關(guān)限位開(kāi)關(guān) 7:溫濕度測(cè)量電路溫濕度測(cè)量電路 8:換位控制電路換位控制電路 9:數(shù)據(jù)采集及控制電路數(shù)據(jù)采集及控制電路10:電源電路電源電路11:計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)12:立柱立柱2根根13:高度標(biāo)尺高度標(biāo)尺3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.2 換位式波文比儀換位式波文比儀工作原理工作原理:兩根立柱垂直放置，支架兩根立柱垂直放置，支架上端安裝倒向電機(jī)上端安裝倒向電機(jī)2，倒向電機(jī)帶動(dòng)，倒向電機(jī)帶動(dòng)皮帶皮帶3,兩個(gè)通風(fēng)干濕表兩個(gè)通風(fēng)干濕表5分別安裝在分別安裝在托架托架4上，兩個(gè)托架分別與兩個(gè)立柱上，兩個(gè)托架分別與兩

11、個(gè)立柱滑動(dòng)配合，皮帶的兩端分別系住兩個(gè)托架?；瑒?dòng)配合，皮帶的兩端分別系住兩個(gè)托架。在倒向電機(jī)的下面，每個(gè)立柱在倒向電機(jī)的下面，每個(gè)立柱的上端各安裝一個(gè)限位開(kāi)關(guān)的上端各安裝一個(gè)限位開(kāi)關(guān)6。托架在倒。托架在倒向電機(jī)的帶動(dòng)下沿立柱向上滑動(dòng)向電機(jī)的帶動(dòng)下沿立柱向上滑動(dòng),托架觸及到限位開(kāi)關(guān)后，倒向電機(jī)停止轉(zhuǎn)托架觸及到限位開(kāi)關(guān)后，倒向電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)通風(fēng)干濕表分別達(dá)到最動(dòng)。兩個(gè)通風(fēng)干濕表分別達(dá)到最高檢測(cè)點(diǎn)和最低檢測(cè)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定時(shí)高檢測(cè)點(diǎn)和最低檢測(cè)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)定時(shí)間，兩個(gè)通風(fēng)干濕表開(kāi)始檢測(cè)數(shù)間，兩個(gè)通風(fēng)干濕表開(kāi)始檢測(cè)數(shù)值，該數(shù)值送到溫濕度測(cè)量電路值，該數(shù)值送到溫濕度測(cè)量電路7進(jìn)行放進(jìn)行放大等信號(hào)處理

12、大等信號(hào)處理,計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)11發(fā)出指令發(fā)出指令指揮數(shù)據(jù)采集及控制電路指揮數(shù)據(jù)采集及控制電路9,按照特定的時(shí)按照特定的時(shí)間發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令給溫濕度測(cè)間發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令給溫濕度測(cè)量電路量電路7進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)采集進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)采集,換位控制電換位控制電路路8按照數(shù)據(jù)采集及控制電路按照數(shù)據(jù)采集及控制電路9的的指令控制倒向電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)指令控制倒向電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),電源電路電源電路10給給各電路各電路7,8,9提供動(dòng)力電源。一般提供動(dòng)力電源。一般情況情況,兩個(gè)通風(fēng)干濕表每隔兩個(gè)通風(fēng)干濕表每隔5-10分鐘換位分鐘換位一次一次,換位時(shí)間可調(diào)，換位后通風(fēng)換位時(shí)間可調(diào)，換位后通風(fēng)干濕表達(dá)到穩(wěn)定后開(kāi)始檢測(cè)數(shù)值。干濕表達(dá)到穩(wěn)

13、定后開(kāi)始檢測(cè)數(shù)值。 3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.2 換位式波文比儀換位式波文比儀優(yōu)點(diǎn)：在實(shí)際使用的各種梯度優(yōu)點(diǎn)：在實(shí)際使用的各種梯度測(cè)量中，一般都采用通過(guò)空氣測(cè)量中，一般都采用通過(guò)空氣中兩點(diǎn)的測(cè)量計(jì)算得到梯度。中兩點(diǎn)的測(cè)量計(jì)算得到梯度。同樣，當(dāng)溫度傳感器的精度高同樣，當(dāng)溫度傳感器的精度高于實(shí)際溫度梯度時(shí)，可以通過(guò)使用換位式于實(shí)際溫度梯度時(shí)，可以通過(guò)使用換位式波文比觀測(cè)儀，到達(dá)波文比觀測(cè)儀，到達(dá)進(jìn)一步提高測(cè)量精度的目的。其具體方法進(jìn)一步提高測(cè)量精度的目的。其具體方法是：采用兩個(gè)溫、濕是：采用兩個(gè)溫、濕度傳感器在一個(gè)換位周期的兩組測(cè)量值之度傳感器在一個(gè)換位周期的兩組測(cè)量值之差取平均的方法，以差

14、取平均的方法，以達(dá)到消除系統(tǒng)誤差的目的，從而提高了波達(dá)到消除系統(tǒng)誤差的目的，從而提高了波文比儀的測(cè)量精度。文比儀的測(cè)量精度。3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.2 換位式波文比儀換位式波文比儀注意：注意：(1)溫度傳感的換位平衡時(shí)間溫度傳感的換位平衡時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響對(duì)系統(tǒng)的影響:該儀器在工作中，每該儀器在工作中，每一次換位必然帶來(lái)溫度傳感器重新一次換位必然帶來(lái)溫度傳感器重新建立平衡的問(wèn)題。故在換位完成后建立平衡的問(wèn)題。故在換位完成后,不能立即進(jìn)行溫度采樣，要在兩溫度傳感不能立即進(jìn)行溫度采樣，要在兩溫度傳感器與換位后的氣溫建立新的平衡器與換位后的氣溫建立新的平衡后再開(kāi)始采樣才能保證儀器的正常使用。后

15、再開(kāi)始采樣才能保證儀器的正常使用。 (2)換位周期對(duì)測(cè)量的影響換位周期對(duì)測(cè)量的影響:由于該儀器的由于該儀器的工作過(guò)程是建立在一個(gè)換位周期工作過(guò)程是建立在一個(gè)換位周期時(shí)間內(nèi)的，在這一周期中氣溫剖面會(huì)有變時(shí)間內(nèi)的，在這一周期中氣溫剖面會(huì)有變化，氣溫梯度也可能不穩(wěn)定，所化，氣溫梯度也可能不穩(wěn)定，所以換位周期的時(shí)間長(zhǎng)短程度及氣溫的變化以換位周期的時(shí)間長(zhǎng)短程度及氣溫的變化程度決定了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響程程度決定了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響程度，一般換位時(shí)間周期越長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響度，一般換位時(shí)間周期越長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響越大。但在實(shí)際大氣中，高低兩越大。但在實(shí)際大氣中，高低兩點(diǎn)間的氣溫的變化是很有限的。所以只要點(diǎn)間的氣溫的變化

16、是很有限的。所以只要把兩次測(cè)量之間的實(shí)際大氣變化把兩次測(cè)量之間的實(shí)際大氣變化量控制在儀器固有的精度以內(nèi)，就對(duì)換位量控制在儀器固有的精度以內(nèi)，就對(duì)換位式測(cè)量沒(méi)有影響。式測(cè)量沒(méi)有影響。(3)換位距離的選擇換位距離的選擇:一般說(shuō)兩傳感器間的一般說(shuō)兩傳感器間的距離越大，距離越大，的測(cè)量越容易但的測(cè)量越容易但在實(shí)際大氣中使用卻不一定完全如此。一在實(shí)際大氣中使用卻不一定完全如此。一旦兩傳感器之間的氣溫剖面不是旦兩傳感器之間的氣溫剖面不是單調(diào)剖面就會(huì)造成方法上的失敗。故換位單調(diào)剖面就會(huì)造成方法上的失敗。故換位距離近一點(diǎn)更保險(xiǎn)些。距離近一點(diǎn)更保險(xiǎn)些。3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.3 多通道波文比觀測(cè)儀多通道

17、波文比觀測(cè)儀組成：組成： 本套波文比觀測(cè)儀由本套波文比觀測(cè)儀由 溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)溫濕度傳感器、數(shù)據(jù) 采集儀、熱流傳感器采集儀、熱流傳感器 、通風(fēng)電機(jī)、太陽(yáng)能、通風(fēng)電機(jī)、太陽(yáng)能 供電裝置、輻射表和供電裝置、輻射表和 支架等部分組成。支架等部分組成。 多通道波文比儀框架圖多通道波文比儀框架圖3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.3 多通道波文比觀測(cè)儀多通道波文比觀測(cè)儀各傳感器主要性能：各傳感器主要性能：(1)干濕球溫度傳感器干濕球溫度傳感器(a)空氣溫度傳感器測(cè)量空氣溫度傳感器測(cè)量范圍范圍:-20+60(b)精度精度:0.1該傳感器經(jīng)調(diào)試其電阻值與該傳感器經(jīng)調(diào)試其電阻值與溫度之間呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)。溫度之間呈

18、強(qiáng)負(fù)相關(guān)。多通道波文比儀框架圖多通道波文比儀框架圖3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.3 多通道波文比觀測(cè)儀多通道波文比觀測(cè)儀各傳感器主要性能：各傳感器主要性能：(2)TBQ-2型輻射傳感器型輻射傳感器(a)靈敏度靈敏度:11.022vwm-2(b)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間:30sec(99%)(c)線形誤差線形誤差:3%(d)溫度特性溫度特性:5% (-40+40)(e)穩(wěn)定度穩(wěn)定度:2%遼寧錦州遼寧錦州323研究所生產(chǎn)研究所生產(chǎn).多通道波文比儀框架圖多通道波文比儀框架圖3.有關(guān)儀器介紹有關(guān)儀器介紹3.3 多通道波文比觀測(cè)儀多通道波文比觀測(cè)儀各傳感器主要性能：各傳感器主要性能：(3)數(shù)據(jù)采集儀數(shù)據(jù)采集儀采用自行研制的多通道溫度測(cè)量采用自行研制的多通道溫度測(cè)量?jī)x儀,可自動(dòng)并行測(cè)量可自動(dòng)并行測(cè)量8個(gè)通道的溫個(gè)通道的溫度，各度，各2個(gè)通道的熱流和輻射個(gè)通道的熱流和輻射,獲獲得各測(cè)點(diǎn)的同步變化信息，消除得各測(cè)點(diǎn)的同步變化信息，消除測(cè)