涡度协方差技术 测量及数据分析的实践指导PDF电子书下载

第1章 涡度协方差方法&Thomas Foken，Marc Aubinet，Ray Leuning 1

1.1历史 1

1.2背景知识 3

1.2.1涡度协方差测量的背景 3

1.2.2雷诺分解 4

1.2.3标量定义 4

1.3单点守恒方程 5

1.3.1干空气质量守恒（连续性）方程 6

1.3.2动量守恒方程 6

1.3.3标量守恒方程 7

1.3.4焓方程 8

1.4积分关系 8

1.4.1干空气收支方程 8

1.4.2标量收支方程（广义涡度协方差方法） 9

1.5谱分析 11

1.5.1湍流的谱分析 11

1.5.2大气湍流的谱分析 11

1.5.3传感器筛选 12

1.5.4高度和风速测量的影响因素 13

致谢 14

参考文献 14

第2章 测量、建塔及站点设计考虑&J.William Munger，Hen W.Loescher，Hongyan Luo 18

2.1引言 18

2.2通量塔的考虑事项 19

2.2.1通量塔设计的理论考量 19

2.2.1.1多样的生态系统和环境 19

2.2.1.2通量塔结构对周围气流的物理影响 19

2.2.1.3水平支撑杆的大小 22

2.2.1.4塔偏转和振动 22

2.2.1.5在高冠层林窗处的回流区 23

2.2.2塔的设计与科学要求 24

2.2.2.1塔的选址要求 24

2.2.2.2塔的结构要求 25

2.2.2.3塔的高度要求 26

2.2.2.4塔的大小要求 26

2.2.2.5仪器方向要求 27

2.2.2.6塔安装和站点影响要求 28

2.3超声风速仪 29

2.3.1基本原理 29

2.3.2问题及校正 29

2.3.3超声选择、位置和使用要求 30

2.4涡度CO2/H2O分析仪 32

2.4.1基本介绍 32

2.4.2闭路系统 33

2.4.2.1绝对和差分模式 33

2.4.2.2闭路传感器的管道需求 34

2.4.2.3CO2校准 37

2.4.2.4水汽校准 38

2.4.3开路系统 38

2.4.3.1安装和维护 38

2.4.3.2校准 38

2.4.4开路和闭路的优缺点 39

2.4.5窄波段光谱CO2传感器 40

2.5廓线测量 40

2.5.1测量层数的要求 41

2.5.2廓线混合比测量要求 43

致谢 43

参考文献 43

第3章 数据采集与通量计算&Corinna Rebmann，Olaf Kolle，Bernard Heinesch，Ronald Queck，Andreas Ibrom，Marc Aubinet 48

3.1数据传输与采集 49

3.2原始数据的通量计算 52

3.2.1气象单元中的信号转换 53

3.2.1.1来自超声风速仪的风分量和声速 53

3.2.1.2来自气体分析仪的浓度 53

3.2.2原始数据的质量控制 54

3.2.3方差及协方差计算 56

3.2.3.1平均值与波动计算 56

3.2.3.2时滞判定 57

3.2.4坐标旋转 58

3.2.4.1坐标系及其方位选择的要求 58

3.2.4.2坐标转换方程 59

3.2.4.3旋转角度确定 60

3.3通量确定 62

3.3.1动量通量 63

3.3.2浮力通量和感热通量 63

3.3.3潜热通量和其他痕量气体通量 63

3.3.4其他参数的推导 64

致谢 64

参考文献 65

第4章 校正和数据质量控制&Thomas Foken，Ray Leuning，Steven R.O ncley，Matthias Mauder，Marc Aubinet 68

4.1通量数据校正 69

4.1.1已经包含在原始数据分析中的校正（第3章） 69

4.1.2将浮力通量转换为感热通量（SND校正） 69

4.1.3频谱校正 70

4.1.3.1引言 70

4.1.3.2高频损失校正 70

4.1.3.3低频损失 76

4.1.4WPL校正 77

4.1.4.1言 77

4.1.4.2开路系统 78

4.1.4.3WPL与不完美的仪器设备 79

4.1.4.4闭路系统 80

4.1.5传感器特定的校正 81

4.1.5.1超声风速仪的气流畸变校正 81

4.1.5.2LiCor 7500开路气体分析仪的传感器头端加热校正 82

4.1.5.3氪湿度计KH20的校正 82

4.1.5.4CH4和N20分析仪的校正 83

4.1.6不推荐的校正 83

4.1.7总体数据校正 84

4.2能量平衡不闭合的影响 86

4.2.1能量平衡不闭合的原因 86

4.2.2能量平衡不闭合的校正 88

4.3数据质量分析 89

4.3.1涡度协方差测量的质量控制 90

4.3.2是否符合理论要求的测试 90

4.3.2.1稳态测试 91

4.3.2.2充分发展湍流条件的测试 91

4.3.3总体质量标记系统 93

4.4经过校正和质量控制后湍流通量的准确性 95

4.5可用的校正软件概述 96

致谢 100

参考文献 100

第5章 夜间通量校正&Marc Aubmet，Christian Feigenwinter， Bernard Heinesch，Quentin Laffineur，Dario Papale，Markus Reichstein，Janne Rinne，Eva Van Gorsel 108

5.1引言 108

5.1.1历史 108

5.1.2夜间通量误差存在的证据 109

5.1.2.1与自下而上方法的比较 109

5.1.2.2通量对摩擦风速的敏感性 109

5.1.3问题的起因 110

5.2这个问题真的很重要吗？ 111

5.2.1在什么情况下应当校正夜间通量误差？ 111

5.2.2储存量在夜间通量误差中起什么作用？ 111

5.2.3夜间通量误差对长期碳封存估算有什么影响？ 112

5.2.4夜间通量误差对函数关系有什么影响？ 114

5.2.5夜间通量误差对其他通量有什么影响？ 114

5.3筛选程序如何实现？ 116

5.3.1基本原则 116

5.3.2筛选标准的选择 117

5.3.3筛选应用 117

5.3.4评估 119

5.4校正程序 120

5.4.1筛选＋数据填补 120

5.4.2ACMB方法 120

5.4.2.1历史 120

5.4.2.2流程 121

5.4.2.3评估 121

致谢 122

参考文献 123

第6章 数据空缺填补&Dario Papale 129

6.1引言 129

6.2空缺填补：为什么以及何时需要？ 130

6.3空缺填补方法 130

6.3.1气象数据的空缺填补 131

6.3.2一般规则与策略（长缺失） 132

6.3.2.1受人工管理和干扰的站点 132

6.3.3方法描述 133

6.3.3.1平均日变化法 133

6.3.3.2查表法 134

6.3.3.3人工神经网络法 135

6.3.3.4非线性回归法 135

6.3.3.5过程模型 136

6.4不确定性与质量标记 136

6.5结束语 137

参考文献 138

第7章 不确定性的量化&Andrew D.Richardson，Marc Aubinet，Alan G.Barr，David Y.Hollinger，Andreas Ibrom，Gitta Lasslop，Markus Reichstein 140

7.1引言 140

7.1.1定义 142

7.1.2误差类型 142

7.1.3不确定性的描述 143

7.1.4目标 143

7.2通量测量的随机误差 144

7.2.1湍流抽样误差 145

7.2.2仪器误差 145

7.2.3足迹的变化 145

7.2.4量化总随机不确定性 146

7.2.5随机不确定性的整体模式 147

7.2.6在更长时间尺度上的随机不确定性 151

7.3通量测量的系统误差 152

7.3.1未满足的假设及方法上的挑战带来的系统误差 152

7.3.2源自仪器校准和设计的系统误差 154

7.3.2.1校准的不确定性 155

7.3.2.2峰值 156

7.3.2.3超声风速仪误差 156

7.3.2.4红外气体分析仪误差 157

7.3.2.5高频损失 157

7.3.2.6密度波动 157

7.3.2.7仪器表面热交换 158

7.3.3与数据处理相关的系统误差 159

7.3.3.1去倾和高通滤波 160

7.3.3.2坐标旋转 161

7.3.3.3数据填补 161

7.3.3.4通量划分 162

7.4闭合生态系统碳收支 162

7.5结论 163

致谢 164

参考文献 164

第8章 足迹分析&Ullar Rannik，Andrey Sogachev，Thomas Foken，Mathias Gockede，Natascha Kljun，Monique Y.Leclerc，Timo Vesala 171

8.1足迹的概念 171

8.2用于大气边界层的足迹模型 174

8.2.1分析型足迹模型 174

8.2.2拉格朗日随机方法 175

8.2.3前推及后推拉格朗日随机模型 176

8.2.4大气边界层足迹 178

8.2.5大气边界层的大涡模拟 180

8.3高大植被的足迹模型 181

8.3.1森林冠层的足迹 181

8.3.2足迹对传感器和源高度的依赖 182

8.3.3高阶矩的影响 183

8.4复杂景观及非均一冠层 184

8.4.1闭合模型方法 184

8.4.2模型验证 186

8.4.3闭合模型的足迹估算 188

8.4.4复杂地形上的足迹 191

8.4.5在城市区域的模拟 194

8.5使用足迹模型进行质量评估 196

8.5.1质量评估方法论 197

8.5.2基于分析型和拉格朗日随机足迹模型的站点评估 201

8.5.3适用性与限制 201

8.6足迹模型验证 202

致谢 204

参考文献 204

第9章 净通量划分&Markus Reichstein，Paul C.Stoy，Ankur R.Desai，Gitta Lasslop，Andrew D.Richardson 214

9.1动机 214

9.2概念 215

9.3标准方法 216

9.3.1概述 216

9.3.2基于夜间数据的方法 218

9.3.2.1模型构成：温度-测量 218

9.3.2.2Reco模型构成 219

9.3.2.3挑战：呼吸作用的其他驱动因子 219

9.3.2.4挑战：光合作用-呼吸作用耦合及生态系统内的传输 220

9.3.3基于日间数据的方法 221

9.3.3.1模型构成：NEE光响应 221

9.3.3.2挑战：其他驱动因子及FLUXNET数据库方法 224

9.3.3.3未解决的问题及未来工作展望 225

9.4其他思考及新方法 225

9.4.1振荡模式 225

9.4.2模型参数化 225

9.4.3用高频数据进行通量划分 226

9.4.4使用稳定同位素技术进行通量划分 226

9.4.5气室法 227

9.4.6水汽通量的划分 228

9.5建议 229

参考文献 229

第10章 间断涡度协方差方法&Janne Rinne，Christof Ammann 238

10.1引言 238

10.2原理 239

10.2.1采样间隔 239

10.2.2响应时间 239

10.2.3间断涡度协方差的定义 240

10.3间断涡度协方差的实践应用 241

10.3.1定点采样-间断涡度协方差方法 241

10.3.2质量扫描-间断涡度协方差方法 244

10.3.3利用间断涡度协方差方法减少数据传输和储存的负担 246

10.4间断涡度协方差的频谱空间 246

10.5间断涡度协方差的不确定性 248

10.6间断涡度协方差方法的历史 250

致谢 251

参考文献 251

第11章 森林生态系统涡度协方差通量测量&Bernard Longdoz，Andre Granier 253

11.1引言 253

11.2通量计算、选择及依赖性 254

11.2.1高频损失校正 254

11.2.2旋转方法 254

11.2.3摩擦速率阈值 254

11.2.4基于足迹的选择 255

11.3辅助测量 255

11.3.1冠层气体浓度的垂直廓线 255

11.3.2叶面积指数 256

11.3.3生物量估算 256

11.3.4液流 257

11.3.5可提取土壤水、贯穿降水量及茎流 258

11.3.6热储存 259

11.4生态系统管理及操作的影响 259

参考文献 259

第12章 农田生态系统涡度协方差通量测量&Christine Moureaux，Eric Ceschia，Nicola Arriga，Pierre Beziat，Werner Eugster，Werner L.Kutsch，Elizabeth Pattey 262

12.1引言 262

12.2测量系统 265

12.2.1站点选择及与农场主的沟通 265

12.2.2通量塔和气象站配置 265

12.2.3测量高度 267

12.2.4维护 267

12.3通量计算 268

12.4通量校正 268

12.4.1储存项 268

12.4.2夜间通量数据筛选 268

12.5数据空缺填补和足迹估算 269

12.6累积碳交换 269

12.7其他测量 269

12.8未来实验展望 270

致谢 270

参考文献 271

第13章 草地生态系统涡度协方差通量测量&Georg Wohlfahrt，Katja Klumpp，Jean-Frangois Soussana 273

13.1草地涡度协方差通量测量的历史回顾 273

13.2草地涡度协方差通量测量的特性 274

13.3从通量测量估算草地碳封存 277

13.4其他测量 278

13.5其他温室气体 279

致谢 280

参考文献 280

第14章 湿地生态系统涡度协方差通量测量&Tuomas Laurila，Mika Aurela，Juha-Pekka Tuovinen 285

14.1引言 285

14.2历史概述 286

14.3湿地生态系统特别需要考虑的因素 291

14.4补充测量 292

14.5冬季的涡度协方差测量 294

14.6碳平衡和气候效应 295

14.7结束语 296

参考文献 297

第15章 湖泊生态系统涡度协方差通量测量&Timo Vesala，Werner Eugster，Anne Ojala 302

15.1引言 302

15.2已有研究 304

15.3湖面特定的设置问题 305

15.3.1湖泊分层 305

15.3.2CO2的水化学 306

15.3.3陆地-湖泊交互 306

15.3.4质量控制程序 307

15.3.5设备安装 309

参考文献 309

第16章 城市生态系统涡度协方差通量测量&Christian Feigenwinter， Roland Vogt，Andreas Christen 312

16.1引言 312

16.1.1城市气候尺度 313

16.1.2城市大气 314

16.1.3城市大气的交换过程 315

16.1.4城市表面-大气界面特征描述 315

16.2城市涡度协方差测量的概念框架 316

16.2.1湍流特性 316

16.2.2体积平衡法 318

16.2.2.1城市环境能量平衡研究背景下的湍流热通量 318

16.2.2.2城市环境水分平衡研究背景下的蒸发散 319

16.2.2.3城市新陈代谢研究背景下的CO2通量 319

16.2.3其他痕量气体与气溶胶 320

16.3城市涡度协方差站点选址的挑战 321

16.4城市边界层特性对涡度协方差测量的影响 321

16.4.1平流和储存 322

16.4.2气流畸变 323

16.4.3夜间通量问题、空缺填补和QC/QA 325

16.4.4仪器检修与维护 325

16.5总结与结论 326

致谢 326

参考文献 326

第17章 数据管理、共享及合作&Dario Papale，Deborah A.Agarwal，Dennis Baldocchi，Robert B.Cook，Joshua B.Fisher，Catharine van Ingen 330

17.1数据管理 331

17.1.1功能 331

17.1.2通量塔数据库 333

17.1.3区域数据库 333

17.1.3.1实例：欧洲涡度协方差通量数据库系统 334

17.1.4FLUXNET的建立及其数据库 335

17.2数据体验 336

17.2.1数据贡献和反馈规则 336

17.2.2通用命名/单位/汇报/版本 337

17.2.2.1促进站点间分析：站点标签、变量和单位 337

17.2.2.2数据发布 338

17.2.2.3文件命名 339

17.2.3辅助数据收集 339

17.3数据使用者服务 340

17.3.1数据产品：以fluxdata.org为例 340

17.3.1.1使用者和使用实例 340

17.3.1.2公共访问区域 341

17.3.1.3特许用户访问区域 341

17.3.1.4用以支持测量站点科学家的功能 342

17.4数据共享和使用政策 343

17.4.1数据共享动机 343

17.4.2数据使用规则 344

17.4.3其他荣誉的可能性 346

参考文献 346

符号索引 348

缩写词和首字母缩写词 354

索引 356