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1、波文比波文比- -能量平衡方法能量平衡方法测定地表和大气物质与能量交换通量测定地表和大气物质与能量交换通量的原理、仪器及其问题分析的原理、仪器及其问题分析s08020311气象学气象学杨杨 姝姝内容提纲内容提纲v1. 波文比波文比- -能量平衡法的测定原理能量平衡法的测定原理v2. 波文比波文比- -能量平衡法的问题探讨能量平衡法的问题探讨v3. 有关仪器介绍有关仪器介绍1. .波文比波文比- -能量平衡法的测定原理能量平衡法的测定原理1.1 波文比的提出波文比的提出 波文比波文比(Bowen ratio)(Bowen ratio)是是19261926年英国物理年英国物理学家学家Bowen I
2、SBowen IS在研究自由水面的能量平衡时在研究自由水面的能量平衡时提出的。他认为，水分子的蒸发扩散过程与提出的。他认为，水分子的蒸发扩散过程与同一水面向空气中的热量输送过程是相似的。同一水面向空气中的热量输送过程是相似的。于是，他提出了波文比于是，他提出了波文比()()的概念，即的概念，即水面水面与空气间的湍流交换热量与空气间的湍流交换热量(H)(H) 与自由水面向空气中蒸发水与自由水面向空气中蒸发水 (1.1) 汽的耗热汽的耗热(LE)(LE)之比。之比。1. .波文比波文比- -能量平衡法的测定原理能量平衡法的测定原理1.2 波文比波文比- -能量平衡方程的导出能量平衡方程的导出 根据
3、能量守恒定律根据能量守恒定律到达植物群体的净辐射到达植物群体的净辐射通量密度通量密度R RN N可由下式表达可由下式表达: :(1.2) H H：显热通量密度：显热通量密度; LE; LE：潜热通量密度：潜热通量密度; ;Q QS S：土壤热通量密度：土壤热通量密度; ; J J：贮存在植物群体内的能量：贮存在植物群体内的能量AA：作物进行光合作用转变为化学能贮存在高级有机：作物进行光合作用转变为化学能贮存在高级有机化合物中的能量化合物中的能量 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) )移走或其他方向移入移走或其他方向移入的能量。的能量。11.1.波文比波文比- -
4、能量平衡法的测定原理能量平衡法的测定原理1.2 波文比波文比- -能量平衡方程的导出能量平衡方程的导出图为高度为图为高度为Z ZR R，底面积为单位水平面积的气柱中，典型的白天能量通量密，底面积为单位水平面积的气柱中，典型的白天能量通量密度（度（H Hl l为均一植物的高度）。（为均一植物的高度）。（a a）：方程（）：方程（1.21.2）中的输入项与贮存项；）中的输入项与贮存项；（b b）：方程（）：方程（1.21.2）中的输出项。）中的输出项。v对各项分析的结果对各项分析的结果: :uR RN N是支配项是支配项; ;uAA很小很小, ,可以忽略可以忽略; ;u一般情况下一般情况下J J也
5、可忽略也可忽略, , 但日出日落时、果林和但日出日落时、果林和 森林中森林中, ,不能忽略不能忽略; ;uD D难以估计难以估计, ,故往往忽略故往往忽略; ;uH H、LELE、Q QS S不能忽略不能忽略。1.波文比波文比- -能量平衡法的测定原理能量平衡法的测定原理1.2 波文比波文比- -能量平衡方程的导出能量平衡方程的导出(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- -能量平衡法的测定原理能量平衡法的测定原理1.2 波文比波文比- -能量平衡方程的导出能量平衡方
6、程的导出表表1 1 植被上方典型的能量平衡（单位：瓦植被上方典型的能量平衡（单位：瓦/ /米米2 2） 由由 (1.1)可得可得 (1.4) (1.3) (1.5)又知湍流扩散方程：又知湍流扩散方程： (1.6) (1.7)将将(1.6)(1.7)代入代入(1.1),设设KHKq, 用差分代微分得用差分代微分得: : (1.8)1.波文比波文比- -能量平衡法的测定原理能量平衡法的测定原理1.2 波文比波文比- -能量平衡方程的导出能量平衡方程的导出KH:热量湍流交换系数热量湍流交换系数Kq:水汽湍流交换系数水汽湍流交换系数:位温位温(用气温代替用气温代替)q:比湿比湿CP:空气定空气定压比比
7、热e:水汽水汽压P:大气大气压18/29:干湿球湿度干湿球湿度计计常数常数L:水的汽化潜水的汽化潜热热2.1 优点：优点：8此方法不用求湍流交换系数此方法不用求湍流交换系数K K，便可得到湍流，便可得到湍流通量。用空气动力学方法需求通量。用空气动力学方法需求K K值但是较难得值但是较难得到且往往误差很大。能量平衡法避开了这一到且往往误差很大。能量平衡法避开了这一难点。难点。8在仪器及观测技术良好的条件下在仪器及观测技术良好的条件下,值越小值越小,1,1在在(1(1)中所占的比重越大中所占的比重越大,(1,(1)的误差的误差就越小，最后结果越准确。就越小，最后结果越准确。8只需两个高度的要素梯度
8、观测值。只需两个高度的要素梯度观测值。2.波文比波文比- -能量平衡法的问题探讨能量平衡法的问题探讨2.2 存在的问题：存在的问题：8R RN N和和Q QS S的误差，在计算的误差，在计算LELE的过程中是累积的。的过程中是累积的。因因和和ee的符号可以相反，所以的符号可以相反，所以LELE的误差的误差范围可以是零到无穷大。范围可以是零到无穷大。8波文比法在实际应用中，还存在着更为严重波文比法在实际应用中，还存在着更为严重的不足，用波文比法计算出的的不足，用波文比法计算出的LELE，可能与实，可能与实际方向相反。际方向相反。 8在应用波文比法时，有时会出现计算结果与在应用波文比法时，有时会出
9、现计算结果与实际情况在数量级上相差很大。实际情况在数量级上相差很大。 2.波文比波文比- -能量平衡法的问题探讨能量平衡法的问题探讨2.3 观测时应注意的问题观测时应注意的问题8要求观测仪器误差小；要求观测仪器误差小；8K KH HKKq q假定与实际情况不符所引起的误差不能忽略，尤其强假定与实际情况不符所引起的误差不能忽略，尤其强烈逆温下烈逆温下K KH H不等于不等于K Kq q，必须做，必须做K KH HKKq q假定的补充订正；假定的补充订正；8波文比法尤适合于较潮湿的大气条件；在风速较小时能量平波文比法尤适合于较潮湿的大气条件；在风速较小时能量平衡法优于空气动力学方法；衡法优于空气动
10、力学方法；8测点应位于田块中央，风浪区长度为所布设的温度传感器和测点应位于田块中央，风浪区长度为所布设的温度传感器和风速仪器高度的风速仪器高度的100-200100-200倍；倍；8观测高度应为株高的观测高度应为株高的1.51.5倍，这样才能使倍，这样才能使K KH HKKq q成立；成立；8要求天气平稳少变要求天气平稳少变, ,辐射和风速没有过于剧烈的变化；辐射和风速没有过于剧烈的变化；8应避开早晚应避开早晚(R(RN N-Q-QS S) )很小或为负值的短暂时段。很小或为负值的短暂时段。2.波文比波文比- -能量平衡法的问题探讨能量平衡法的问题探讨3.1 波文比系统波文比系统3.有关仪器介
11、绍有关仪器介绍3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.1 波文比系统波文比系统波文比全自动观测系统测定冬小麦冠层能量平衡波文比全自动观测系统测定冬小麦冠层能量平衡3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.1 波文比系统波文比系统波波文文比比控控制制箱箱023/CO2波文比流动控制器波文比流动控制器l应用能量平衡波文比技术测量应用能量平衡波文比技术测量 水蒸气、水蒸气、CO2、温度梯度、温度梯度8 CR23X 数据采集器数据采集器8 Li-Cor6262 CO2/H2O红外分红外分 析仪析仪l所测变量：所测变量：8 H2O 梯度梯度8 用热电偶测两层高度空气温度用热电偶测两层高度空气温度8 净辐射净辐射8 总土壤
12、热通量总土壤热通量3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.2 换位式波文比仪换位式波文比仪 1:支架支架 2:倒向电机倒向电机 3:皮皮带 4:托架托架2个个 5:通通风干湿表干湿表2个个 6:限位开关限位开关 7:温湿度温湿度测量量电路路 8:换位控制位控制电路路 9:数据采集及控制数据采集及控制电路路10:电源源电路路11:计算机算机12:立柱立柱2根根13:高度高度标尺尺3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.2 换位式波文比仪换位式波文比仪工作原理工作原理: :两根立柱垂直放置，支架两根立柱垂直放置，支架上端安装倒向电机上端安装倒向电机2 2，倒向电机带动，倒向电机带动皮带皮带3,3,两个通风干湿表两
13、个通风干湿表5 5分别安装在分别安装在托架托架4 4上，两个托架分别与两个立柱上，两个托架分别与两个立柱滑动配合，皮带的两端分别系住两个托架。在倒向电机的下面，每个立柱滑动配合，皮带的两端分别系住两个托架。在倒向电机的下面，每个立柱的上端各安装一个限位开关的上端各安装一个限位开关6 6。托架在倒向电机的带动下沿立柱向上滑动。托架在倒向电机的带动下沿立柱向上滑动, ,托架触及到限位开关后，倒向电机停止转动。两个通风干湿表分别达到最托架触及到限位开关后，倒向电机停止转动。两个通风干湿表分别达到最高检测点和最低检测点。经过一段稳定时间，两个通风干湿表开始检测数高检测点和最低检测点。经过一段稳定时间，
14、两个通风干湿表开始检测数值，该数值送到温湿度测量电路值，该数值送到温湿度测量电路7 7进行放大等信号处理进行放大等信号处理, ,计算机计算机1111发出指令发出指令指挥数据采集及控制电路指挥数据采集及控制电路9,9,按照特定的时间发出数据采集指令给温湿度测按照特定的时间发出数据采集指令给温湿度测量电路量电路7 7进行下一步数据采集进行下一步数据采集, ,换位控制电路换位控制电路8 8按照数据采集及控制电路按照数据采集及控制电路9 9的的指令控制倒向电机的转动指令控制倒向电机的转动, ,电源电路电源电路1010给各电路给各电路7,8,97,8,9提供动力电源。一般提供动力电源。一般情况情况, ,
15、两个通风干湿表每隔两个通风干湿表每隔5-105-10分钟换位一次分钟换位一次, ,换位时间可调，换位后通风换位时间可调，换位后通风干湿表达到稳定后开始检测数值。干湿表达到稳定后开始检测数值。 3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.2 换位式波文比仪换位式波文比仪优点：优点：在实际使用的各种梯度在实际使用的各种梯度测量中，一般都采用通过空气测量中，一般都采用通过空气中两点的测量计算得到梯度。中两点的测量计算得到梯度。同样，当温度传感器的精度高同样，当温度传感器的精度高于实际温度梯度时，可以通过使用换位式波文比观测仪，达到于实际温度梯度时，可以通过使用换位式波文比观测仪，达到进一步提高测量精度的目的。其
16、具体方法是：采用两个温、湿进一步提高测量精度的目的。其具体方法是：采用两个温、湿度传感器在一个换位周期的两组测量值之差取平均的方法，以度传感器在一个换位周期的两组测量值之差取平均的方法，以达到消除系统误差的目的，从而提高了波文比仪的测量精度。达到消除系统误差的目的，从而提高了波文比仪的测量精度。3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.2 换位式波文比仪换位式波文比仪注意：注意：(1)(1)温度传感的换位平衡时间温度传感的换位平衡时间对系统的影响对系统的影响: :该仪器在工作中，每该仪器在工作中，每一次换位必然带来温度传感器重新一次换位必然带来温度传感器重新建立平衡的问题。故在换位完成后建立平衡的问题。
17、故在换位完成后, ,不能立即进行温度采样，要在两温度传感器与换位后的气温建立新的平衡不能立即进行温度采样，要在两温度传感器与换位后的气温建立新的平衡后再开始采样才能保证仪器的正常使用。后再开始采样才能保证仪器的正常使用。 (2)(2)换位周期对测量的影响换位周期对测量的影响: :由于该仪器的工作过程是建立在一个换位周期由于该仪器的工作过程是建立在一个换位周期时间内的，在这一周期中气温剖面会有变化，气温梯度也可能不稳定，所时间内的，在这一周期中气温剖面会有变化，气温梯度也可能不稳定，所以换位周期的时间长短程度及气温的变化程度决定了对整个系统的影响程以换位周期的时间长短程度及气温的变化程度决定了对
18、整个系统的影响程度，一般换位时间周期越长对系统的影响越大。但在实际大气中，高低两度，一般换位时间周期越长对系统的影响越大。但在实际大气中，高低两点间的气温的变化是很有限的。所以只要把两次测量之间的实际大气变化点间的气温的变化是很有限的。所以只要把两次测量之间的实际大气变化量控制在仪器固有的精度以内，就对换位式测量没有影响。量控制在仪器固有的精度以内，就对换位式测量没有影响。(3)(3)换位距离的选择换位距离的选择: :一般说两传感器间的距离越大，一般说两传感器间的距离越大，的测量越容易但的测量越容易但在实际大气中使用却不一定完全如此。一旦两传感器之间的气温剖面不是在实际大气中使用却不一定完全如
19、此。一旦两传感器之间的气温剖面不是单调剖面就会造成方法上的失败。故换位距离近一点更保险些。单调剖面就会造成方法上的失败。故换位距离近一点更保险些。3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.3 多通道波文比观测仪多通道波文比观测仪组成：组成： 本套波文比观测仪由本套波文比观测仪由 温湿度传感器温湿度传感器、数据数据 采集仪采集仪、热流传感器热流传感器 、通风电机通风电机、太阳能太阳能 供电装置供电装置、辐射表辐射表和和 支架支架等部分组成。等部分组成。 多多通通道道波波文文比比仪仪框框架架图图3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.3 多通道波文比观测仪多通道波文比观测仪各传感器主要性能：各传感器主要性能：(1)
20、干湿球温度传感器干湿球温度传感器(a)(a)空气温度传感器测量空气温度传感器测量范围范围:-20:-20+60+60(b)(b)精度精度:0.1:0.1该传感器经调试其电阻值与该传感器经调试其电阻值与温度之间呈强负相关。温度之间呈强负相关。多多通通道道波波文文比比仪仪框框架架图图3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.3 多通道波文比观测仪多通道波文比观测仪各传感器主要性能：各传感器主要性能：(2)TBQ-2型型辐射传感器辐射传感器(a)(a)灵敏度灵敏度:11.022vwm:11.022vwm-2-2(b)(b)响应时间响应时间:30sec(99%):30sec(99%)(c)(c)线形误差线形误差
21、:3%:3%(d)(d)温度特性温度特性:5%:5% (-40 (-40+40)+40)(e)(e)稳定度稳定度:2%:2%辽宁锦州辽宁锦州323323研究所生产研究所生产. .多多通通道道波波文文比比仪仪框框架架图图3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.3 多通道波文比观测仪多通道波文比观测仪各传感器主要性能：各传感器主要性能：(3)数据采集仪数据采集仪采用自行研制的多通道温度测量采用自行研制的多通道温度测量仪仪, ,可自动并行测量可自动并行测量8 8个通道的温个通道的温度，各度，各2 2个通道的热流和辐射个通道的热流和辐射, ,获获得各测点的同步变化信息，消除得各测点的同步变化信息，消除测量过程
22、由于人为原因造成的误测量过程由于人为原因造成的误差。采用软件同时检测各通道电差。采用软件同时检测各通道电平高低平高低, ,进行逻辑分析运算进行逻辑分析运算, ,对各对各通道的测量值同时进行计数，再通道的测量值同时进行计数，再经经80C3180C31单片机数学处理后转换单片机数学处理后转换为温湿度为温湿度, ,热流热流, ,辐射值并同时将辐射值并同时将数据贮存。数据贮存。多多通通道道波波文文比比仪仪框框架架图图3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.3 多通道波文比观测仪多通道波文比观测仪各传感器主要性能：各传感器主要性能：(4) HF-1型型热流传感器热流传感器(a)(a)内阻内阻:300:300(b
23、)(b)温度范围温度范围:-40:-40120120(c)(c)尺寸尺寸:120144(mm):120144(mm)(d)(d)热流量热流量(Wm(Wm-2-2) ) = =系数系数(Wm(Wm-2-2mv)mv)输出输出( (mvmv) )(e)(e)测量范围测量范围:0:02000%Wm2000%Wm-2-2(f)(f)精度精度:5%:5%辽宁锦州阳光科技发展有限公司辽宁锦州阳光科技发展有限公司多多通通道道波波文文比比仪仪框框架架图图3.有关仪器介绍有关仪器介绍3.3 多通道波文比观测仪多通道波文比观测仪优点：优点： 该套仪器可以同时测该套仪器可以同时测 量地面上量地面上 4 4个不同高个不同高 度的温湿度，这样可度的温湿度，这样可 以减少测量过程中人以减少测量过程中人 为因素造成的误差，为因素造成的误差， 提高实验数据准确性。提高实验数据准确性。多多通通道道波波文文比比仪仪框框架架图图
