一些能量平衡闭合问题的观点外文翻译资料

 2022-12-03 14:38:50

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一些能量平衡闭合问题的观点

摘要：本文在简要讨论了地表能量平衡闭合问题的几个原因后，重点讨论了湍流谱低频部分对剩余部分的影响。湍流谱中湍流通量的变化对残差的变化有显著影响。利用ogive方法，我们发现，eddy-协方差法低估了在ogive收敛的情况下的湍流通量，比一般的30min平均间隔时间要长。此外，eddy-协方差法低估了平均区间内最大ogive函数的湍流通量，主要是由于平流和非稳态条件。这对eddy-协方差法的使用有相当大的影响。

1.引言

在1980年代后期，地球表面的能量平衡显然不能用实验数据来封闭。有效能量，即净辐射和地热流的总和，在大多数情况下大于显热和潜热的湍流通量的总和。这是1994年在格勒诺布尔举行的讲习班的一个主要议题( Foken和Oncley，1995年)。在大多数陆地表面实验中( Bolle等人。1993年；卡内马苏等人。1992年；茨万等人。和二氧化碳通量网络( Aubinet等人)。2000年；威尔逊等人。，2002 )，能量平衡闭合的程度达到了约80 %。剩余部分是


RES = R1 - h1 -lambda;E - G ( 1 )


R n :净辐射，H :显热通量，lambda;E :潜热
通量，G :土壤热通量。

这个问题不能仅仅被描述为统计分布测量误差的影响，因为还有明显被低估的湍流通量或高估的可用能量。文献中讨论了这种不一致的几个原因，最近在Culf等人的综述文件中讨论了这种不一致的原因。( 2004年) :

I )最常见的讨论点是测量误差，特别是涡流协变技术的测量误差，这导致对湍流通量的系统低估。传感器的改进、校正方法的改进以及更严格地确定数据质量的应用( Foken等)。，2004 )使得该方法在过去十年中更加可靠( Moncrieff，2004 )。

ii )由于不同的测量方法(净辐射-表面、湍流通量 - 约地表以上5m，土壤热通量 - 约地表以下10 cm )，冠层和土壤中的能量储存经常被认为是能量平衡不闭合的原因。Foken et al.(2001)在1999年报告了全欧洲的日全食，在辐照和湍流的通量之间有一段时间的变化，这对能量平衡闭合有影响。库哈特等人( 2000 )还发现，土壤热通量与能量平衡闭合密切相关，这与土壤上层的能量储存有关。为了准确测定土壤热通量，包括储存效应，在非湍流条件下，夜间可以达到能量平衡闭合( Mauder等人,2006年) 。在树冠层的储存通常可以忽略不计。

  1. 能量平衡不闭合也与地表的异质性有关(Panin et al.，1998)。作者认为，在较大的时间尺度上，异源性产生的涡流比用eddy-协方差法测量的涡流更大。由于波长较长，这个问题也与平流和通量密切相关 (Finnigan et al., 2003; Sakai et al., 2001)或有组织的湍流结构(Inagaki et al.， 2006;kanda et al .,2004)。

本研究基于litfass2003实验的选定数据集(Mengelkamp et al.， 2006)，重点讨论闭合问题的最后一个问题(iii)。根据我们对Mauder et al.(2006)所使用的数据集的现有知识，假定与问题相关的问题(i)和(ii)的问题得到了验证和纠正。本研究只针对选定的数据集进行单一时间序列的研究，而不是像Mauder et al.(2006)对litfass2003实验中所做的能量平衡关闭的每日周期和剩余量的表示。

2.litfass 2003 实验的选定数据集

2003年5月和6月的LITFASS - 2003试验旨在研究20times;20 km2 (Beyrich et al., 2002a)典型数值天气和气候模式下非均匀景观中的湍流通量。观测位置是位于德国柏林东南的德国气象局林登伯格地区的气象台。实验设计类似于早期的实验LITFASS - 98 (Beyrich et al., 2002b)具有更新和扩大的测量概念以及与建模概念的更密切关系。本研究仅选取了Bayreuth大学的玉米田数据集。它位于法尔肯伯格德国气象局边界层场地附近。在试验开始时，该地可被描述为几乎裸露的土壤，在本研究的选定日期，冠层高度约为45 - 55厘米，叶面积指数非常低。

在本次观测中，仅选择了三天( 07 - 09 / 06 / 2003 )的数据集，其特点是风速从07年到09/06/2003年增加，并且几乎是理想的和完全相同的日辐射周期，由于2003年9月06日的云层，仅出现一些散射。以后讨论的条件不限于此期间;选择的日子是解释这些研究结果的“黄金时期”。 并与2003年5月22日至2003年6月17日的实验数据进行了比较。

此外，有意选择这一地点是为了利用高质量的传感器和研究土壤中蓄热动态的机会。湍流综合装置(距地面2.69米)配备了声波风速仪(CSAT3, Campbell Inc.，美国)和LICOR 7500气体分析仪(美国LICOR，美国)。数据校正和计算程序由Mauder和Foken(2004)描述，包括一个完整的质量控制和足迹分析(Foken et al.， 2004)。此外，辐射传感器(albedometer: CM24, Kipp amp; Zonen，荷兰;在实验前，比较了双圆顶式高温计:PIR, Eppley, USA。土壤中有5个热流板，温度剖面为9个，土壤湿度为3级。表面的土壤热通量是由梯度法(应用于20cm深度)和量热法(土壤蓄热随时间变化，在0到20cm深度之间的变化)的组合计算出来的，这是通过敏感性分析发现的最佳方法(Liebethal et al.， 2005)。

在2003年5月19日至2003年6月17日的测量期间，每天的最高温度都高于25℃。绝对湿度在5至15gm 3之间。显热和潜热通量的典型最大值在150 w /m2和200 w /m2之间。平均风速约为3米每秒，30分钟最大值以及10m高度为11米每秒。由无量纲参数z / L表示的大气分层，其中z是2.69米的测量高度，L是Obukhov长度，夜间为0.5，白天为-0.5。

3能量平衡闭合的剩余量调查

正如简介中提到的那样，能量平衡闭合残差的原因可能与湍流谱（i和ii）的高频部分关系不那么密切，但与低频部分（iii）有明显关联。 因此，本节在湍流通量平均间隔30min的基础上，分别对高低频部分进行了研究，最后对低频部分进行了240min的分析。 本文仅在平均间隔不太大的范围内讨论通量问题。 在LITFASS-2003期间关于能量平衡闭合的综述文章（Foken et al。，2006）中讨论了平均间隔的更长时间延长以及关于问题I和ii的结果。

3.1湍流谱的低频部分和高频部分

在本研究中，利用小波滤波器(Thomas and Foken, 2005)将湍流时间序列分割为频率较低且高于0.1Hz的部分。利用滤波后的数据，通过eddy-协方差分析了低频和高频通量。该方法的能量是一致的，因为这两种通量的总和等于用eddy-covariancemethod确定的30min区间的通量。

由于湍流通量的两个部分与残差的直接比较没有显示出显著的相关性，因此研究了通量和残差的时间动态。为此目的，基于重叠的30分钟间隔以5分钟的时间分辨率确定感热通量和潜热通量的两部分以及残余物。每个参数在两个相邻时间戳之间的变化被用作其时间动态的测量。随后，分析了时间动力学与不同通量贡献之间的相关性以及残差的时间动力学。为了减少待分析参数的数量，将感热通量和潜热通量的高频部分相加，建立了高频湍流热通量Q hi。在低频范围Q - lo内的湍流通量被类似地定义。建立这种复合通量是合理的，因为两个低频部分和相应的两个高频部分的动力学之间的相关性是明显的( R2 gt; 0.5 )，而感热通量和潜热通量的两个部分的动力学之间没有显著的相关性( R2 lt; 0.1 )。

高频范围Q hi内湍流通量的变化与残差变化之间没有相关性。 相反，低频范围内的湍流通量变化与残差变化密切相关（图1），并且在07/06/2003（R 2 = 0.85）和08 / 06/2003（R 2 = 0.71）。 在2004年6月9日（与变化的积云混浊）没有发现显着的相关性。 由于云量变化引起的净辐射陡峭跳跃总是与相关程度较小有关，因为在这种情况下，湍流通量的惯性反应会导致高度可变的残差。 排除所有三天中净辐射变化大于其标准偏差2.5倍的数据，低频范围内有显著相关性（R 2 = 0.85; 0.89; 0.87），但仍不适用于高频范围。

从这些结果可以看出，能量平衡闭合的剩余部分与湍流通量的低频部分比高频部分更紧密地联系在一起。在接下来的章节中，我们将用合适的ogive测试来研究这个低频部分。

3.2 ogive测试

Desjardins al.(1989)和Oncley et al.(1990)在对湍流通量的研究中引入了ogive函数。这一功能被提出作为一个测试，以检查所有低频部分是否包括在用eddy- co方差法测量的湍流通量中(Foken et al.， 1995;Foken et al .,2004)。ogive是从最高频率开始的共谱的累积积分。

Co w,x:湍流的共谱，w:垂直风分量，x:水平风分量或标量，f:频率。在本研究中，对时间序列的所有有趣组合的共谱计算可达4小时。虽然只是频率值高于约值。1.39times;10 -4 Hz，对应于两个小时的时间，较短的时间用于测试，潜在的间隔时间为4小时，提高了统计学意义。由于通量的日循环和高的非稳态条件，较长时期未被研究。因为ogive测试必须用原始的而不是gap填充的时间序列进行特殊的测试:如果缺失值在时间序列中，ogive测试就会失败。我们发现，即使是288000个数据点(4h)，也可以接受不存在任何缺失值的间隔，以避免任何基于缺陷共谱的obe被自动选择方案标记为可靠的。

然而，由于这个严格的标准，许多看起来相当现实的obe被丢弃了。此外，在原始数据中，垂直风和水平风或标量的时间偏移必须小于0.5，并且必须修正。可接受的数据集的数量与动量、敏感和潜热通量不同。为了比较数据，分析了所有三种通量所能接受的数据集。因此，在黄金时期，这个数字减少到17，整个实验减少到121。ogive的收敛性分析如下:

在理想收敛的情况下，ogive函数在从高频率到低频率的整合过程中增加，直到达到一定的值，并且在30分钟积分时间之前保持在大致恒定的平台上。如果满足这个条件，则30min协方差是湍流通量的可靠估计，因为我们可以假设整个湍流谱在该区间内被覆盖，并且只有可以忽略的更长波长的通量贡献（情况1）。由于光谱的可变性，当定义案例1（表1）时，我们容忍偏差为10％的平稳值。图2a可以作为这种情况的一个例子。但也可能发生的情况是，ogive函数显示极值并在之后再次减少（情况2，图2b），或者ogive函数没有显示高原，而是整体上增加（情况3，图2c）。对应于情况2或3的Ogive函数表明30分钟的通量估计可能不足。

在表2中给出了所有三天和整个实验中符合这些情况的测量系列的数量的概况。注意，为获得更高时间分辨率，ogives所基于的相邻四小时时间序列重叠两小时。在2003年6月9日，所有可接受的ogive都收敛(情况1 )，并且在大多数情况下，对于所有通量，5分钟后已经达到收敛ogive函数。在07年和08 / 06 / 2003年，潜热通量的涡旋比显热通量的涡旋更趋于收敛。2003年6月7日有一种趋势，即积分间隔越短，积分间隔越大(情况2 )。在所用的小数据集内，无法发现上午和下午出错数据发生频率的典型差异。

从这些结果可以看出，涡流协方差法并不能在所有情况下测量30分钟间隔内的总通量。30分钟的通量可以减少，因为总通量已经在较短的时间周期内达到(情况2 )，并且由于非稳态条件或长壁趋势，或者因为对于大于30分钟的积分周期可以发现显著的通量贡献，所以高达30分钟的积分减少了通量(情况3 )。

为了强调这一发现，相对残差(由可用能量归一化的残差)

与120分钟积分时间的ogive值除以30分钟积分时间的ogive值进行比较；

这在图3中示出。对于R ogsim;1，ogives在30分钟的时间间隔内收敛(情况1 )。在ogives的良好收敛的情况下( R og = 1 )，所有相对残差的值都是可能的，包括相对残差小于0.1的情况(能量平衡方程是完全闭合的)。对于R og gt; 1，ogives收敛的时间间隔大于30分钟(情况3 )，而对于R og lt; 1，它们具有最大值(情况2 )，在大多数情况下，收敛的时间间隔小于30分钟。在图3中，对于高相对残差，R og的散射相当高，而低相对残差对应于R ogasymp;1。在每个子图中可以看到顶部向下的三角形结构。三角形的底部边界可以作为可能的最小值
在一定的R值下的相对残差。显然，R ogasymp;1是相对残差的可能最小值的约束。

如果ogive函数在小于30分钟的时间段内具有极值，并且在较长的积分时间内减小，则必须假定湍流通量也发生减小(情况2 )。这种情况仅发生在具有非稳态条件的转变时间或具有低通量的时段中。这可以从图2a和2b中的ogive函数的值的比较中看出。因此，这种情况不是很容易调查的，因为它很少发生。特别是对于显热通量，不同的涡流尺寸也具有不

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