能量平衡闭合问题某些方面的讨论外文翻译资料

 2022-12-08 03:12

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能量平衡闭合问题某些方面的讨论

摘要：在简要讨论了表层能量平衡不闭合的几个原因之后，本文重点讨论了湍流频谱的低频部分对剩余能量的影响。发现在这部分的湍流谱的湍流通量的变化对残余能量有相当显著的影响。使用该方法对能量平衡闭合问题进行研究后发现，涡度相关法的ogives函数在比三十分钟的平均间隔长的情况下，低估了湍流通量的能量变化。此外，对湍流通量长时间的观测中发现，涡度相关法低估了湍流通量最大的ogives函数内的平均时间间隔，主要原因在于对流和非稳态条件。这对我们使用涡度相关法造成了很大的影响。

1 简介

上世纪80年代末，实验数据表明地球表面的能量平衡不闭合。发现在大多数情况下，可用的能量，即净辐射和地面热通量的总和，要大于感热通量和潜热通量的总和。这是1994年在格勒诺布尔举办的研讨会的主要议题（foken和oncley，1995）。在二氧化碳通量网中（aubinet et al.，2000；Wilson et al.，2002），只有大约百分之八十的能量平衡闭合。剩余能量方程为：

Rn：静辐射；H：感热通量；：潜热通量；G：土壤热通量；这个问题不能仅仅被描述为一个影响测量误差的统计分布，因为湍流通量被低估并且可用的能量明显被高估。在文献中，已经讨论了造成这种不协调的很多可能的原因。

（I）讨论最多的一点是测量误差，尤其是涡度相关技术，导致系统性低估了湍流通量。改进了传感器和校正方法，并且应用一个对数据质量更严格的测定（foken et al.，2004）在过去的十年内，这种方法显得更可靠（Moncrieff，2004）。

（II）由于不同的平衡层和不同测量方法的尺度（净辐射表面，湍流通量约5米以上的表面，和土壤热通量约10厘米以下的表面），讨论作为保证能量平衡的一个原因是能量储存在树冠和土壤中。foken等人。（2001）在欧洲的的日全食，时间长度约为30分钟，这对能量平衡闭合具有相当重要的影响。kukharets等人还发现土壤中的热通量和能量平衡闭合密切相关，原因是土壤能量存储在上部土壤层。对于土壤热通量和存储效应的精确测定，发现能量平衡被在晚上的非湍流条件下关闭，在树冠的存储往往可以忽略不计。

（III）能量平衡不闭合的原因之一是连接地表的异质性（PanIN et al，1998）。作者假定非均质性在较大时间尺度涡旋产生比涡，意味着赞同涡度相关法。这个问题是由于波长较长，对流通量密切相关（Finnigan et al.，2003；酒井等人，2001）或有组织的湍流结构（Inagaki 等.，2006；神田等人，2004）。

本研究是基于LITFASS-2003试验的所选数据集（Mengelkamp等人，2006年）和集中于封闭问题（iii）的最后一个问题。假设有关的问题（i）所述的问题和（ii）分别为指明分数，并根据我们通过Mauder等人所使用的数据集目前的知识纠正。 （2006）。本研究调查了所选数据组每日循环和剩余的能量的显示，而不是单一的时间序列，如Mauder等人所做的能量平衡关闭。 （2006年）为LITFASS-2003的实验。

2 LITFASS-2003实验中选定的一些数据集

LITFASS-2003实验在5月和6月的目的是探讨在20times;20公里（beyrich et al.，2002）地区的气象台林登贝格的异质湍流通量的大小，作为一个典型的数值天气预报和气候模型。

德国柏林东南部的气象服务。实验设计是类似于早期的实验litfass-98（beyrich et al.，2002）的更新和扩大测量概念和关系的建模的概念。对于这项研究，只有拜罗伊特大学的研究室中有这些相关数据。它位于德国气象服务的边界层现场，该地的特点是几乎裸露的土地。冠层高度约为45.55厘米，这项实验会选择在一个叶面积指数非常低的时间开始。

对于这项调查，只有三天（09 / 06 / 2003 / 07）的数据集被选中，其特征是从07到09 / 06 / 2003和几乎理想和相同的每日周期的辐射增加风速从/ 09 / 2003 / 06。讨论的条件不限制在这一时期，选定的天是“黄金天”，解释这项研究的结果。结果也与整个实验的数据集从22 / 05 / 2003到17 / 06 / 2003。

此外，该网站是故意利用高质量的传感器和机会研究土壤的热库动态。湍流复杂（地面2.69米以上）配备了一个声波风速计（csat3，坎贝尔公司，美国）和一个LICOR 7500气体分析仪（LICOR，USA）。数据校正计算程序是通过聚集起来，foken描述（2004），包括一个完整的质量控制和足迹分析（foken et al.，2004）。此外，辐射传感器进行了比较实验前。土壤中有五个热通量板，温度分布与九个水平，和土壤水分分布与三个层次。在表面的土壤热通量计算从一个组合的梯度法（适用于20厘米深）和量热法（土壤热储存的变化）随着时间的推移，应用0和20 cmdepth之间），这是一个敏感性分析的最佳方法（liebethal et al.，2005）。

在测量期间从19 / 05 / 2003 17 / 06 / 2003，温度最大值分别为25摄氏度以上每天。绝对湿度为5和15 g mminus;3.typical极大值的显热和潜热通量在150 WMminus;2之间200 WMminus;2。平均风速约3米的minus;和30 min最大值和身高在10米11米1的minus;。由无量纲参数表示的大气分层，在那里是2.69 M和L是Obukhov长度测量高度，介于0.5和0.5minus;在白天夜间。

3 能量平衡闭合剩余的研究

正如在简要介绍中所提到的，能量平衡闭合的原因可能是与高频部分的湍流谱（Ⅰ和Ⅱ），但与低频部分（Ⅲ）可能是不太连接的原因。因此，在这一节中，根据通常的平均间隔为30分钟，高和低频部分的湍流通量进行了分别调查，最后，低频部分的光谱分析了240分钟。本文仅包括在一个不非常大的扩展的平均间隔的通量的问题。再扩展的平均时间间隔，以及对于问题I和II的结果，进行了关于能量平衡闭合概述论文期间LITFASS-2003（foken et al.，2006）。

3.1湍流谱的低频和高频部分

本次调查中，湍流时间序列分割成部分频率低于和高于0.1赫兹使用小波滤波器（托马斯和foken，2005）。低和高频通量的测定通过使用过滤的数据的涡度协方差。该方法是能量一致的，因为这两个通量的总和等于30分钟的时间间隔与涡度相关法确定的湍流通量。

由于直接比较的两个部分的湍流通量与剩余的能量没有表现出显着的相关性。为了显示出时间动态的通量和残留的影响，在五分钟的基础上重叠30分钟的时间间隔来确定这两个部分的显着和潜热通量和残留的时间分辨率。

相邻时间的每个参数的变化被用来衡量其时间动态。随后，对时间动态和不同的通量贡献还有剩余的时间动态之间的相关性进行了分析。为了减少分析的参数的数目，对高频部分的感热和潜热通量进行了总结，建立了高频湍流热通量。在低频范围内的湍流通量的定义类似Q。因为相关性两低频部分的动力学和相应的两个高频部分明显（R2＞0.5），而两部分的动力学以及潜热通量的相关不显著（R2＜0.1）。

在高频湍流谱Q中，湍流通量的变化与变化之间的残余并非没有相关性。相反，变化的湍流通量在低频范围内和剩余的变化是密切相关的（图1）。在2003年6月7日（R2 = 0.85）、2003年6月8日（R2= 0.71）和2003年6月9日（改变积云云层）之间不存在显著的相关关系。排除三天内所有的数据与净辐射大于2.5倍标准差的变化，发现只在低频范围内存在显著的相关性（R2= 0.85；0.89；0.87），高频范围内仍然没有。

从这些结果中可以发现，它遵循的能量平衡闭合的剩余部分的湍流通量只存在于低频部分，而不是在高频部分。在下面的研究中，低频部分的湍流通量会进行一些对应的试验研究。

3.2 ogives函数测试

德贾斯丁和oncley等人。（1990）介绍了曲线函数的湍流通量的研究。这个函数提出了一个测试来检查是否所有的低频部分都包括了涡度相关法测量的湍流通量（foken et al.，1995；foken et al.，2004）。Ogives函数的累积积分的特征的最高频率为：

Cow,x:湍流通量谱;:风的垂直分量；x：风的水平分量；f：频率，在这项研究中，共光谱的时间序列的所有有趣的组合，计算了四小时。虽然只有频率值高于约1.39 10-4 Hz对应于两小时短周期进行测试，四小时基本区间提高了统计学意义。长时间没有被调查的通量和高非稳态条件下的日循环。由于该试验必须与原没有间隙填充时间序列的特殊试验必须做到：如果缺失值的时间序列曲线测试失败。结果发现，即使是288的000个数据点（4小时）的时间间隔没有任何遗漏值可以接受，为了避免基于有缺陷的有限光谱任何ogives标记为可靠的自动选择方案。然而，一些看起来很真实，ogives函数由于这种严格的标准被抛弃。此外，垂直风的时间偏移和水平风或标量在原始数据必须低于0.5秒，并已被纠正。可接受的数据集的数量是不同的势头，显式和潜热通量。要比较的数据，只有数据集可以接受的所有三个通量进行了分析。Ogives函数的收敛分析如下：

在理想的收敛情况中，ogives的功能为：增加高频率从整合中低频至一定值达到并保持在较稳定的高原在30分的积分时间。如果这个条件得到满足，30分钟的协方差是一个可靠湍流通量估计数值，因为我们可以假设整个湍流频谱覆盖范围内的时间间隔，有只有可以忽略不计的通量贡献从较长的波长（1例）。由于光谱的变异，我们容忍偏差为10%的高原价值时，定义的情况下1（表1）。图2a可以作为一个例子，这种情况下。但它也可以发生，该函数显示一个极值，再次下降之后（2，图2b）或卵形功能不显示高原但增加整个（案例3，图2C）。对应2或3曲线函数表示30分钟磁通估计可能是不够的。

在表2中给出了一个符合这些情况的测量系列的数量的概述三天和整个实验。注意，相邻的四小时的时间序列上的重叠ogives两小时以获得更高的时间分辨率。在2003年6月9日，所有接受ogives是收敛的（例1）和大部分时间已经收敛曲线功能后五分钟达到所有通量。在07和08 / 06 / 2003，对潜热通量的ogives往往收敛比感热通量的弧拱。有一对短的积分区间最大ogives趋势（案例2）发生在2003年6月7日。典型的差异在早上和下午的情况下的频率的情况下不能在小数据集使用。

从这些发现中，有如下的涡动协方差方法不能测量总流量在30分钟的时间间隔在所有情况下。30分钟的流量可能是因为已经总通量在更短的时间内达到减少（2例）和长达30分钟的一个集成减少了由于非稳态条件或长波趋势的通量，或因为重大通量贡献可以发现积分时间大于30 min（案例3）。

为了强调这一发现，相关剩余量（可用的剩余能量归一化）：

比较了该值在120分钟的积分时间和分为30分钟的积分时间的曲线值：

这是在图3所示。对于Rogsim;1，收敛的ogives在30分钟的时间间隔（案例1，在ogives良好的收敛性的情况下（Rog = 1），相对剩余的所有值都是可能的，包括的情况下，相对剩余小于0.1（能量平衡方程全封闭）。对于Roggt; 1 ogives收敛更长的时间间隔超过30分钟（例3）和罗杰＜1他们有一个最大的（例2），在大多数情况下，时间间隔小于30分钟，在图3中，高相对残差的Rog的散射是相当高的，而低相对残差对应Rogasymp;1。一个三角形状结构的顶面,向下可以看到每个三角形的底边可以作为在一定值的相对残余ROG可能的最小值。显然，Rogasymp;1为相对剩余的一个可能的最小值约束。

必须假定，如果该函数对时间低于30分钟，减少较长的积分时间的极值也出现减少的湍流通量（案例2）。这种情况下只发生在与非稳态条件或低通量期间的过渡时间。这可以从图的曲线函数值比较看。2A和B，因此，这种情况下是不了解很容易，因为它不经常发生。看来，特别是对感热通量，不同的涡流大小有不同的迹象。

此外，在通量的30分钟的整合时间内，如果能量也被运用在低频涡（案例3）。原因是非稳态条件和趋势，既不能完全或至少不被发现（foken维丘拉和相关测试，1996；维氏和mahrt，1997），或对流条件。这些研究结果解释的事实，湍流通量总是低估。一个简化的修正的湍流通量的卵形功能比30 min和最大曲线功能（极端或收敛）显示减少的残余（图4）。由于磁通的变化不是很大，只有大约80–85%相关的数据如图4所示的两部分（裸眼及矫正）是不是很不同。更有趣的是可见的结果，校正在不同的时间有不同的影响，主要从2003年7月6日到2003年9月6日。

4 结论

从本研究的结果和许多其他学者的论文中，可以假定在湍流通量的湍流谱的高频范围内，可以准确地用涡度相关法进行测定。根据我们目前的知识，并不能解释剩余能量平衡闭合（I）。此外，由于存储的影响不同的通量之间的时间变化，不能解释剩余30分钟变化的意义（Ⅱ）。

因此，对于未封闭的能量平衡的主要原因是对湍流谱的低频部分影响（III）。由Finnigan等人已经假定（2003）。一种可能的解释是因为有组织的湍流结构（神田等人.，2004）或次级环流（Inagaki等人，2006）。在该湍流通量频谱的低频部分可以以两种方式影响通量，并且可以部分地解释能量平衡闭合的残留。其中一个原因，菲尼根等人已经讨论过（2003），是因为湍流通量在30

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