에디 공분산

Eddy covariance
초음파 양극계와 적외선 가스 분석기로 구성된 에디 공분산 시스템

에디 공분산(eddy coalance, eddy conservation and eddy flux) 기법은 대기 경계층 내의 수직 난류 유속을 측정하고 계산하는 핵심 대기 측정 기법이다. 이 방법은 이러한 특성의 플럭스 값을 산출하는 [1]고주파 바람 및 스칼라 대기 데이터 시리즈, 가스, 에너지 및 모멘텀을 분석한다. 자연생태계 및 농업분야에 걸친 미량가스의 환율을 결정하고, 다른 토지 및 수역의 가스배출률을 정량화하기 위해 기상학 및 기타 응용(미생물학, 해양학, 수문학, 농업과학, 산업 및 규제적 응용 등)에 사용되는 통계적 방법이다. 그것은 운동량, 열, 수증기, 이산화탄소, 메탄 유량을 추정하는데 자주 사용된다.[2][3][4][5][6]

이 기술은 또한 지구 기후 모델, 메소스케일 및 기상 모델, 복잡한 생물 화학 및 생태 모델, 인공위성 및 항공기의 원격 감지 추정치의 검증 및 조정에도 광범위하게 사용된다. 이 기술은 수학적으로 복잡하며, 데이터를 설정하고 처리하는 데 상당한 주의를 요한다. 현재까지 에디 공분산 기법에 대한 통일된 용어나 단일 방법론은 없지만, 플럭스 측정 네트워크(예: 플럭스넷, 아메리프룩스, ICOS, 카르보유럽, 플럭스넷 캐나다, 오즈플룩스, 네온, 아이리APS)가 다양한 접근법을 통일하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

벤트식 환경에서 산소 유량을 측정하는 에디 상관 계수 기구.

이 기술은 해저와 과적수 사이의 산소 유량을 측정하기 위해 벤트닉 존에 물밑에서 적용 가능한 것으로 추가로 입증되었다.[7] 이러한 환경에서는 일반적으로 에디 상관 기법, 즉 에디 상관 기법으로 알려져 있다. 산소 플럭스는 대기 중 사용하는 원리와 동일한 원리를 주로 따라 원시 측정에서 추출되며, 일반적으로 탄소 교환의 대용품으로 사용되는데, 이는 국내 및 전 세계 탄소 예산에 중요하다. 대부분의 벤트식 생태계에서 에디 상관관계는 현장 플럭스를 측정하는 가장 정확한 기술이다. 그 기법의 개발과 물밑에서의 응용은 여전히 연구의 결실 영역으로 남아 있다.[8][9][10][11][12]

통칙, 일반원칙

대기경계층의 공기흐름 표현

공기 흐름은 수많은 회전하는 에디들의 수평 흐름, 즉 다양한 크기의 격동의 수평 흐름으로 상상할 수 있으며, 에디는 각각 수평과 수직 구성 요소를 가지고 있다. 상황은 혼란스러워 보이지만 탑에서 구성 요소의 수직 이동은 측정할 수 있다.

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에디 공분산법의 물리적 의미

타워의 물리적 지점인 시간 1에서 Eddy1은 공기 c1 소포를 w1 속도로 아래로 이동시킨다. 그리고 나서, Time2에서 Eddy2는 소포 c2를 w2의 속도로 위로 이동시킨다. 각각의 소포는 가스 농도, 압력, 온도, 습도를 가지고 있다. 이러한 요소들이 속도와 함께 알려지면 우리는 유동성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 시간1에서 에디와 함께 물의 분자가 얼마나 많이 내려갔는지, 시간2에서 에디와 함께 얼마나 많은 분자가 올라갔는지를 안다면, 같은 시점에서 이 시간에 걸쳐 이 지점의 물의 수직 유량을 계산할 수 있을 것이다. 따라서 수직 유속은 수직 풍속과 관심 실체의 농도의 공분산으로서 표시할 수 있다.

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요약

3D 바람과 다른 변수(일반적으로 가스 농도, 온도 또는 운동량)는 평균 및 변동 구성 요소로 분해된다. 공분산은 수직 바람의 변동 성분과 기체 농도의 변동 성분 사이에서 계산된다. 측정된 유량은 공분산에 비례한다.

검출된 에디가 발원하는 부위는 확률적으로 설명되며 플럭스 풋프린트라고 불린다. 플럭스 발자국 면적은 크기와 모양이 동적으로 변화하며 바람 방향, 열 안정성, 측정 높이에 따라 변화하며 점차 테두리가 형성된다.

센서 분리, 유한 샘플링 길이, 소닉 경로 평균화 및 기타 기계의 한계는 측정 시스템의 주파수 응답에 영향을 미치며 특히 폐쇄 경로 계측기와 1~1.5m 미만의 낮은 높이에서 눈에 띄는 동시 스펙트럼 보정이 필요할 수 있다.

수학적 기초

수학적 용어로 "에디 플럭스"는 평균값(w-overbar)에서 수직 풍속(w')의 순간 편차와 평균값(s-overbar)에서 평균 공기 밀도(ρa)로 곱한 가스 농도(s')의 순간 편차 사이의 공분산으로 계산된다. 레이놀즈 분해를 포함한 몇 가지 수학적 연산 및 가정은 아래와 같이 난류 흐름의 물리적인 완전한 방정식에서 "에디 플럭스" 계산을 위한 실제 방정식으로 얻는 데 관여한다.

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주요 가정

  • 점에서의 측정은 역풍 영역을 나타낼 수 있다.
  • 측정은 관심의 경계층 내에서 수행된다.
  • 가져오기/플룩스 설치 공간이 적절함 – 플럭스는 관심 영역에서만 측정됨
  • 플럭스는 완전히 난류 상태임 – 대부분의 순 수직 전달은 에디에 의해 이루어진다.
  • 지형이 수평이고 균일함: 평균 변동은 0, 밀도 변동은 무시할 수 있음, 흐름 수렴 및 확산은 무시할 수 있음
  • 계측기는 타워 기반 측정의 경우 최소 5Hz 및 40Hz에 이르는 고주파수에서 매우 작은 변화를 감지할 수 있다.

소프트웨어

현재(2011년)에는 에디 공분산 데이터를 처리하고 열, 모멘텀, 가스 플럭스 등의 양을 도출하는 소프트웨어 프로그램이 많다. 프로그램은 복잡성, 유연성, 허용된 계측기와 변수의 수, 도움말 시스템 및 사용자 지원이 상당히 다양하다. 어떤 프로그램들은 오픈소스 소프트웨어인 반면, 다른 프로그램들은 클로즈드 소스 또는 독점이다.

EddyPro와 같은 비상업적 사용을 위한 무료 라이센스를 가진 상용 소프트웨어, ECOS와2 ECP와 같은 오픈 소스 무료 프로그램, EdiRe, TK3, Alteddy, EddySoft와 같은 무료 폐쇄 소스 패키지 등이 그 예다.

사용하다

일반적인 용도:

소설 사용:

공통 애플리케이션

증발 가스:

리모트 센싱은 에너지 밸런스와 잠재 열량을 사용하여 증발 속도를 찾아내는 증발 가스 모델링 접근법이다. 증발 가스(ET)는 물 순환의 한 부분으로, 수자원을 관리하기 위해서는 현지 및 글로벌 모델에 정확한 ET 판독이 중요하다. ET 비율은 농업 관행뿐만 아니라 수문학 관련 분야 연구의 중요한 부분이다. MOD16은 온대 기후에 대해 ET를 가장 잘 측정하는 프로그램의 예다.[1][14]

현미경 측정학:

미생물학은 수문학적, 생태학적 연구에 적용하여 특정 식물의 캐노피 규모에 기후 연구를 집중한다. 이러한 맥락에서 에디 공분산을 사용하여 경계 표면층 또는 초목 캐노피를 둘러싼 경계층의 열 질량 유량을 측정할 수 있다. 예를 들어 난류의 영향은 기후 모델러나 지역 생태계를 연구하는 사람들에게 특정한 관심사가 될 수 있다. 풍속, 난류, 질량(열) 농도는 플럭스 타워에서 기록할 수 있는 값이다. 거칠기 계수 같은 에디 공분산 속성과 관련된 측정을 통해 모델링을 적용하여 경험적으로 계산할 수 있다.[15]

습지 생태계:

습지 식물은 다양하고 식물마다 생태학적으로 다양하다. 습지의 1차 식물의 존재는 순 CO와2 HO2 플럭스를 모니터링하여 영양 공급 정보와 함께 에디 공분산 기술을 사용하여 모니터링할 수 있다. 수년에 걸쳐 플럭스 타워에서 판독을 받아 물의 사용 효율을 결정할 수 있다.[16]

온실가스 및 온난화 효과:

초목과 농경지에서 발생하는 온실가스의 유동성은 위의 마이크로미터학 절에서 참조한 와중 공분산으로 측정할 수 있다. 기타 휘발성 유기화합물 모니터링 장비 중 HO2, CO2, 열, CH4 가스 상태의 수직 난류 유속을 측정하여 캐노피 상호작용을 유추할 수 있다. 그런 다음 위의 데이터를 사용하여 광범위한 해석을 유추할 수 있다. 높은 운영 비용, 날씨 제한(일부 장비는 특정 기후에 더 적합함) 및 이로 인한 기술적 제한으로 측정 정확도가 제한될 수 있다.[17]

지상 생태계에서의 초목 생산:

초목 생산 모델에는 에디 공변량 플럭스 측정에서 나온 정확한 지상 관측치가 필요하다. 에디 공분산은 발전소 모집단의 순 1차 생산과 총 1차 생산량을 측정하는 데 사용된다. 기술의 발전은 공기 질량과 에너지 수치를 100-2000미터로 측정하는 작은 변동을 가능하게 했다. 식물성 성장과 생산에 대한 탄소 순환에 대한 연구는 재배자와 과학자들 모두에게 매우 중요하다. 이러한 정보를 사용하여 생태계와 대기권 사이의 탄소량을 관측할 수 있으며, 기후 변화에서 날씨 모델에 이르는 응용 프로그램도 사용할 수 있다.[1]

관련 방법

에디 축적

참 에디 축적

진정한 에디 축적 기법은 충분한 속도 분석기가 없는 미량 가스의 플럭스를 측정하기 위해 사용할 수 있으며, 따라서 에디 공분산 기법이 부적합한 경우 이를 사용할 수 있다. 기본 아이디어는 위쪽으로 이동하는 공기 구획(상향)과 아래쪽으로 이동하는 공기 구획(하향)을 각각 별도의 저장소로 그 속도에 비례하여 표본으로 추출하는 것이다. 그런 다음 저속 응답 가스 분석기를 사용하여 업스트래프트 저장소와 다운래프트 저장소의 평균 가스 농도를 정량화할 수 있다.[18][19]

이완된 에디 축적

참과 느긋한 에디 축적 기법의 주요한 차이는 후자가 수직풍속과 비례하지 않는 일정한 유량으로 공기를 시료한다는 것이다.[20][21][22]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c Liang, Shunlin; Li, Xiaowen; Wang, Jindi, eds. (2012-01-01), "Chapter 16 - Vegetation Production in Terrestrial Ecosystems", Advanced Remote Sensing, Academic Press, pp. 501–531, doi:10.1016/b978-0-12-385954-9.00016-2, ISBN 978-0-12-385954-9, retrieved 2020-03-12
  2. ^ 발도치, D, B 힉스, 그리고 T. 마이어스, 1988년 미생물학적 방법으로 생물학적으로 관련된 기체의 생물권-대기권 교환을 측정한다. 생태69, 1331-1340
  3. ^ Verma, S.B.: 1990, 질량과 에너지의 표면 유속을 측정하기 위한 마이크로미터법, 원격 감지 리뷰 5(1): 99-115
  4. ^ Lee, X, W. Massman, B. Law. 2004. 미크로메테오로지 안내서. 네덜란드의 클루워 학술 출판사, 250 pp.
  5. ^ 버바, G, 2013. 과학, 산업, 농업 및 규제 적용을 위한 Eddy 공분산법: 생태계 가스 교환 및 면적 배출률 측정에 관한 현장서 LI-COR 생물학, 미국 링컨, 331 pp.
  6. ^ 오비넷, M, T. 베살라, D. 파팔 (Eds.), 2012. Eddy 공분산: 측정 및 데이터 분석에 대한 실제 가이드. Springer 대기 과학, Springer Verlag, 438 pp.
  7. ^ 버그, P, H. 뢰이, F. 얀센, V. 마이어, B. B. 요르겐센, M. üttel, D. de Beer. 2003. 새로운 비침습적 에디 상관관계 기법으로 측정한 수생 퇴적물에 의한 산소 흡수. 해양 생태 진보 시리즈. 261:75-83.
  8. ^ 버지니아 대학교. 아쿠아틱 에디 공분산 연구실. 회수: 2015년 6월 22일
  9. ^ 플로리다 주립대학. 에디 상관관계 - Benthic 산소 교환기의 유동 및 광구동 역학의 추가 개발 및 연구 회수: 2015년 6월 22일
  10. ^ 라이프니즈-민물생태계 및 내륙어업 연구소. 자연수역에서의 에디 상관관계. 회수: 2015년 6월 22일
  11. ^ 맥스 플랑크 해양 미생물 연구소. ECS(에디 상관 시스템) 회수: 2015년 6월 22일
  12. ^ 연안 생물 화학 연구 센터. 에디 상관 관계. 회수: 2015년 6월 22일
  13. ^ M. Mauder, T. 포켄, R. 클레멘트, J. A. 엘버스, W. 유저스터, T. 그룬왈드, B. Hausinkbeld, O. Kolle. 2007. CarbonEurope 플럭스 데이터의 품질 관리 – 파트 II: 와이드-공분산 소프트웨어의 비교, 생물학 토론, 4, 4067–4099
  14. ^ Jia, L.; Zheng, C.; Hu, G.C.; Menenti, M. (2018), "Evapotranspiration", Comprehensive Remote Sensing, Elsevier, pp. 25–50, doi:10.1016/b978-0-12-409548-9.10353-7, ISBN 978-0-12-803221-3
  15. ^ Monteith, John L.; Unsworth, Mike H. (2013-01-01), Monteith, John L.; Unsworth, Mike H. (eds.), "Chapter 16 - Micrometeorology: (i) Turbulent Transfer, Profiles, and Fluxes", Principles of Environmental Physics (Fourth Edition), Academic Press, pp. 289–320, doi:10.1016/b978-0-12-386910-4.00016-0, ISBN 978-0-12-386910-4, retrieved 2020-04-16
  16. ^ Schlesinger, William H.; Bernhardt, Emily S. (2013-01-01), Schlesinger, William H.; Bernhardt, Emily S. (eds.), "Chapter 7 - Wetland Ecosystems", Biogeochemistry (Third Edition), Academic Press, pp. 233–274, doi:10.1016/b978-0-12-385874-0.00007-8, ISBN 978-0-12-385874-0, retrieved 2020-04-16
  17. ^ Jalota, S. K.; Vashisht, B. B.; Sharma, Sandeep; Kaur, Samanpreet (2018-01-01), Jalota, S. K.; Vashisht, B. B.; Sharma, Sandeep; Kaur, Samanpreet (eds.), "Chapter 1 - Emission of Greenhouse Gases and Their Warming Effect", Understanding Climate Change Impacts on Crop Productivity and Water Balance, Academic Press, pp. 1–53, doi:10.1016/b978-0-12-809520-1.00001-x, ISBN 978-0-12-809520-1, retrieved 2020-04-16
  18. ^ R. E. Speer, K. A. Peterson, T. G. Ellestad, J. L. Durham (1985). "Test of a prototype eddy accumulator for measuring atmospheric vertical fluxes of water vapor and particulate sulfate". Journal of Geophysical Research. 90 (D1): 2119. Bibcode:1985JGR....90.2119S. doi:10.1029/JD090iD01p02119.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  19. ^ Siebicke, Lukas (2017). "True eddy accumulation and eddy covariance methods and instruments intercomparison for fluxes of CO2, CH4 and H2O above the Hainich Forest". 19th EGU General Assembly, EGU2017. 19: 18076. Bibcode:2017EGUGA..1918076S.
  20. ^ Businger, Joost A.; Oncley, Steven P.; Businger, Joost A.; Oncley, Steven P. (1990-04-01). "Flux Measurement with Conditional Sampling". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 7 (2): 349–352. Bibcode:1990JAtOT...7..349B. doi:10.1175/1520-0426(1990)007<0349:fmwcs>2.0.co;2.
  21. ^ Osterwalder, S.; Fritsche, J.; Alewell, C.; Schmutz, M.; Nilsson, M. B.; Jocher, G.; Sommar, J.; Rinne, J.; Bishop, K. (2016-02-15). "A dual-inlet, single detector relaxed eddy accumulation system for long-term measurement of mercury flux". Atmos. Meas. Tech. 9 (2): 509–524. Bibcode:2016AMT.....9..509O. doi:10.5194/amt-9-509-2016. ISSN 1867-8548.
  22. ^ Jonas Sommar, Wei Zhu, Lihai Shang, Xinbin Feng, Che-Jin Lin (2013). "A whole-air relaxed eddy accumulation measurement system for sampling vertical vapour exchange of elemental mercury". Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 65 (1): 19940. Bibcode:2013TellB..6519940S. doi:10.3402/tellusb.v65i0.19940.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)

추가 읽기

외부 링크