Covarianza de remolinos - Eddy covariance
La técnica de covarianza de remolinos (también conocida como correlación de remolinos y flujo de remolinos ) es una técnica clave de medición atmosférica para medir y calcular flujos turbulentos verticales dentro de las capas límite atmosféricas . El método analiza series de datos atmosféricos escalares y de viento de alta frecuencia , gas, energía y momento, lo que arroja valores de flujos de estas propiedades. Es un método estadístico utilizado en meteorología y otras aplicaciones ( micrometeorología , oceanografía, hidrología, ciencias agrícolas, aplicaciones industriales y reglamentarias, etc.) para determinar las tasas de intercambio de gases traza sobre ecosistemas naturales y campos agrícolas, y para cuantificar las tasas de emisión de gases de otras áreas terrestres y acuáticas. Se utiliza con frecuencia para estimar el impulso , el calor , el vapor de agua, el dióxido de carbono y los flujos de metano.
La técnica también se utiliza ampliamente para la verificación y ajuste de modelos climáticos globales , modelos meteorológicos y de mesoescala, modelos biogeoquímicos y ecológicos complejos y estimaciones de teledetección de satélites y aeronaves. La técnica es matemáticamente compleja y requiere mucho cuidado al configurar y procesar los datos. Hasta la fecha, no existe una terminología uniforme o una metodología única para la técnica de covarianza de remolinos, pero las redes de medición de flujo (por ejemplo, FluxNet , Ameriflux , ICOS , CarboEurope , Fluxnet Canada , OzFlux , NEON e iLEAPS ) están haciendo un gran esfuerzo para unificar los distintos enfoques.
Además, la técnica ha demostrado ser aplicable bajo el agua a la zona bentónica para medir los flujos de oxígeno entre el fondo del mar y el agua suprayacente. En estos entornos, la técnica se conoce generalmente como técnica de correlación de remolinos, o simplemente correlación de remolinos. Los flujos de oxígeno se extraen de mediciones sin procesar siguiendo en gran medida los mismos principios que se utilizan en la atmósfera, y normalmente se utilizan como un sustituto del intercambio de carbono, que es importante para los presupuestos de carbono locales y globales. Para la mayoría de los ecosistemas bentónicos, la correlación de remolinos es la técnica más precisa para medir los flujos in situ . El desarrollo de la técnica y sus aplicaciones bajo el agua sigue siendo un campo de investigación fructífero.
Principios generales
- Representación del flujo de aire en la capa límite atmosférica.
El flujo de aire se puede imaginar como un flujo horizontal de numerosos remolinos giratorios, es decir, vórtices turbulentos de varios tamaños, cada uno de los cuales tiene componentes horizontales y verticales. La situación parece caótica, pero el movimiento vertical de los componentes se puede medir desde la torre.
- Significado físico del método de covarianza de remolinos
En un punto físico de la torre, en Time1, Eddy1 mueve el paquete de aire c1 hacia abajo a la velocidad w1. Luego, en Time2, Eddy2 mueve la parcela c2 hacia arriba a la velocidad w2. Cada paquete tiene concentración de gas, presión, temperatura y humedad. Si se conocen estos factores, junto con la velocidad, podemos determinar el flujo. Por ejemplo, si uno supiera cuántas moléculas de agua bajaron con remolinos en el Tiempo1, y cuántas moléculas subieron con remolinos en el Tiempo2, en el mismo punto, se podría calcular el flujo vertical de agua en este punto durante este tiempo. Entonces, el flujo vertical se puede presentar como una covarianza de la velocidad del viento vertical y la concentración de la entidad de interés.
- Resumen
El viento 3D y otra variable (generalmente concentración de gas, temperatura o momento) se descomponen en componentes medios y fluctuantes. La covarianza se calcula entre el componente fluctuante del viento vertical y el componente fluctuante de la concentración de gas. El flujo medido es proporcional a la covarianza.
El área de donde se originan los remolinos detectados se describe probabilísticamente y se denomina huella de flujo . El área de la huella de flujo es dinámica en tamaño y forma, cambia con la dirección del viento, la estabilidad térmica y la altura de las mediciones, y tiene un borde gradual.
El efecto de la separación del sensor, la longitud de muestreo finita, el promedio de trayectoria sónica, así como otras limitaciones instrumentales, afectan la respuesta de frecuencia del sistema de medición y pueden necesitar una corrección co-espectral, especialmente notable con instrumentos de trayectoria cerrada y a bajas alturas por debajo de 1 hasta 1,5 m.
Fundamento matemático
En términos matemáticos, el "flujo parásito" se calcula como una covarianza entre la desviación instantánea en la velocidad vertical del viento (w ') del valor medio (w-overbar) y la desviación instantánea en la concentración de gas, relación de mezcla (s'), de su media. valor (s-overbar), multiplicado por la densidad media del aire (ρa). Varias operaciones matemáticas y suposiciones, incluida la descomposición de Reynolds, están involucradas en pasar de ecuaciones físicamente completas del flujo turbulento a ecuaciones prácticas para calcular el "flujo de remolinos", como se muestra a continuación.
Supuestos principales
- Las mediciones en un punto pueden representar un área en ceñida
- Las mediciones se realizan dentro de la capa límite de interés.
- La huella de recuperación / flujo es adecuada: los flujos se miden solo en el área de interés
- El flujo es completamente turbulento: la mayor parte de la transferencia vertical neta se realiza mediante remolinos.
- El terreno es horizontal y uniforme: el promedio de fluctuaciones es cero; fluctuaciones de densidad insignificantes; convergencia y divergencia de flujo insignificantes
- Los instrumentos pueden detectar cambios muy pequeños a alta frecuencia, que van desde un mínimo de 5 Hz hasta 40 Hz para mediciones en torre.
Software
Actualmente (2011) existen muchos programas de software para procesar datos de covarianza de remolinos y derivar cantidades como calor, momento y flujos de gas. Los programas varían significativamente en complejidad, flexibilidad, cantidad de instrumentos y variables permitidos, sistema de ayuda y soporte al usuario. Algunos programas son software de código abierto , mientras que otros son de código cerrado o propietarios .
Los ejemplos incluyen software comercial con licencia gratuita para uso no comercial como EddyPro ; programas gratuitos de código abierto como ECO 2 S y ECpack ; paquetes gratuitos de código cerrado como EdiRe , TK3 , Alteddy y EddySoft .
Usos
Usos comunes:
- Emisiones de gases de efecto invernadero
- Monitoreo de emisiones de dióxido de carbono
- Monitoreo de emisiones de metano
- Medición de la pérdida de agua, evapotranspiración.
- Eficiencia instantánea en el uso del agua
- Eficiencia de uso de radiación instantánea
Usos novedosos:
- Precisión de riego , agricultura de precisión
- Monitoreo de captura y secuestro de carbono
- Emisiones de gases de vertedero a la atmósfera
- Emisiones de gases desplazados por fracturación hidráulica a la atmósfera
- Detección y localización de fugas de gas
- Emisión de metano de las regiones de permafrost
- Emisión de COV biogénicos
- Medición de flujo de intercambio de gases traza reactivos
Aplicaciones habituales
Evapotranspiración:
La teledetección es un enfoque para modelar la evapotranspiración utilizando un balance de energía y el flujo de calor latente para encontrar las tasas de evapotranspiración. La evapotranspiración (ET) es parte del ciclo del agua , y las lecturas precisas de ET son importantes para los modelos locales y globales para administrar los recursos hídricos. Las tasas de ET son una parte importante de la investigación en campos relacionados con la hidrología, así como para las prácticas agrícolas. MOD16 es un ejemplo de un programa que mide la ET mejor para climas templados.
Micrometeorología:
La micrometeorología enfoca el estudio del clima en la escala específica del dosel de la vegetación, nuevamente con aplicaciones a la investigación hidrológica y ecológica. En este contexto, la covarianza de remolinos se puede utilizar para medir el flujo de masa de calor en la capa superficial límite, o en la capa límite que rodea el dosel de la vegetación. Los efectos de la turbulencia pueden, por ejemplo, ser de interés específico para los modelistas climáticos o para quienes estudian el ecosistema local. La velocidad del viento, la turbulencia y la concentración de masa (calor) son valores que podrían registrarse en una torre de flujo. A través de mediciones relacionadas con las propiedades de covarianza de los remolinos, como los coeficientes de rugosidad, se pueden calcular empíricamente, con aplicaciones al modelado.
Ecosistemas de humedales:
La vegetación de los humedales varía ampliamente y varía ecológicamente de una planta a otra. La existencia de plantas primarias en los humedales se puede monitorear utilizando tecnología de covarianza de remolinos junto con información sobre el suministro de nutrientes mediante el monitoreo de los flujos netos de CO 2 y H 2 O. Se pueden tomar lecturas de torres de flujo durante varios años para determinar la eficiencia del uso del agua, entre otros.
Gases de efecto invernadero y su efecto de calentamiento:
Los flujos de gases de efecto invernadero de la vegetación y los campos agrícolas se pueden medir mediante la covarianza de los remolinos como se indica en la sección de micrometeorología anterior. Al medir el flujo turbulento vertical de los estados de gas de H 2 O, CO 2 , calor y CH 4, entre otros compuestos orgánicos volátiles , se puede usar equipo de monitoreo para inferir la interacción del dosel. Luego, se pueden inferir interpretaciones de todo el paisaje utilizando los datos anteriores. El alto costo operativo, las limitaciones climáticas (algunos equipos se adaptan mejor a ciertos climas) y las limitaciones técnicas resultantes pueden limitar la precisión de la medición.
Producción de vegetación en ecosistemas terrestres:
Los modelos de producción de vegetación requieren observaciones terrestres precisas, en este contexto a partir de la medición del flujo covariante de remolinos. La covarianza de remolinos se utiliza para medir la producción primaria neta y las producciones primarias brutas de las poblaciones de plantas. Los avances en la tecnología han permitido fluctuaciones menores que resultan en una escala de mediciones de 100 a 2000 metros de lecturas de masa de aire y energía. El estudio del ciclo del carbono sobre el crecimiento y la producción de vegetación es de vital importancia tanto para los cultivadores como para los científicos. Con esta información se puede observar el flujo de carbono entre los ecosistemas y la atmósfera, con aplicaciones que van desde el cambio climático hasta los modelos meteorológicos.
Métodos relacionados
Acumulación de remolinos
Verdadera acumulación de remolinos
La verdadera técnica de acumulación de remolinos se puede utilizar para medir flujos de gases traza para los cuales no hay analizadores disponibles lo suficientemente rápidos, por lo que la técnica de covarianza de remolinos no es adecuada. La idea básica es que las parcelas de aire que se mueven hacia arriba (corrientes ascendentes) y las parcelas de aire que se mueven hacia abajo (corrientes descendentes) se muestrean proporcionalmente a su velocidad en depósitos separados. A continuación, se puede utilizar un analizador de gases de respuesta lenta para cuantificar las concentraciones medias de gas tanto en los depósitos de corriente ascendente como en los de corriente descendente.
Acumulación de remolinos relajada
La principal diferencia entre la técnica de acumulación de remolinos verdadera y la relajada es que esta última toma muestras de aire con un caudal constante que no es proporcional a la velocidad vertical del viento.
Ver también
- Eddy (dinámica de fluidos)
- Respiración del ecosistema
- Evaporación
- Evapotranspiración
- Emisiones de gases de efecto invernadero
- Flujo de calor
- FluxNet
- Flujo de calor latente
- Transpiración
Referencias
Otras lecturas
- Burba , G., 2013. Método de covarianza de Eddy para aplicaciones científicas, industriales, agrícolas y reglamentarias: un libro de campo sobre la medición del intercambio de gases en el ecosistema y las tasas de emisión en el área. LI-COR Biosciences, Lincoln, EE. UU., 331 págs.
- Aubinet, M., T. Vesala, D. Papale (Eds.), 2012. Eddy Covariance: Una guía práctica para la medición y el análisis de datos. Springer Atmospheric Sciences, Springer Verlag, 438 págs.
- Foken, T., 2008. Micrometeorología, Springer-Verlag, Berlín, Alemania, 308 págs.
- Lee, X., W. Massman y B. Law, 2004. Handbook of Micrometeorology. Kluwer Academic Publishers, Países Bajos, 250 págs.
- Rosenberg, NJ, BL Blad y SB Verma, 1983. Microclimate: The Biological Environment, Wiley-Interscience, 580 págs.