波文比法的原理仪器及问题分析

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1、波文比-能量平衡方法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s08020311气象学杨姝内容提纲1.波文比-能量平衡法的测定原理2.波文比-能量平衡法的问题探讨3.有关仪器介绍1.波文比-能量平衡法的测定原理1.1波文比的提出波文比(Bowenratio)是1926年英国物理学家BowenIS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(β)的概念，即水面与空气间的湍流交换热量(H)与自由水面向空气中蒸发水(1.1)

2、汽的耗热(LE)之比。1.波文比-能量平衡法的测定原理1.2波文比-能量平衡方程的导出根据能量守恒定律到达植物群体的净辐射通量密度RN可由下式表达:(1.2)H：显热通量密度;LE：潜热通量密度;QS：土壤热通量密度;J：贮存在植物群体内的能量μA：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D：向其他方向(主要指水平方向)移走或其他方向移入的能量。11.波文比-能量平衡法的测定原理1.2波文比-能量平衡方程的导出图为高度为ZR，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（Hl为均一植物的高度

3、）。（a）：方程（1.2）中的输入项与贮存项；（b）：方程（1.2）中的输出项。对各项分析的结果:RN是支配项;μA很小,可以忽略;一般情况下J也可忽略,但日出日落时、果林和森林中,不能忽略;D难以估计,故往往忽略;H、LE、QS不能忽略。1.波文比-能量平衡法的测定原理1.2波文比-能量平衡方程的导出(1.3)RNDQSJμAH＋LE近日出0±5－5＋10＋3－8中午＋500±25＋25＋2＋12＋461近日落0±15＋5－10＋2＋3午夜－50±10－25－2－3－201.波文比-能量平衡法的测定原理1.2波文

4、比-能量平衡方程的导出表1植被上方典型的能量平衡（单位：瓦/米2）由(1.1)可得(1.4)(1.3)(1.5)又知湍流扩散方程：(1.6)(1.7)将(1.6)(1.7)代入(1.1),设KH≈Kq,∵用差分代微分得:(1.8)1.波文比-能量平衡法的测定原理1.2波文比-能量平衡方程的导出KH:热量湍流交换系数Kq:水汽湍流交换系数θ:位温(用气温代替)q:比湿CP:空气定压比热e:水汽压P:大气压ε＝18/29γ:干湿球湿度计常数L:水的汽化潜热2.1优点：此方法不用求湍流交换系数K，便可得到湍流通量。用空气

5、动力学方法需求K值但是较难得到且往往误差很大。能量平衡法避开了这一难点。在仪器及观测技术良好的条件下,β值越小,1在(1＋β)中所占的比重越大,(1＋β)的误差就越小，最后结果越准确。只需两个高度的要素梯度观测值。2.波文比-能量平衡法的问题探讨2.2存在的问题：RN和QS的误差，在计算LE的过程中是累积的。因Δθ和Δe的符号可以相反，所以LE的误差范围可以是零到无穷大。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LE，可能与实际方向相反。在应用波文比法时，有时会出现计算结果与实际情况在数量级上

6、相差很大。2.波文比-能量平衡法的问题探讨2.3观测时应注意的问题要求观测仪器误差小；KH≈Kq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KH不等于Kq，必须做KH≈Kq假定的补充订正；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；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100-200倍；观测高度应为株高的1.5倍，这样才能使KH≈Kq成立；要求天气平稳少变,辐射和风速没有过于剧烈的变化；应避开早晚(RN-QS)很小或为负值的短暂时段。2.波文比-

7、能量平衡法的问题探讨3.1波文比系统3.有关仪器介绍3.有关仪器介绍3.1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3.有关仪器介绍3.1波文比系统波文比控制箱023/CO2波文比流动控制器应用能量平衡波文比技术测量水蒸气、CO2、温度梯度CR23X数据采集器Li-Cor6262CO2/H2O红外分析仪所测变量：H2O梯度用热电偶测两层高度空气温度净辐射总土壤热通量3.有关仪器介绍3.2换位式波文比仪1:支架2:倒向电机3:皮带4:托架2个5:通风干湿表2个6:限位开关7:温湿度测量电路8:换位控制电路9

8、:数据采集及控制电路10:电源电路11:计算机12:立柱2根13:高度标尺3.有关仪器介绍3.2换位式波文比仪工作原理:两根立柱垂直放置，支架上端安装倒向电机2，倒向电机带动皮带3,两个通风干湿表5分别安装在托架4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，每个立柱的上端各安装一个限位开关6。托架在倒向电机的带动下沿立柱