ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА В МЕРАХ ВИХРЕВОЙ КОВАРИАЦИИ

Эшанкулов Р.А., Юсупов И.Н., Бойиров З.Р., Рахимов А.X., Махаммадиева М.A.

196 просмотров

Эшанкулов Р.А., Юсупов И.Н., Бойиров З.Р., Рахимов А.X., Махаммадиева М.A.

ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА В МЕРАХ ВИХРЕВОЙ КОВАРИАЦИИ *

Аннотация:
в статье представлены некоторые решения проблем турбулентных течений, радиационных и подземных тепловых потоков, измеренных в агроэкосистемах с использованием современных методов вихревой ковариации (EC). Существует проблема закрытия энергетического баланса (ЗЭБ) при измерении упомянутых выше потоков энергии, что очень важно для подтверждения достоверности моделей поверхностного вещества и энергообмена. При решении задачи закрытия энергетического баланса были измерены и рассчитаны дополнительные запасы энергии в системе почва-растительность-атмосфера, такие как изменение энтальпии растительности, изменение энтальпии воздуха, потребление и выделение энергии за счет фотосинтеза и дыхания, изменение влажность воздуха (2015 г. 127-159 день года (д.г.) и 168-202 д.г. в 2016 г.). По результатам экспериментального анализа даны рекомендации по вкладу закрытия энергетического баланса

Ключевые слова:
вихревая ковариация, турбулентные течения, энергия, футпринт, малые количества энергии, энтальпия, угарный газ, эвапотранспирация

УДК 536.629, 631.4

Эшанкулов Р.А.

д.тех.н., доцент кафедры экология и охрана труда

Каршинский инженерно-экономический институт

(Республика Узбекистан, г. Карши)

Юсупов И.Н.

старший преподаватель кафедры экология и охрана труда

Каршинский инженерно-экономический институт

(Республика Узбекистан, г. Карши)

Бойиров З.Р.

ассистент кафедры экология и охрана труда

Каршинский инженерно-экономический институт

(Республика Узбекистан, г. Карши)

Рахимов А.X.

магистрант кафедры экология и охрана труда

Каршинский инженерно-экономический институт

(Республика Узбекистан, г. Карши)

Махаммадиева М.A.

магистрант кафедры экология и охрана труда

Каршинский инженерно-экономический институт

(Республика Узбекистан, г. Карши)

ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА

В МЕРАХ ВИХРЕВОЙ КОВАРИАЦИИ

Аннотация: в статье представлены некоторые решения проблем турбулентных течений, радиационных и подземных тепловых потоков, измеренных в агроэкосистемах с использованием современных методов вихревой ковариации (EC). Существует проблема закрытия энергетического баланса (ЗЭБ) при измерении упомянутых выше потоков энергии, что очень важно для подтверждения достоверности моделей поверхностного вещества и энергообмена. При решении задачи закрытия энергетического баланса были измерены и рассчитаны дополнительные запасы энергии в системе почва-растительность-атмосфера, такие как изменение энтальпии растительности, изменение энтальпии воздуха, потребление и выделение энергии за счет фотосинтеза и дыхания, изменение влажность воздуха (2015 г. 127-159 день года (д.г.) и 168-202 д.г. в 2016 г.). По результатам экспериментального анализа даны рекомендации по вкладу закрытия энергетического баланса.

Ключевые слова: вихревая ковариация, турбулентные течения, энергия, футпринт, малые количества энергии, энтальпия, угарный газ, эвапотранспирация.

Введение

Метод вихревой ковариации (Eddy Covariance, EC) - это распространенный микрометеорологический метод для оценки турбулентного обмена водой, энергией или небольшими количествами газов между землей и атмосферой. Сегодня метод EC используется широким кругом ученых, включая метеорологов, агрономов, биологов, гидрологов, географов и экологов. С развитием пакетов программного обеспечения с открытым исходным кодом, таких как TK3.1 (Германия) или EddyPro® (США), обработка и оценка данных EC получили более широкое распространение. Однако использование метода EC для исследования поверхностных потоков энергии имеет ряд недостатков. Согласно первому закону термодинамики входная и выходная энергии на поверхности земли должны быть уравновешены. Однако турбулентные потоки, возникающие в результате измерений EC, обычно структурно меньше, чем доступная энергия, измеренная на суше. Этот разрыв в энергетическом балансе представляет собой комплексную и постоянную проблему в микрометеорологических исследованиях [1] [12]. Обычно энергетический баланс земной поверхности определяется суммой турбулентных потоков, т. е. ощутимой теплоты (H) и скрытой теплоты (LE), малых времен запаса (Sp, Sc, Sa, Sq), доступной энергии, т.е., суммарное радиация (Rn), и может быть рассчитана энергиями, характеризуемыми разностью подповерхностного теплового потока (G) (Jacobs et al., 2008):

(1)

где Sa (Вт/м2) - изменение энтальпии воздуха, Sq (Вт/м2) - изменение влажности воздуха, Sp (Вт/м2) - затраты и выделение энергии фотосинтеза и дыхания, Sc (Вт/м2) - изменение энтальпии в покров растений. Все токи даны в Вт/м2. В стандартных исследованиях ЕС время удерживания в левой части уравнения обычно не принимается во внимание.

Несоответствия в энергетическом балансе могут быть связаны с недооценкой турбулентных течений на практике или переоценкой доступной энергии. Типичные значения ЗЭБ определяются как (H+LE)/(Rn-G) и составляют от 70 до 90% для большинства агроэкосистем [1,6,9]. Были проведены многочисленные исследования для определения возможных причин проблемы энергетической несовместимости на Земле. Серьезные причины включают инструментальные ошибки в измерениях EC [1], игнорирование времени накопления энергии в почве, воздухе и растениях [2] или радиацию. проблемы измерения [3]. Вышеупомянутые факторы часто обсуждались в различных исследованиях и изучались как факторы проблемы ЗЭБ [3,8,9] устройства [4,10]. Эти небольшие сроки годности часто упускают из виду, потому что их трудно измерить, и они считаются небольшими. Одна из первых попыток оценить влияние этих периодов на ЗЭБ на полях кукурузы и сои была предпринята. Кратковременные периоды хранения обычно включают изменения энтальпии воздуха, изменения атмосферной влажности, затраты и высвобождение энергии при фотосинтезе и дыхании, сохранение тепла биомассой растений и сохранение тепла росой [2]. Предыдущие исследования на сельскохозяйственных полях показали, что энергия, накопленная в результате ассимиляции CO2 и тепла в биомассе растений, является наиболее подходящим количеством для улучшения ЗЭБ. Обмен энергией посредством фотосинтеза и дыхания напрямую измеряется ЕС как модификация общего экосистемного обмена (ОЭО) CO2 [4].

Цель этого исследования состояла в том, чтобы уменьшить разрыв в ЗЭБ путем оценки вклада малого времени накопления энергии. Основное исследование заключалось в том, чтобы определить, как оценка малых периодов ретенции в футпринте ЕС (область поля, где устройство может регистрировать потоки энергии) способствовала ЗЭБ.

Материалы и методы

Исследования проводились на полях хозяйства Katharinentalerhof (48,92° с.ш., 8,70° в.д., 320 м.н.у.м.) в Крайхгау. Крайхгау - один из самых теплых регионов Германии. В период с 1981 по 2010 год среднегодовая температура составляла +9,4°С, а среднегодовое количество осадков - 889 мм. Преобладающее направление ветра юго-западное. Наблюдения в рамках этого исследования проводились в 2015 г. в районе EC1 и в 2016 г. в районе EC3. На этих полях за севооборотом следуют озимая пшеница, озимый ячмень и энергетическая кукуруза, за которыми следуют озимые покровные культуры. Озимая пшеница является доминирующей культурой, выращиваемой на каждом поле, по крайней мере, раз в два года.

Турбулентные течения выполнялись по методике EC. Все станции оснащены инфракрасным газоанализатором CO2/H2O открытого типа LI-7500 и трехмерным звуковым анемометром CSAT3. На полигонах EC1 и EC3 звуковые анемометры и газоанализаторы были установлены на высоте 2,94 и 2,68 м соответственно. Данные регистрировались автоматически с частотой 10 Гц со средним интервалом 30 минут. Длинноволновое и коротковолновое излучение, входящее и выходящее из-под поверхности Земли, измерялось с помощью четырехкомпонентного радиометра. Радиометры были размещены вблизи станции ЕС на пшеничном поле на высоте около 2 м над землей. На каждой станции EC измеряли температуру и влажность воздуха на высоте 2 м с помощью датчика температуры и относительной влажности. На глубинах 0,02, 0,06, 0,15, 0,30 и 0,45 м было установлено 107 термисторов для измерения температуры почвы. Для измерения подземного теплового потока вблизи станций EC на глубину 0,08 м были заглублены три плиты теплового потока. Датчики рефлектометров в частотной области (FDR) использовались для непрерывного измерения объема почвенной воды на глубинах 0,05, 0,15, 0,30, 0,45 и 0,75 м. Для измерения осадков использовали ковшеобразное устройство диаметром 0,2 мм. Программное обеспечение TK3.1 использовалось для обработки данных EC и расчета удельного потока скрытого тепла (LE), потока ощутимого тепла (H) и общего экосистемного обмена (NEE) CO2. Интервал времени расчета составлял 30 минут для всех зарегистрированных данных.

Поверхностный ЗЭБ, рассчитанный на основе измерений EC, можно оценить с помощью простой линейной регрессии (OLR) турбулентных течений (LE + H) относительно доступной энергии. Во-вторых, доступная энергия принимается как разница между полным излучением (Rn) и подповерхностным тепловым потоком (G). Результат OLR представляет собой идеальный ЗЭБ, если энергетический баланс закрыт, то наклон равен 1, а пересечение равно 0.

Энергия, накопленная или высвобожденная из-за изменений температуры воздуха, рассчитывается по следующему уравнению:

(2)

где pa (кг/м3) - плотность атмосферной влаги, Ca (Дж/кг*K) - удельная теплоемкость влажного воздуха, ∆Ta (K) - изменение температуры воздуха, LEC (м) - верхний конец растительного покрова газоанализатором. Расстояние между концом и ∆t (с) - средний интервал времени. Плотность атмосферной влаги, рассчитанная по температуре воздуха и атмосферному давлению, колебалась от 1,15 до 1,27 кг/м3. Стандартное значение для Ca составляет 1004 Дж/кг*К.

Использовали следующее уравнение для изменения влажности воздуха:

(3)

где Lv (Дж/кг) - скрытая теплота парообразования (2400 МДж/кг) и ∆q (кг/кг) - изменение удельной влажности воздуха.

Энергия, запасаемая или высвобождаемая в результате обмена CO2 между системой почва-растение и атмосферой, определяется Leuning и др. (2012) были рассчитаны другими:

(4)

где ap - коэффициент фотосинтетической передачи энергии (0,469 Дж/ммоль) и - поток CO2 (ммоль/м*с), измеренный на станции ЕС, обычно называемый общим экосистемным обменом (NEE) CO2 называется. Этот подход был первоначально разработан Blanken и др. (1997) использовались в нескольких исследованиях лесных экосистем, а затем и сельскохозяйственных экосистем [10].

С 16 июня 2015 г. температура в растительности измеряется универсальными регистраторами температуры. Автоматические регистраторы температуры были установлены в восьми местах на поле в трех положениях (верхнем, среднем и нижнем) и прикреплены к пластиковым стержням. На момент установки средняя высота растений составляла около 0,80-0,95 м. Каждое устройство регистрации температуры было приклеено к двум воронкам диаметром 0,12 м (внутренняя воронка) и 0,16 м (наружная воронка). Воронки защищали инструменты от прямых солнечных лучей и дождя. Во внутренней воронке были просверлены четыре небольших отверстия диаметром 0,02 м для обеспечения воздухообмена под и над воронками. Датчики температуры были установлены в девяти точках полевого следа. Только один прибор был установлен в середине растительного покрова, так как в первый год эта температура оказалась репрезентативной для средней температуры в растительном покрове. Высоту пшеницы регулярно регулировали в соответствии с ростом растения пшеницы.

Изменение запасенной в растительности энергии с течением времени выглядит следующим образом:

(5)

где ∆Tc (K) - изменение средней температуры растительности, определяемое тремя термодатчиками, mw (кг/м) - масса воды в растительном теле на единицу площади, а mom (кг/м2) - масса воды, приходящаяся на площадь растения. Масса органического вещества, Cw (Дж/кг*К) - удельная теплоемкость воды, Com (Дж/кг*К) - удельная теплоемкость органического вещества, ∆t (с) - средний интервал времени (принят за 30 мин). Удельный вес воды (Cw) и органического вещества биомассы (Com) был получен как 4190 Дж/кг*К и 1920 Дж/кг*К соответственно (Jacobs и др., 2008).

Результаты

По временным данным выделяют четыре составляющие энергетического баланса, средние значения и среднесуточные изменения (рис.1). Во все периоды большая часть общего излучения преобразовывалась в скрытое тепло. В то время как LE была более стабильной в течение вегетационного периода, H увеличивалась от первого периода ко второму периоду в оба года. В трех из четырех циклов остаточная энергия превышала заметный тепловой поток, а в четырех циклах - подповерхностный тепловой поток. Кроме того, средняя остаточная энергия в TC1 в 2015 г. была вдвое выше, чем в TC3 в 2016 г.

Закрытие энергетического баланса менялось от месяца к месяцу в обоих местах. Наибольшее значение EBC в 2015 г. (EC1) наблюдалось в июле, а максимальное закрытие в 2016 г. (EC3) было получено в июне. В обоих случаях ЗЭБ был высоким во время второго периода наблюдения. Однако, независимо от конкретного месяца или периода, энергетический баланс был стабильно ниже, чем у озимой пшеницы, выращенной на ЕС3 в 2016 г.

Среднесуточные циклы малых количеств энергии показаны на рисунке 2. Минимальными сроками хранения были изменения энтальпии воздуха (Sa) и изменения влажности воздуха (Sq) в пределах от 1,8 до -1,9 Вт/м2. Максимальное время запасенной энергии - Sp, которое в первый период составило в среднем 28,4 Вт/м2 в 2015 г. (127-159 д.г.) и минимальное значение 8,7 Вт/м2 в 2016 г. при 168-202 д.г. Изменения энтальпии растительности в среднем составляли от -8,8 Вт/м2 (168-202 д.г. в 2015 г.) до 9,5 Вт/м2 (127-159 д.г. в 2016 г.) и были очень схожими в оба года.

Как и ожидалось, добавление небольшого времени удерживания (Sa+Sq +Sp+Sc) к турбулентным потокам (LE + H) сократило ЗЭБ всех номинальных циклов, как показано на графике наклона линейной регрессии в зависимости от доступной энергии. Этот эффект был самым высоким в период 127-159 д.г. (абсолютное улучшение 9%) в 2016 г. (рис. 3, е), а наименьшим - в период 168-202 д.г. этого года (абсолютное улучшение 4%) (рис. 3, h).

Обсуждения

Вклад Sp в энергетический баланс Земли был наибольшим среди исследованных малых периодов хранения и составил 7,1 и 6,8% соответственно в период интенсивной вегетации (май) в 2015 и 2016 гг. В период созревания озимой пшеницы (июль) в 2015 и 2016 гг. Sp вносила меньший вклад в ЗЭБ на 2,1% и 1,9% соответственно. Из наших результатов следует, что включение в расчет поверхностных энергетических балансов весьма целесообразно в связи с потенциально высоким вкладом Sp [12]. Поскольку потоки CO2 обычно измеряются на станциях ЕС, их значение не требует дополнительного оборудования и может быть легко преобразовано в соответствующий поток энергии.

Запасы растительности (Sc), второстепенный вклад в ЗЭБ среди условий малой энергии, улучшились максимум на 1,8% в июне 2016 года. Это условие улучшило ЗЭБ на 1,0% на субальпийских пастбищах в Китае [11] и на 0,5% на газонах в Нидерландах (Jacobs et al., 2008). В нашем исследовании средняя влажность покрова озимой пшеницы составила 3,6 кг/м2, в исследовании Wang и Zhang (2011) - 3,0 кг/м2, в исследовании Jacobs и др. (2008) - 1,7 кг/м2, что и объясняет разные размеры. Суточный цикл накопления тепла в растительном покрове (рис. 2) показывает, что поглощение энергии растениями озимой пшеницы максимально рано утром после восхода солнца, а затем уменьшается по мере того, как растения начинают остывать, что указывает на отрицательную Sc в ранние полдень.

Изменение энтальпии воздуха (Sa) уменьшило разрыв энергетического баланса в среднем на 0,24%. Различия в доле изменений энтальпии воздуха по отношению к ЗЭБ могут быть связаны с различиями в колебаниях температуры между местами и сезонами [5,7]. Количество тепла, запасенного в воздухе, зависит от изменения температуры воздуха над растительным покровом.

Энергия, связанная с изменениями атмосферной влажности (Sq), запасается в водяном паре между измеряемой высотой и растительным покровом. Его вклад в ЗЭБ Земли был незначительным в нашем исследовании, что согласуется с результатами Wang и Zhang (2011), где вклад Sq в ЗЭБ был близок к нулю. Дневной характер Sq демонстрировал положительный запас во время восхода и захода солнца и резко снижался примерно через два часа, что привело к среднему нулю сбалансированного энергетического обмена, как сообщают Zeri и Sá (2010). Поэтому положительный вклад Sq в ЗЭБ можно изучать только в период отчетливой аккумуляции паров воды на растительном покрове.

Выводы

Для достижения хорошего ЗЭБ на пахотных землях рекомендуется учитывать потребление и выделение энергии (Sp) при фотосинтезе и дыхании, а также изменение энтальпии (Sc) в растительности. Гармонический анализ, основанный на пластинчатых данных, показал более высокие потоки тепла грунта, чем калориметрический метод. Из-за пространственной изменчивости почвы, растительности и радиации одновременные измерения потока подземных вод могут не полностью отражать футпринт ЕС. Наибольшее улучшение ЗЭБ, с 83 до 89%, было достигнуто на основе небольшого количества накопленной энергии (Sa+Sq+Sp+Sc) и теплового потока грунта, рассчитанного гармоническим анализом на основе данных пластины теплового потока. Однако не менее 11% доступной энергии все еще не освоено. В заключение, малые потоки и условия хранения способствуют объяснению разрыва в энергетическом балансе, но их рассмотрение не полностью покрывает этот пробел. Наши результаты показывают, что способы коррекции ЗЭБ, который составляет 100% разрыва энергетического баланса, могут быть оценены как турбулентная энергия, которая может завышать турбулентные потоки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Foken, T. (2008). Micrometeorology (1st ed.). Springer-Verlag Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-74666-9_6

Jacobs, A. F. G., Heusinkveld, B. G., & Holtslag, A. A. M. (2008). Towards closing the surface energy budget of a mid-latitude grassland. Boundary-Layer Meteorology, 126(1), 125-136. https://doi.org/10.1007/s10546-007-9209-2

Kohsiek, W., Liebethal, C., Foken, T., Vogt, R., Oncley, S. P., Bernhofer, C., & Debruin, H. A. R. (2007). The Energy Balance Experiment EBEX-2000. Part III: Behaviour and quality of the radiation measurements. Boundary-Layer Meteorology, 123(1), 55-75. https://doi.org/10.1007/s10546-006-9135-8

Leuning, R., van Gorsel, E., Massman, W. J., & Isaac, P. R. (2012). Reflections on the surface energy imbalance problem. Agricultural and Forest Meteorology, 156, 65-74. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2011.12.002

Michiles, A. A. dos S., & Gielow, R. (2008). Above-ground thermal energy storage rates, trunk heat fluxes and surface energy balance in a central Amazonian rainforest. Agricultural and Forest Meteorology, 148(6-7), 917-930. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2008.01.001

Oncley, S. P., Foken, T., Vogt, R., Kohsiek, W., DeBruin, H. A. R., Bernhofer, C., Christen, A., van Gorsel, E., Grantz, D., Feigenwinter, C., Lehner, I., Liebethal, C., Liu, H., Mauder, M., Pitacco, A., Ribeiro, L., & Weidinger, T. (2007). The energy balance experiment EBEX-2000. Part I: overview and energy balance. Boundary-Layer Meteorology, 123(1), 1-28. https://doi.org/10.1007/s10546-007-9161-1

Silberstein, R., Held, A., Hatton, T., Viney, N., & Sivapalan, M. (2001). Energy balance of a natural jarrah (Eucalyptus marginata) forest in Western Australia: measurements during the spring and summer. Agricultural and Forest Meteorology, 109, 79-104.

Stoy, P. C., Mauder, M., Foken, T., Marcolla, B., Boegh, E., Ibrom, A., Arain, M. A., Arneth, A., Aurela, M., Bernhofer, C., Cescatti, A., Dellwik, E., Duce, P., Gianelle, D., van Gorsel, E., Kiely, G., Knohl, A., Margolis, H., Mccaughey, H., … Varlagin, A. (2013). A data-driven analysis of energy balance closure across FLUXNET research sites: The role of landscape scale heterogeneity. Agricultural and Forest Meteorology, 171-172, 137-152. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2012.11.004

Twine, T. E., Kustas, W. P., Norman, J. M., Cook, D. R., Houser, P. R., Meyers, T. P., Prueger, J. H., Starks, P. J., & Wesely, M. L. (2000). Correcting eddy-covariance flux underestimates over a grassland. Agricultural and Forest Meteorology, 103(3), 279-300. https://doi.org/10.1016/S0168-1923(00)00123-4

Varmaghani, A., Eichinger, W. E., & Prueger, J. H. (2016). A diagnostic approach towards the causes of energy balance closure problem. Open Journal of Modern Hydrology, 6(April), 101-114.

Wang, R., & Zhang, Q. (2011). An assessment of storage terms in the surface energy balance of a subalpine meadow in Northwest China. Advances in Atmospheric Sciences, 28(3), 691-698. https://doi.org/10.1007/s00376-010-9152-x

Wilson, K., Goldstein, A., Falge, E., Aubinet, M., Baldocchi, D., Berbigier, P., Bernhofer, C., Ceulemans, R., Dolman, H., Field, C., Grelle, A., Ibrom, A., Law, B. ., Kowalski, A., Meyers, T., Moncrieff, J., Monson, R., Oechel, W., Tenhunen, J., … Verma, S. (2002). Energy balance closure at FLUXNET sites. Agricultural and Forest Meteorology, 113(1-4), 223-243. https://doi.org/10.1016/S0168-1923(02)00109-0

Zeri, M., & Sá, L. D. A. (2010). The impact of data gaps and quality control filtering on the balances of energy and carbon for a Southwest Amazon forest. Agricultural and Forest Meteorology, 150(12), 1543-1552. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2010.08.004

Eshankulov R.A.

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor

of the Department of Ecology and Labor Protection