渦共分散

渦共分散法（渦相関法、渦フラックス法とも呼ばれる）は、大気境界層内の垂直乱流フラックスを測定および計算するための重要な大気測定技術である。この方法では、高周波の風とスカラー大気データ系列、ガス、エネルギー、運動量を解析し、^{[1]これらの特性の}フラックスの値を算出する。これは、気象学やその他のアプリケーション（微気象学、海洋学、水文学、農業科学、産業および規制アプリケーションなど）で使用される統計的手法であり、自然生態系や農地での微量ガスの交換率を決定し、他の陸地や水域からのガス排出率を定量化するために使用される。運動量、熱、水蒸気、二酸化炭素、メタンのフラックスを推定するために頻繁に使用される。^{[2] [3] [4] [5] [6] [7]}

この手法は、地球規模の気候モデル、中規模および気象モデル、複雑な生物地球化学および生態学モデル、衛星や航空機からのリモートセンシング推定の検証と調整にも広く使用されています。この手法は数学的に複雑であり、データの設定と処理には細心の注意が必要です。現在まで、 ^{[いつ? ]}渦共分散手法に関する統一された用語や単一の方法論はありませんが、フラックス測定ネットワーク ( FluxNet、Ameriflux、ICOS、CarboEurope、Fluxnet Canada、OzFlux、NEON、iLEAPS など) によって、さまざまなアプローチを統一するための多大な努力が払われています。

さらに、この技術は、海底とその上にある水の間の酸素フラックスを測定するために、水中の底生帯に適用できることが証明されています。 ^[8]これらの環境では、この技術は一般に渦相関法、または単に渦相関として知られています。酸素フラックスは、大気で使用されているのとほぼ同じ原理に従って生の測定値から抽出され、通常は炭素交換の代理として使用されます。これは、地域および地球全体の炭素予算にとって重要です。ほとんどの底生生態系では、渦相関は、その場でのフラックスを測定するための最も正確な技術です。この技術の開発と水中での応用は、依然として実りある研究分野です。^{[9] [10] [11] [12] [13]}

空気の流れは、多数の回転する渦、つまりさまざまな大きさの乱流渦の水平方向の流れとして考えることができます。各渦には水平方向と垂直方向の成分があります。状況は混沌としているように見えますが、成分の垂直方向の動きはタワーから測定できます。

塔の 1 つの物理的なポイントで、時間 1 に、渦 1 が空気の塊 c ₁を速度 で下向きに動かします。次に、時間 2 に、渦 2 が塊 c _{2 を}速度 で上向きに動かします。各塊には、ガス濃度、圧力、温度、湿度があります。これらの要素と速度がわかっていれば、フラックスを決定できます。たとえば、同じポイントで時間 1 に渦とともに下向きに動いた水分子の数と、時間 2 に渦とともに上昇した水分子の数がわかっていれば、その時点でのこの時間の水の垂直フラックスを計算できます。したがって、垂直フラックスは、垂直風速と対象エンティティの濃度の共分散として表すことができます。 ${\displaystyle w_{1}}$${\displaystyle w_{2}}$

3D 風と他の変数 (通常はガス濃度、温度、または運動量) は、平均成分と変動成分に分解されます。共分散は、垂直風の変動成分とガス濃度の変動成分の間で計算されます。測定されたフラックスは共分散に比例します。

検出された渦の発生源となる領域は確率的に記述され、フラックスフットプリントと呼ばれます。^[14]フラックスフットプリント領域は、サイズと形状が動的であり、風向、熱安定性、測定高度によって変化し、境界が緩やかになっています。

センサーの分離、有限のサンプリング長、音波経路の平均化、およびその他の機器の制限の影響は、測定システムの周波数応答に影響し、特にクローズドパス機器や 1 ～ 1.5 m 未満の低高度では共スペクトル補正が必要になる場合があります。

数学的に言えば、「渦流束」は、平均値 ( ) からの垂直風速 ( ) の瞬間偏差と、平均値 ( ) からのガス濃度、混合比 ( )の瞬間偏差との共分散に平均空気密度 ( ) を乗じて計算されます。以下に示すように、乱流の物理的に完全な方程式から「渦流束」を計算するための実用的な方程式を得るには、レイノルズ分解を含むいくつかの数学的演算と仮定が必要です。 ${\displaystyle w'}$${\displaystyle {\bar {w}}}$${\displaystyle s'}$${\displaystyle {\bar {s}}}$${\displaystyle \rho_{a}}$

• ある地点での測定値は風上領域を表すことができる
• 測定は対象となる境界層内で行われる
• フェッチ/フラックスフットプリントは適切です – フラックスは関心領域でのみ測定されます
• フラックスは完全に乱流であり、純垂直移動のほとんどは渦によって行われる。
• 地形は水平かつ均一です。変動の平均はゼロです。密度の変動は無視できます。流れの収束と発散は無視できます。
• 機器は、塔ベースの測定では最低5Hzから40Hzまでの高周波で非常に小さな変化を検出できます。

2011年時点では、 渦共分散データを処理し、熱、運動量、ガスフラックスなどの量を導出するソフトウェアプログラム^{[15]が多数存在しています。プログラムは、複雑さ、柔軟性、許容される機器と変数の数、ヘルプシステム、ユーザーサポートの点で大きく異なります。一部のプログラムは}オープンソースソフトウェアですが、その他はクローズドソースまたはプロプライエタリです。

^{例としては、EddyProのような非商用利用のための無料ライセンスを持つ商用ソフトウェア、ECO2S、InnFLUX、 [16]} 、ECpackなどのオープンソースの無料プログラム、EdiRe、TK3、Alteddy、EddySoftなどのクローズドソースの無料パッケージが挙げられます。

一般的な用途:

• 温室効果ガスの排出
• 二酸化炭素排出量の監視
• メタン排出モニタリング
• 水分損失、蒸発散量の測定
• 瞬間的な水利用効率
• 瞬間放射線利用効率

新しい用途:

• 精密灌漑、精密農業
• 炭素隔離と回収の監視
• 埋立地からの大気中へのガス排出
• 水圧破砕によって大気中に放出されたガス
• ガス漏れの検知と位置特定
• 永久凍土地域からのメタン放出
• 生物起源VOC排出
• 反応性微量ガス交換フラックス測定

リモートセンシングは、エネルギーバランスと潜熱流束を使用して蒸発散をモデル化し、蒸発散率を求めるアプローチです。蒸発散 (ET) は水循環の一部であり、正確な ET の測定値は、水資源を管理するための地域および地球規模のモデルにとって重要です。ET 率は、水文学関連分野の研究や農業実践において重要な部分です。MOD16 は、温帯気候に最適な ET を測定するプログラムの例です。^{[1] [17]}

微気象学は、特定の植生の樹冠規模に焦点を合わせた気候研究であり、水文学や生態学の研究にも応用されています。この文脈では、渦共分散は境界表面層または植生の樹冠を囲む境界層における熱質量フラックスを測定するために使用できます。たとえば、乱流の影響は、気候モデル作成者や地域の生態系を研究する人々にとって特に興味深いものです。風速、乱流、質量（熱）濃度は、フラックスタワーで記録できる値です。渦共分散に関連する測定を通じて、粗度係数などの特性を経験的に計算し、モデリングに応用することができます。^[18]

湿地の植生は多種多様で、生態学的には植物ごとに異なります。湿地における主要な植物の存在は、CO2とH2Oの純フラックスを監視することで、栄養供給情報と組み合わせて渦共分散技術を使用することで監視_できます_。フラックスタワーから数年にわたって測定値を取得することで、水利用効率などを判断できます。^[19]

植生や農地からの温室効果ガスのフラックスは、上記の微気象学のセクションで参照されているように、渦共分散法によって測定できます。H ₂ O、CO ₂、熱、CH ₄などの揮発性有機化合物のガス状態の垂直乱流フラックスを測定することで、モニタリング機器を使用して樹冠の相互作用を推測できます。上記のデータを使用して、景観全体の解釈を推測できます。運用コストの高さ、天候の制限（一部の機器は特定の気候に適しています）、およびそれらから生じる技術的制限により、測定精度が制限される場合があります。^[20]

植生生産モデルには、正確な地上観測が必要であり、この文脈では渦共変フラックス測定から得られる。渦共変は、植物群の純一次生産と総一次生産を測定するために使用される。技術の進歩により、わずかな変動が可能になり、空気質量とエネルギー測定値のスケールは 100 ～ 2000 メートルになった。植生の成長と生産に関する炭素循環の研究は、栽培者と科学者の両方にとって極めて重要である。このような情報を使用して、生態系と大気の間の炭素フラックスを観察することができ、気候変動から気象モデルまでさまざまな用途に使用できる。^[1]

真渦蓄積法は、十分な速度の分析装置が利用できない、つまり渦共分散法が適さない微量ガスのフラックスを測定するために使用できます。基本的な考え方は、上向きに移動する空気塊（上昇気流）と下向きに移動する空気塊（下降気流）を、その速度に比例して別々の貯留層にサンプリングすることです。その後、低速応答ガス分析装置を使用して、上昇気流貯留層と下降気流貯留層の両方の平均ガス濃度を定量化できます。^{[21] [22]}

真の渦蓄積法と緩和渦蓄積法の主な違いは、緩和渦蓄積法では垂直風速に比例しない一定の流量で空気をサンプリングすることである。^{[23] [24] [25]}

• 渦（流体力学）
• 生態系の呼吸
• 蒸発
• 蒸発散
• 温室効果ガスの排出
• 熱流束
• フラックスネット
• 潜熱流束
• 蒸散
• ベンティックランダー

• Burba, G.、2022年。「科学的、規制的、商業的応用のための渦共分散法」LI-COR Biosciences、リンカーン、米国、702頁。
• Burba , G.、2013。「科学的、工業的、農業的、および規制的応用のための渦共分散法：生態系のガス交換と面積排出率の測定に関するフィールドブック」。Wayback Machineに 2016-03-31 にアーカイブ。LI-COR Biosciences、リンカーン、米国、331 ページ。
• Aubinet, M.、T. Vesala、D. Papale (編)、2012 年。「渦共分散: 測定とデータ分析の実践ガイド」。Springer Atmospheric Sc​​iences、Springer Verlag、438 ページ。
• Foken, T., 2008. Micrometeorology、Springer-Verlag、ベルリン、ドイツ、308 pp。
• Lee, X.、W. Massman、B. Law、2004 年。『ミクロ気象学ハンドブック』。Kluwer Academic Publishers、オランダ、250 ページ。
• Rosenberg, NJ, BL Blad、SB Verma、1983 年。『Microclimate: The Biological Environment』、Wiley-Interscience、580 ページ。

• 渦共分散法の教科書 2016-03-31 にWayback Machineでアーカイブされました
• 渦共分散ソフトウェアの相互比較
• Google ブックスの渦共分散に関する教科書