Cơ sở lý thuyết của phương pháp phương sai rối trong nghiên cứu dòng nhiệt, ẩm, khí CO2 và các đặc trưng kỹ thuật của trạm quan trắc dòng Nam Cát Tiên

Biến đổi khí hậu (BĐKH) hiện nay đang là vấn đề quan tâm của toàn nhân loại. Một trong những nguyên nhân làm Trái Đất nóng dần lên là hiệu ứng nhà kính. Trên lục địa, thảm thực vật có vai trò quan trọng trong việc điều tiết các khí nhà kính. Bài viết giới thiệu nguyên lý của phương pháp phương sai rối trong quan trắc dòng và các đặc trưng kỹ thuật của trạm nghiên cứu dòng NCT Flux.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cơ sở lý thuyết của phương pháp phương sai rối trong nghiên cứu dòng nhiệt, ẩm, khí CO2 và các đặc trưng kỹ thuật của trạm quan trắc dòng Nam Cát Tiên Thông tin khoa học công nghệ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHƯƠNG SAI RỐI TRONG NGHIÊN CỨU DÒNG NHIỆT, ẨM, KHÍ CO2 VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT CỦA TRẠM QUAN TRẮC DÒNG NAM CÁT TIÊN TRẦN CÔNG HUẤN(1), ĐINH BÁ DUY(1), KURBATOVA JU.A(2), DESHEREVXKAIA О.А. (2), AVILOV V.(2) I. MỞ ĐẦU Biến đổi khí hậu (BĐKH) hiện nay đang là vấn đề quan tâm của toàn nhânloại. Một trong những nguyên nhân làm Trái Đất nóng dần lên là hiệu ứng nhà kính.Trên lục địa, thảm thực vật có vai trò quan trọng trong việc điều tiết các khí nhàkính. Để nghiên cứu xác định, đánh giá dòng nhiệt, hơi nước và khí CO2 trao đổi vớikhí quyển của các kiểu thảm thực vật khác nhau, một loạt trạm quan trắc dòng đãđược các nhà khoa học thiết lập tại nhiều nơi trên thế giới và năm 1998 chính thứchình thành một mạng lưới gọi là FluxNet [9]. Về ý nghĩa khoa học, trạm quan trắcdòng cho phép nghiên cứu chi tiết chức năng điều tiết khí hậu của một hệ sinh thái.Về mặt thực tiễn, các số liệu thu được của mạng lưới quan trắc dòng là cơ sở để cácchính phủ và tổ chức quốc tế hoạch định chính sách hành động ứng phó với BĐKH,trong đó có việc định giá rừng để chi trả cho các quốc gia có rừng theo Nghị địnhthư Kyoto. Việt Nam là một quốc gia có tỷ lệ che phủ rừng cao, trong đó có nhiều rừngnguyên sinh với năng lực tích tụ cacbon lớn. Trong những năm gần đây việc xácđịnh lượng cacbon tích tụ của các kiểu thảm thực vật được các nhà nghiên cứu trongnước thực hiện chủ yếu theo phương pháp chia ô rừng, lấy mẫu thực vật, phân tíchcacbon [1]. Phương pháp này chỉ cho phép ước tính lượng cacbon của rừng trên mộtdiện tích hẹp và tại một thời điểm nhất định. Tháp quan trắc dòng cho phép theo dõiliên tục, lâu dài động học các dòng nhiệt, ẩm và khí CO2 của diện tích rừng rộng lớntrong mối liên quan với các yếu tố sinh thái, khí hậu. Việc xây dựng các trạm nghiêncứu dòng tại các hệ sinh thái rừng ở nước ta là rất cần thiết. Trạm quan trắc dòngNam Cát Tiên (NCT Flux) là trạm nghiên cứu dòng đầu tiên trên lãnh thổ Việt Namdo Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga xây dựng trong khuôn khổ đề tài hỗn hợp Việt -Nga E1.1. Bài báo giới thiệu nguyên lý của phương pháp phương sai rối trong quantrắc dòng và các đặc trưng kỹ thuật của trạm nghiên cứu dòng NCT Flux. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHƯƠNG SAI RỐI(EDDY COVARIANCE) TRONG NGHIÊN CỨU CÁC DÒNG NHIỆT, ẨMVÀ KHÍ CO2 2.1. Cơ sở vật lý Lớp biên là phần thấp nhất của khí quyển, trong đó chế độ gió, nhiệt, ẩm chịuảnh hưởng mạnh mẽ của điều kiện bề mặt và bức xạ mặt trời. Lớp thấp nhất của lớpbiên, từ mặt đất lên đến khoảng 50 m, gọi là lớp bề mặt. Lớp nhám là phần dưới củalớp bề mặt, tạo nên bởi các vật như rừng cây, các toà nhà... cản luồng chuyển độngkhông khí theo phương nằm ngang làm hình thành các chuyển động rối [3, 5], (hình 1)100 Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 01, 12 - 2012Thông tin khoa học công nghệ Hình 1. Cấu trúc lớp biên khí quyển (hình a); Mặt cắt gió tại các mặt nhám khác nhau (hình b, c) và sự hình thành chuyển động rối (hình d) Trong lớp nhám, năng lượng mặt trời được hấp thụ bởi lớp bề mặt sau đó giảiphóng vào khí quyển dưới dạng hiển nhiệt (do gradient nhiệt độ), ẩn nhiệt (do bay hơinước) và CO2 (do thực vật hấp thụ, thải ra trong chu trình quang hợp). Các dòng nhiệt,ẩm và CO2 trong lớp biên được trao đổi với lớp khí quyển bên trên thông qua nhữngchuyển động rối quy mô nhỏ [4, 5]. Như vậy, đặc trưng khí hậu của một khu vực đượchình thành bởi quá trình khí quyển diễn ra ở lớp bề mặt thông qua vận động của cácthành phần năng lượng bức xạ (hấp thụ, phát xạ) và các dòng hiển nhiệt, ẩn nhiệt. 2.2. Cơ sở toán học Thuật ngữ “flux” (thông lượng, dòng) được dùng để chỉ dòng năng lượng, vậtchất đi qua một đơn vị diện tích, trong một đơn vị thời gian và là một vector [5]. Nếucoi lớp bề mặt là đồng nhất theo phương nằm ngang, chúng ta có thể bỏ qua mọi vậnchuyển năng lượng theo phương này, chỉ còn dòng vận chuyển theo phương thẳngđứng giữa không khí và mặt đất. Về cơ bản có 4 dòng năng lượng: 1) Dòng bức xạ(hấp thụ và phát xạ) của mặt đất; 2) Dòng hiển nhiệt; 3) Dòng ẩn nhiệt; 4) Dòng nhiệttruyền dẫn của đất. Theo định luật bảo toàn năng lượng, nhiệt lượng thu được của lớpđất độ dày z phải bằng năng lượng thu được thông qua 4 dòng năng lượng kể trên: ∂ Δz ∂t (cg ρ gTg )d z = Rn − SH − LH − G (1) Trong phương trình (1): Tg, cg, ρg tương ứng là nhiệt độ, nhiệt dung riêng và tỷtrọng đất, Δz - độ dầy của lớp đất, Rn - bức xạ thuần, SH - dòng hiển nhiệt, LH -dòng ẩn nhiệt và G dòng nhiệt truyền vào lớp đất bên dưới. Khi Δz → ...