Метод турбулентных пульсаций (МТП) (Eddy covariance…, 2012; Baldocchi et al., 1988; Burba, 2022) в настоящее время принято считать одним из наиболее точных и теоретически обоснованных методов определения потоков энергии и вещества между экосистемами и атмосферой. Подробное описание МТП в последние годы было широко представлено в зарубежной и отечественной научной печати (Foken, Napo, 2008; Eddy covariance…, 2012; Бурба и др., 2016; Курбатова, Ольчев, 2017; Baldocchi et al., 2020).
Теоретическая основа метода базируется на теории турбулентности Колмогорова-Обухова, которая описывает мелкомасштабную структуру пульсаций в полях температуры и скорости турбулентного переноса в атмосфере (Obukhov, 1951; Монин, Яглом; 1965; Montgomery, 1948; Swinbank, 1951). Применительно к исследованиям газообмена экосистем с атмосферой, вертикальный турбулентный поток парникового газа рассчитывается как ковариация пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра (w’) и концентрации исследуемого газа (c’) (Бурба и др., 2016). Инструментальные наблюдения, организованные в соответствии с теоретическими основами МТП, позволяют осуществлять непрерывный мониторинг потоков парниковых газов (СО2, CH4, H2O и др.) и энергии на основе высокочастотных наблюдений за скоростью ветра (по трем пространственным осям) и концентрации исследуемого газа (c’) над экосистемой.
Регистрация первичных данных ведется с частотой 50-100 Гц и требует высокоточного и малоинерционного оборудования. Для определения пульсаций составляющих скорости ветра и акустической температуры используют трехмерные ультразвуковые анемометры, а для определения пульсаций концентрации газов – инфракрасные газоанализаторы. В экологических исследованиях, помимо пульсационных наблюдений, параллельно осуществляются актинометрические, метеорологические и биометрические автоматические наблюдения с частотой от 1 секунды до 1 минуты, которые позволяют интерпретировать данные, полученные на основе МТП. Системы пульсационных и дополнительных измерений объединяют в единый программно-аппаратный комплекс — эколого-климатическую станцию (ЭКС).
Расчёт потоков и осреднение метеорологических данных осуществляется для временных интервалов порядка 30 минут. Процедура обработки данных предполагает использование различных статистических тестов для фильтрации данных, а также введения различных поправок, учитывающих особенности турбулентного переноса, характеристики оборудования, его размещение в пространстве и условий регистрации данных. Приведение интегральных оценок потоков к единицам площади производится с помощью моделей зоны охвата (Hsieh et al., 2000; Kormann, Meixner, 2001; Kljun et al., 2004). Зона охвата – это пространственная область экосистемы, с которой собирается поток при измерениях по МТП. Типичная дальность 90% зоны охвата вышек составляет десятки-сотни метров в зависимости от высоты вышки и погодных условий (Burba, 2022).
Рассчитанные величины потоков могут содержать различные случайные и систематические погрешности, возникающие из-за нарушений допущений метода, сбоев в работе оборудования или ошибок при обработке данных (Eddy covariance…, 2012). Влияние большинства известных источников систематических погрешностей минимизируется за счёт регулярного обслуживания оборудования, обработки данных в строгом соответствии с принятыми в международном научном сообществе рекомендациями (Eddy covariance…, 2012; Baldocchi et al., 2020; Pastorello et al., 2020), а также использованию необходимых поправок при расчётах потоков. Влияние случайных погрешностей, как правило, не может быть полностью компенсировано введением поправок, однако тщательная фильтрация данных и использование продолжительных периодов осреднения также минимизирует их влияние (Eddy covariance…, 2012). Таким образом, большая продолжительность непрерывных наблюдений позволяет значительно снизить неопределённость оценок экосистемных потоков, получаемых на основе МТП. На сегодняшний день, благодаря стандартизации требований к оборудованию, организации эксперимента и процедуры обработки данных МТП способен обеспечить высокую точность и сопоставимость получаемых оценок (Курбатова, Ольчев, 2017).
В терминологии изучения углеродного цикла (Кудеяров и др., 2007) МТП позволяет получать прямые оценки чистого экосистемного обмена, или нетто-обмена (NEE) – баланса обменных с атмосферой, экосистемных потоков СО2. При NEE > 0 экосистема является источником атмосферного СО2, а при NEE < 0 – стоком. Для большинства экосистем на коротких временных интервалах (порядка нескольких лет) в отсутствии природных и антропогенных нарушений абсолютная величина NEE соответствует чистой экосистемной продукции (NEP), т.е. —NEE ≈ NEP или разнице между экосистемным дыханием (TER) и валовой первичной продукцией (GPP) (Chapin et al., 2006).
Метод также широко используется для изучения суммарного испарения экосистем, турбулентных потоков тепла и потока импульса в приземном слое атмосферы. Главное преимущество МТП – это пространственно-интегральный характер получаемых оценок потоков энергии и вещества, соответствующих масштабам площади исследуемой экосистемы (Курбатова, Ольчев, 2017; Baldocchi, 2003; Tramontana et al., 2016).