DYCO - 动态滞后补偿

DYCO有助于使用协方差最大化检测两个时间序列之间的时间滞后。每个平均间隔的时间延迟是通过递增地移动一个信号（参考信号）并重复计算两个变量之间的时滞互协方差来估计的。选择产生最高协方差的时间滞后作为参考滞后，然后可以将其应用于选定的目标 变量。完整的处理链包括几个阶段和迭代，在这些阶段和迭代中参考滞后在逐渐变小的搜索窗口中迭代地细化。延迟搜索通过对文件之间的默认（标称）时间延迟进行预先标准化来促进。这是通过补偿每日默认滞后数据来实现的，该数据是根据相应日期前后可用的高质量参考滞后计算得出的（图 1）。由于这种标准化，参考滞后落入特定的、预定义的因此已知的时间范围内，这反过来又允许在滞后搜索期间应用越来越窄的时间窗口。

这种方法的优点是可以从在互协方差分析中显示清晰峰值的信号计算参考滞后，从而由于其高信噪比 (SNR) 而产生明确的时间滞后。如果滞后搜索未能检测到参考变量的明确时间延迟，则使用相应的每日默认滞后。 然后可以使用参考滞后来补偿具有低 SNR 的目标变量，以检测到的参考时间延迟。

图 1。显示跨文件的默认参考时间滞后标准化的示例。显示了湍流风数据和 CO ₂混合比之间的瞬时时间滞后（红色）、计算的每日参考默认滞后（黄色条）、归一化校正（蓝色箭头）和归一化后的默认滞后（绿色条）。负滞后值表示 CO ₂信号滞后于风数据，例如 -400 表示瞬时 CO ₂记录到达分析仪的时间比风数据晚 400 条记录（在本例中相当于 20 秒）。每日默认滞后计算为从选择的高质量时间滞后中的 3 天中位时间滞后，即当交叉协方差分析产生明显的协方差峰值时。动态应用归一化校正以移动 CO ₂数据，以便在文件中发现默认时间延迟接近于零。请注意从 2016 年 10 月 27 日之后开始的系统性时滞变化。

安装

DYCO可以通过 pip 安装：

pip install dyco

文档

有关文档和示例，请参阅Wiki。

科学背景

在生态系统研究中，涡度协方差 (EC) 方法被广泛用于量化温室气体 (GHG) 和能源的生物圈-大气交换 (Aubinet et al., 2012; Baldocchi et al., 1988)。原始生态系统通量（即净交换）通过声波风速计测量的湍流垂直风分量与气体分析仪测量的感兴趣实体（例如CO _{2 ）之间的协方差计算。}由于应用了两种不同的仪器，风和气的记录并不完全相同，导致两个时间序列之间存在时间滞后。对于生态系统通量的计算，必须对这个时间延迟进行量化和校正，否则通量会出现系统性偏差。

每个平均间隔的时间滞后可以通过在物理上可能的时间滞后的预定义时间窗口中找到不同时间步长的两个时间序列之间的最大绝对协方差来估计（例如，McMillen，1988；Moncrieff 等人，1997 ）。滞后检测在处理具有高 SNR 的化合物的通量时效果很好，例如 CO ₂就是这种情况。相反，对于具有低 SNR 的化合物，互协方差函数会产生更嘈杂的结果，并使通量偏向更大的绝对通量值（Langford 等人，2015 年）。对于以零星的高排放事件为特征的化合物，情况可能就是这样，而这些事件之间的通量仍然很低，并且通常低于所应用分析仪的检测限。一个典型的例子是强温室气体一氧化二氮（N₂ O) 管理草地：全年通量通常较低，但在施肥和耕作等管理活动期间和之后会排放大量N ₂ O（例如，Hörtnagl 等人，2018 年；Merbold 等人., 2014)。在这种情况下，计算通量在高排放期间（高 SNR）效果很好，但在一年中的其余时间（低 SNR）具有挑战性，这加剧了后续数据分析和生态系统年度温室气体预算的计算。

充分计算低 SNR 化合物的通量的一个建议是首先计算具有高 SNR 的参考化合物（例如 CO ₂）的时间延迟，然后将相同的时间延迟应用于目标目标化合物（例如 N ₂ O），两种化合物均由同一台分析仪记录（Nemitz 等人，2018 年）。DYCO跟进该建议并促进参考化合物的动态滞后检测以及将找到的参考时间滞后应用于一个或多个目标化合物。

致谢

这项工作得到了瑞士国家科学基金会 SNF（ICOS CH，授权号 20FI21_148992、20FI20_173691）和欧盟项目 ICOS 为综合全球观测 RINGO 的必要性准备（授权号 730944）的支持。

参考

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Hörtnagl, L., Barthel, M., Buchmann, N., Eugster, W., Butterbach-Bahl, K., Dáaz-Pinés, E., Zeeman, M., Klumpp, K., Kiese, R., Bahn, M., Hammerle, A., Lu, H., Ladreiter-Knauss, T., Burri, S., Merbold, L., 2018。中欧管理草原上的温室气体通量。全球。改变生物学。1843 年至 1872 年 1 月 24 日。https://doi.org/10.1111/gcb.14079

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McMillen, RT, 1988。一种涡流相关技术，可扩展适用于非简单地形。Bound.-Layer Meteorol。43、231-245。https://doi.org/10.1007/BF00128405

Merbold, L., Eugster, W., Stieger, J., Zahniser, M., Nelson, D., Buchmann, N., 2014。集约化管理草原的温室气体收支（CO ₂、CH ₄和 N ₂ O）恢复后。全球。改变生物学。1913 年至 1928 年 1 月 20 日。https://doi.org/10.1111/gcb.12518

Moncrieff, JB, Massheder, JM, de Bruin, H., Elbers, J., Friborg, T., Heusinkveld, B., Kabat, P., Scott, S., Soegaard, H., Verhoef, A., 1997 . 测量动量、显热、水蒸气和二氧化碳的表面通量的系统。J.水解。188-189、589-611。https://doi.org/10.1016/S0022-1694(96)03194-0

Nemitz，E.，Mammarella，I.，Ibrom，A.，Aurela，M.，Burba，GG，Dengel，S.，Gielen，B.，Grelle，A.，Heinesch，B.，Herbst，M.，HÃ ¶rtnagl, L., Klemedtsson, L., Lindroth, A., Lohila, A., McDermitt, DK, Meier, P., Merbold, L., Nelson, D., Nicolini, G., Nilsson, MB, Peltola , O., Rinne, J., Zahniser, M., 2018。甲烷和一氧化二氮的涡度协方差通量测量的标准化。诠释。农业物理学 32, 517–549。https://doi.org/10.1515/intag-2017-0042

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