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渦動(dòng)協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)（渦動(dòng)）
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胡文雯
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渦動(dòng)協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)（渦動(dòng)）
數(shù)據(jù)采集器，三維超聲風(fēng)速儀，開(kāi)路二氧化碳／水汽分析儀或氪濕度計(jì)，空氣溫濕度探頭，短波輻射表，長(zhǎng)波輻射表，凈輻射表，雨量桶，光合有效輻射傳感器，紅外表面溫度探頭，土壤含水量探頭，土壤熱通量板，土壤溫度探頭，土壤平均溫度探頭等。
渦動(dòng)協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)（渦動(dòng)）
可測(cè)量的變量:
※ CO2 和 H2O 摩爾密度
儀器組成及原理：
渦動(dòng)協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)（渦動(dòng)）由數(shù)據(jù)采集器和超聲風(fēng)速儀、CO2/H2O分析儀等組成。
數(shù)據(jù)采集器控制整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量、采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算及存貯。
三維超聲風(fēng)速儀測(cè)量空氣的三維風(fēng)速及超聲虛溫，開(kāi)路分析儀測(cè)量空氣中的CO2和H2O氣體含量，這兩種傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)構(gòu)成了渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器在線計(jì)算或研究者離線處理，可得到CO2通量、潛熱通量、顯熱通量、空氣動(dòng)量通量、磨擦風(fēng)速等，這些特征是用于渦動(dòng)協(xié)方差研究的主要參量。
在渦動(dòng)協(xié)方差研究中，還有必要測(cè)量研究區(qū)域的能量平衡。太陽(yáng)輻射（向下短波輻射，及DR）進(jìn)入地球大氣層，經(jīng)過(guò)直射、散射、轉(zhuǎn)化等機(jī)制作用后，在大氣中形成既有向下的短波輻射（DR）和長(zhǎng)波輻射（DLR），也有向上的矮波輻射（UR）和長(zhǎng)波輻射（ULR）。在這個(gè)系統(tǒng)中，四分量?jī)糨椛鋫鞲衅鳒y(cè)量了這些輻射分量和總的結(jié)果（凈輻射Rn）；熱通量板測(cè)量約5cm 處的土壤熱通量，平均熱電偶探頭用于測(cè)量土壤儲(chǔ)熱，土壤含水量探頭用于測(cè)量土壤中的水的儲(chǔ)熱；這些量和渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)所測(cè)的顯熱及潛熱，用于考察研究區(qū)域的能量平衡。
由于開(kāi)路分析儀和三維超聲風(fēng)速儀各自的測(cè)量機(jī)制，它們的測(cè)量都容易受降雨影響，光合有效輻射傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)可用于CO2通量的后期修正。
系統(tǒng)配置及簡(jiǎn)要介紹：
一般情況下，系統(tǒng)包括以下儀器和部件；實(shí)際應(yīng)用于中，常根據(jù)用戶具體測(cè)量要求調(diào)整配置。
近地面層通量觀測(cè)系統(tǒng)是國(guó)家氣候觀象臺(tái)氣候綜合探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是用于測(cè)量地氣交界面附近輻射通量、能量通量、物質(zhì)通量、土壤熱通量和氣象要素分布梯度的綜合觀測(cè)系統(tǒng)。主要包括近地層大氣溫度、風(fēng)、濕度、氣壓、降水量、蒸發(fā)量、土壤溫度、土壤濕度、土壤熱通量、輻射、物質(zhì)通量（水汽、碳通量）觀測(cè)及熱量、動(dòng)量通量等要素觀測(cè)，以此來(lái)獲取不同代表性下墊面區(qū)域上大氣邊界層的動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)，多圈層相互作用過(guò)程中各種能量、物質(zhì)交換的相關(guān)信息。
近地面層介紹
0 - 100m以下氣層（包括粘性次層）稱為近地面層，這一層大氣受下墊面不均勻影響，有明顯的湍流特征；近地層通量觀測(cè)核心是了解水循環(huán)和碳循環(huán)過(guò)程機(jī)理、變化趨勢(shì)以及調(diào)控管理的綜合研究。近地層通量觀測(cè)主要是水汽和碳通量，并同時(shí)進(jìn)行近地層大氣溫度、風(fēng)、濕度、輻射、氣壓、降水量、蒸發(fā)量、土壤溫度、土壤濕度、土壤熱通量、地下水位、輻射通量、顯熱和潛熱熱量、動(dòng)量通量、物質(zhì)通量等要素觀測(cè)，以獲取不同代表性下墊面區(qū)域近地層動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)及其各類能量收支、物質(zhì)交換等多圈層相互作用過(guò)程綜合信息。
通過(guò)獲取典型生態(tài)系統(tǒng)地-氣間顯熱、潛熱、動(dòng)量通量和CO2通量的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，為氣象部門開(kāi)展氣候系統(tǒng)模式的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；為**系統(tǒng)地開(kāi)展典型生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)過(guò)程與小氣候、地-氣相互作用及水熱平衡特征、大氣-生態(tài)-小氣候-水文-土壤相互作用及影響機(jī)制的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；為短期氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)、氣候變化影響評(píng)估等工作提供基礎(chǔ)性資料；研究應(yīng)用微氣象法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地-氣間顯熱、潛熱、動(dòng)量通量和CO2通量影響的長(zhǎng)期觀測(cè)的技術(shù)和方法。
近地層通量按照不同的下墊面可分為陸氣、海氣兩種類型，是開(kāi)展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等陸氣、海氣過(guò)程觀測(cè)的通量站。
通量系統(tǒng)介紹
該系統(tǒng)由梯度觀測(cè)系統(tǒng)、渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)及監(jiān)控計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)、供電系統(tǒng)組成。
梯度站觀測(cè)系統(tǒng)組成
由包括空氣溫度/相對(duì)濕度/風(fēng)速梯度觀測(cè)、輻射觀測(cè)及土壤觀測(cè)等組成常規(guī)的背景觀測(cè)系統(tǒng)，包括：
※ 1個(gè)數(shù)據(jù)采集器和1個(gè)測(cè)量通道擴(kuò)展板
※ 1個(gè)機(jī)箱
※ 5層空氣溫濕度傳感器
※ 5層空氣溫度傳感器
※ 5層風(fēng)速傳感器和1層風(fēng)向傳感器
※ 1個(gè)凈輻射、光合有效輻射及紅外表面溫度傳感器安裝在4米處
※ 5層土壤溫度
※ 5層土壤水分
※ 3個(gè)熱通量板
開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)的組成
開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)應(yīng)用渦動(dòng)協(xié)方差技術(shù)，測(cè)量研究區(qū)的CO2通量、顯熱通量、潛熱通量、動(dòng)量通量和摩擦風(fēng)速等，包括：
※ 數(shù)據(jù)采集器
※ 三維超聲風(fēng)速儀
※ CO2/H2O分析儀等組成
儀器布設(shè)的描述（見(jiàn)下表）
層數(shù) | 高度 | 傳感器 | 測(cè)量參數(shù) |
第五層 | 30米 | 010C-1風(fēng)速傳感器，HMP45C空氣溫濕度，PT100 | 風(fēng)速，空氣溫度，相對(duì)濕度 |
第四層 | 20米 | 010C-1風(fēng)速傳感器，HMP45C空氣溫濕度，PT100 | 風(fēng)速，空氣溫度，相對(duì)濕度 |
第三層 | 10米 | 010C-1風(fēng)速傳感器，020C-1風(fēng)向傳感器，空氣溫濕度，PT100 | 風(fēng)速，風(fēng)向，空氣溫度，相對(duì)濕度 |
**層 | 4米 | 010C-1風(fēng)速傳感器，020C-1風(fēng)向傳感器，HMP45C空氣溫濕度，PT100，三維超聲風(fēng)速儀，LI7500A二氧化碳水汽分析儀，CNR4凈輻射傳感器，LI190SB光合有效輻射傳感器，IRR-P紅外表面溫度探頭 | 風(fēng)速，風(fēng)向，空氣溫度，相對(duì)濕度，開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差數(shù)據(jù)，光合有效輻射，紅外地表溫度，太陽(yáng)短波輻射，向上反射短波輻射，地球長(zhǎng)波輻射，大氣長(zhǎng)波輻射，凈輻射 |
**層 | 2米 | 010C-1風(fēng)速傳感器，HMP45C空氣溫濕度，PT100 | 風(fēng)速，空氣溫度，相對(duì)濕度 |
1.5米 | PTB210大氣壓力傳感器 | 大氣壓力 |
土壤溫度
層數(shù) | 深度 | 傳感器 | 測(cè)量參數(shù) |
**層 | 5cm | PT100 | 土壤溫度 |
**層 | 10cm | PT100 | 土壤溫度 |
第三層 | 15cm | PT100 | 土壤溫度 |
第四層 | 20cm | PT100 | 土壤溫度 |
第五層 | 40cm | PT100 | 土壤溫度 |
土壤含水量
層數(shù) | 深度 | 傳感器 | 測(cè)量參數(shù) |
**層 | 10cm | CS616 | 土壤含水量 |
**層 | 20cm | CS616 | 土壤含水量 |
第三層 | 50cm | CS616 | 土壤含水量 |
第四層 | 100cm | CS616 | 土壤含水量 |
第五層 | 180cm | CS616 | 土壤含水量 |
土壤熱通量
層數(shù) | 深度 | 傳感器 | 測(cè)量參數(shù) |
**層 | 5cm | HFP01SC | 土壤熱通量 |
系統(tǒng)供電和防雷
系統(tǒng)全部采用交流供電，系統(tǒng)的緩沖電源全部采用高性能的深充電池。
對(duì)于常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)，由于其功耗相對(duì)較小，電源的體積和重量較小，電源（深充電池）安裝在與塔上數(shù)據(jù)采集器相對(duì)應(yīng)的耐候機(jī)箱里，充電電源為220VAC轉(zhuǎn)換出的13.8VDC直流電源（電池箱中）。
對(duì)于開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)，由于其功耗較大，因此，100AHR容量的深充電池與對(duì)應(yīng)的充電控制器都安放在塔下的電池箱里，由電池提供的12VDC上塔給開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)供電由于系統(tǒng)中配置了交流電源，這會(huì)增加系統(tǒng)遭雷擊的可能性。因此，配備了一個(gè)交流防雷設(shè)備，系統(tǒng)中所需的交流電源全部經(jīng)由交流防雷設(shè)備獲取。塔上的很多設(shè)備（數(shù)據(jù)采集器、分析儀等）都需要接地。為此配備了一條銅網(wǎng)接地線，從機(jī)箱下的接線柱連接到鐵塔的接地樁上并且鐵塔對(duì)地電阻小于4Ω。
通訊方式
通量站的數(shù)據(jù)采集器采用PakBus操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)的通訊組網(wǎng)更靈活，讓觀測(cè)人員能夠方便地更有效地維護(hù)系統(tǒng)、查看數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)可以配備兩套獨(dú)立的通訊系統(tǒng)，通量站采用屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)從監(jiān)控室到采集器的通訊。
485總線通訊
通過(guò)485多子站RS-485（一種通訊標(biāo)準(zhǔn)）通訊模塊，可以將系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器分別通過(guò)RS-485進(jìn)行通訊。觀測(cè)人員從監(jiān)控室的PC上可以訪問(wèn)到系統(tǒng)中的每一個(gè)數(shù)據(jù)采集器。RS-485總線既是查看數(shù)據(jù)的通道，也是采集數(shù)據(jù)的通道（常規(guī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)的通量數(shù)據(jù)和CO2/H2O廓線數(shù)據(jù)）。
485模塊有RS-485、RS-232和CS I/O三個(gè)通訊端口，可以同時(shí)使用其中的任意兩個(gè)（需要先設(shè)置好）。在此，設(shè)置485模塊的通訊模式為“PakBus Networking"，485的RS-485端口為總線接口，其RS-232或CS I/O端口為子站接口。采用PakBus協(xié)議的一個(gè)主要好處在于總線中的各個(gè)子站可以相互訪問(wèn)。
CF卡數(shù)據(jù)備份
對(duì)于開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)，雖然其數(shù)據(jù)采集器也連接到了RS-485總線中，但由于其原始高頻數(shù)據(jù)流量太大，約1G字節(jié)/月，因此為其配備了2G容量的CF卡。開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差的所有數(shù)據(jù)在保存到數(shù)據(jù)采集器內(nèi)存的同時(shí)，也保存到CF卡上。觀測(cè)人員需要定期更換CF卡。
監(jiān)控軟件與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件
通過(guò)軟件來(lái)完成設(shè)置調(diào)試運(yùn)行工作， AFWS軟件來(lái)完成日常監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析查看等工作，LI7500A軟件完成開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)的標(biāo)定工作。
服務(wù)軟件
軟件完成采集測(cè)量程序的編寫(xiě)、調(diào)試、上傳、監(jiān)控，軟件在數(shù)據(jù)監(jiān)控下載方面也可以做的很好，可以自動(dòng)下載歷史記錄。通訊使用2進(jìn)制格式命令，使通訊的效率和速度大大提高。該軟件支持多種組網(wǎng)方式，及各種通訊協(xié)議，可以作為日常AFWS軟件的通訊服務(wù)
AFWS監(jiān)控軟件
AFWS是近地層通量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的綜合監(jiān)控軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：
※ 數(shù)據(jù)文件生成：自動(dòng)生成所需要的4個(gè)數(shù)據(jù)文件；
※ 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：按照要求的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)；
※ 數(shù)據(jù)查看：通過(guò)表格文本等方式，查看數(shù)據(jù)是否缺失；
※ 數(shù)據(jù)分析功能：分析數(shù)據(jù)是否合理等等。
由于近地層通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于一般的自動(dòng)氣象站，具有數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)種類多，數(shù)據(jù)變化復(fù)雜，因此一般的數(shù)據(jù)查看方法不可能完成良好的監(jiān)控。該軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的圖表繪制，多個(gè)數(shù)據(jù)的比較，廓線圖、風(fēng)玫瑰圖等方法觀察判斷數(shù)據(jù)的質(zhì)量和通量的大小變化規(guī)律。
LI 7500Ａ軟件
主要用于設(shè)置資料的輸出模式、校正方式以便完成分析儀的標(biāo)定工作。
數(shù)據(jù)格式
近地邊界層通量觀測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)文件包括由數(shù)據(jù)采集器處理后，通過(guò)終端計(jì)算機(jī)處理軟件直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤中的數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件分為湍流觀測(cè)、梯度觀測(cè)兩大類，其 中湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)文件包括兩類：一類是用來(lái)計(jì)算通量的高頻原始數(shù)據(jù)（一般10HZ），用于后期做各種數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理；另一類是數(shù)據(jù)采集器在線計(jì)算得到的通量，以及計(jì)算通量運(yùn)算中所需要的各種統(tǒng)計(jì)量，還包括能量平衡中常規(guī)傳感器的測(cè)量結(jié)果。梯度觀測(cè)數(shù)據(jù)除滿足《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的要求外，同時(shí)需滿足用于近地面邊界層能量收支平衡的分析處理。
近地邊界層通量觀測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)文件由以下文件組成。
※ 湍流觀測(cè)
※ 梯度觀測(cè)
儀器簡(jiǎn)介
風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量。
010C-1風(fēng)速傳感器（安裝在鐵塔的2、4、10、20、30米處）和020C風(fēng)向傳感器（安裝在鐵塔的10米處）是由Metone公司生產(chǎn)的一種高精度的水平風(fēng)速傳感器，具有測(cè)量精度高、啟動(dòng)風(fēng)速低、可靠耐用等特點(diǎn)。
溫濕的測(cè)量。
HMP45C溫濕度傳感器包括一個(gè)鉑電阻溫度探頭（PT100）和一個(gè)容性相對(duì)濕度傳感器；PT1000高精度溫度傳感器是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的，它們安裝在鐵塔的2、4、10、20、30米處。
CNR4凈輻射傳感器。
凈輻射傳感器用于測(cè)量日射和遠(yuǎn)紅外輻射平衡，用于測(cè)量地表凈輻射。CNR4由四個(gè)靈敏度相同的傳感器組成。CNR4有兩個(gè)半球型180度視覺(jué)范圍的能量接收窗，一個(gè)朝上，一個(gè)朝下。CNR4被設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)量來(lái)自這兩個(gè)接收窗的能量。被測(cè)量的光譜范圍大概從0.3到3微米。這個(gè)光譜范圍既覆蓋了太陽(yáng)光輻射，0.3到3微米，也包括了遠(yuǎn)紅外輻射，5到50微米，在鐵塔的4米處。
IRR-P傳感器。
IRR-P是一種非接觸式傳感器，它通過(guò)感受物體發(fā)出的紅外線，來(lái)測(cè)量被測(cè)物體的表面溫度。IRR-P廣泛應(yīng)用于測(cè)量樹(shù)葉、帳篷的溫度以及平均表面溫度。一個(gè)單獨(dú)的熱敏電阻用來(lái)測(cè)量傳感器自身的溫度，以提高IRR-P的測(cè)量精度。在鐵塔的4米處。
LI-190SB光合有效輻射傳感器。
LI-190SB采用硅光電探測(cè)器測(cè)量太陽(yáng)光輻射。在傳感器電纜里面有一個(gè)內(nèi)置電阻，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?span lang="EN-US">μV-mV電壓信號(hào)，可使數(shù)據(jù)采集器對(duì)其直接進(jìn)行測(cè)量，在鐵塔的4米處。
PTB210大氣壓力傳感器
PTB210大氣壓傳感器是由Vaisala公司生產(chǎn)的一種高精度數(shù)字氣壓傳感器有模擬量輸出，有多種氣壓測(cè)量范圍可以選配，在鐵塔的1.5米處。
土壤溫度傳感器。
PT100鉑電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的。
土壤含水量傳感器。
CS616用來(lái)測(cè)量土壤或其他介質(zhì)含水量。CS616通過(guò)其探頭測(cè)得被測(cè)物體的介電常數(shù)，從而算出含水量。CS616輸出量是一個(gè)方波，這個(gè)方波可以被采集記錄下來(lái)，然后通過(guò)計(jì)算和校正得出含水量，也可得出一個(gè)時(shí)期的含水量。
HFP01土壤熱通量傳感器。
傳感器由熱電堆和薄膜加熱器組成。
三維風(fēng)速儀（Windmaster，Windmaster Pro，R3-50，R3-100 etc.）
三維超聲風(fēng)速儀是垂直測(cè)量路徑為10cm，采用脈沖聲學(xué)模式工作，可以在惡劣天氣條件下的暴露工作。三相正交風(fēng)速分量（Ux、Uy、Uz）和聲速（C）可以以*大60Hz的速度測(cè)量和輸出。提供模擬和數(shù)字兩種類型輸出?？捎腥N模式激發(fā)測(cè)量：三維超聲風(fēng)速儀的內(nèi)部時(shí)鐘，PC機(jī)產(chǎn)生的RS232指令或數(shù)采的SDM指令，SDM通訊協(xié)議可以支持一個(gè)組激發(fā)器，從而可同步測(cè)量每個(gè)三維超聲風(fēng)速儀。
HMP45C空氣溫濕度傳感器（使用梯度站同一高度傳感器）（HMP155）
用于測(cè)量空氣的溫度和濕度，在渦動(dòng)協(xié)方差開(kāi)路系統(tǒng)中用于修正通量值。
紅外CO2/H2O分析儀（LI7500A分析儀）。
LI-7500A CO2/H2O分析儀是高速的、高性的、開(kāi)路式的CO2/H2O氣體分析儀，能夠在苛刻的空氣環(huán)境中測(cè)量CO2和H2O的-概濃度大小。在渦度相關(guān)的研究中這些資料和風(fēng)速波動(dòng)的資料相連，可以確定CO2和H2O的流量大小。主要應(yīng)用在氣候變化和生態(tài)研究中，確定農(nóng)田或自然景觀等的CO2和H2O的量。操作箱可以使LI-7500A的分析器和連接部分位于一個(gè)不受天氣影響的環(huán)境中，操作箱中密封的外部感測(cè)器允許電源、RS-232和DAC輸出、類比輸出，以用同步測(cè)量設(shè)備的介面與之相連。連接在控制箱上的是LI-7500A感應(yīng)器頭部，空氣動(dòng)力學(xué)的圍欄覆蓋了分析儀的光學(xué)部分、紅外光源和探測(cè)器。LI-7500A是一臺(tái)-概的氣體分析儀，即是氣體通過(guò)分析儀頭部開(kāi)放的路徑時(shí)，CO2和H2O的-概濃度通過(guò)光源（感應(yīng)器頭部下面葉室）和探測(cè)器（感應(yīng)器頭部的上部葉室）之間吸收紅外輻射和的差異得到。
采集器的測(cè)量組成包括：控制電路，通訊端口，鍵盤顯示器，電源，手動(dòng)傳輸。采集器的功耗很小，在野外可以由一個(gè)直流電源供電。
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