渦動協方差及能量平衡系統（渦動）

? ?采用渦動協方差系統測量H2O、CO2和熱通量，可以計算出顯熱通量、潛熱通量和二氧化碳通量，副產品有動量通量和摩擦風速等。?主要系統部件:

? ?數據采集器，三維超聲風速儀，開路二氧化碳／水汽分析儀或氪濕度計，空氣溫濕度探頭，短波輻射表，長波輻射表，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。

渦動協方差及能量平衡系統（渦動）

? 可測量的變量:※?風和溫度※?CO2?和?H2O?摩爾密度
? ?儀器組成及原理：渦動協方差及能量平衡系統（渦動）由數據采集器和超聲風速儀、CO2/H2O分析儀等組成。數據采集器控制整個系統的測量、采集、數據運算及存貯。三維超聲風速儀測量空氣的三維風速及超聲虛溫，開路分析儀測量空氣中的CO2和H2O氣體含量，這兩種傳感器測得的數據構成了渦動協方差系統的原始數據，經過數據采集器在線計算或研究者離線處理，可得到CO2通量、潛熱通量、顯熱通量、空氣動量通量、磨擦風速等，這些特征是用于渦動協方差研究的主要參量。在渦動協方差研究中，還有必要測量研究區域的能量平衡。太陽輻射（向下短波輻射，及DR）進入地球大氣層，經過直射、散射、轉化等機制作用后，在大氣中形成既有向下的短波輻射（DR）和長波輻射（DLR），也有向上的矮波輻射（UR）和長波輻射（ULR）。在這個系統中，四分量凈輻射傳感器測量了這些輻射分量和總的結果（凈輻射Rn）；熱通量板測量約5cm處的土壤熱通量，平均熱電偶探頭用于測量土壤儲熱，土壤含水量探頭用于測量土壤中的水的儲熱；這些量和渦動協方差系統所測的顯熱及潛熱，用于考察研究區域的能量平衡。由于開路分析儀和三維超聲風速儀各自的測量機制，它們的測量都容易受降雨影響，光合有效輻射傳感器所測數據可用于CO2通量的后期修正。?渦動協方差及能量平衡系統（渦動）系統配置及簡要介紹：一般情況下，系統包括以下儀器和部件；實際應用于中，常根據用戶具體測量要求調整配置。近地面層通量觀測系統是國家氣候觀象臺氣候綜合探測系統的一個重要組成部分，是用于測量地氣交界面附近輻射通量、能量通量、物質通量、土壤熱通量和氣象要素分布梯度的綜合觀測系統。主要包括近地層大氣溫度、風、濕度、氣壓、降水量、蒸發量、土壤溫度、土壤濕度、土壤熱通量、輻射、物質通量（水汽、碳通量）觀測及熱量、動量通量等要素觀測，以此來獲取不同代表性下墊面區域上大氣邊界層的動力、熱力結構，多圈層相互作用過程中各種能量、物質交換的相關信息。

? ?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；近地層通量觀測核心是了解水循環和碳循環過程機理、變化趨勢以及調控管理的綜合研究。近地層通量觀測主要是水汽和碳通量，并同時進行近地層大氣溫度、風、濕度、輻射、氣壓、降水量、蒸發量、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、動量通量、物質通量等要素觀測，以獲取不同代表性下墊面區域近地層動力、熱力結構及其各類能量收支、物質交換等多圈層相互作用過程綜合信息。通過獲取典型生態系統地-氣間顯熱、潛熱、動量通量和CO2通量的長期觀測數據，為氣象部門開展氣候系統模式的研究提供基礎數據；為**系統地開展典型生態系統中生態過程與小氣候、地-氣相互作用及水熱平衡特征、大氣-生態-小氣候-水文-土壤相互作用及影響機制的研究提供基礎數據；為短期氣候趨勢預測、氣候變化影響評估等工作提供基礎性資料；研究應用微氣象法進行生態系統對地-氣間顯熱、潛熱、動量通量和CO2通量影響的長期觀測的技術和方法。近地層通量按照不同的下墊面可分為陸氣、海氣兩種類型，是開展農田生態系統、林業生態系統等陸氣、海氣過程觀測的通量站。通量系統介紹該系統由梯度觀測系統、渦動協方差系統及監控計算機、通訊網絡、供電系統組成。

? ? 梯度站觀測系統組成由包括空氣溫度/相對濕度/風速梯度觀測、輻射觀測及土壤觀測等組成常規的背景觀測系統，包括：

※?1個數據采集器和1個測量通道擴展板

※?1個機箱※?5層空氣溫濕度傳感器

※?5層空氣溫度傳感器

※?5層風速傳感器和1層風向傳感器

※?1個凈輻射、光合有效輻射及紅外表面溫度傳感器安裝在4米處

※?1個熱通量板?

※1個雨量筒

開路渦動協方差系統的組成開路渦動協方差系統應用渦動協方差技術，測量研究區的CO2通量、顯熱通量、潛熱通量、動量通量和摩擦風速等，包括：

※?數據采集器

※?三維超聲風速儀

※?CO2/H2O分析儀等組成?儀器布設的描述（見下表）

層數	高度	傳感器	測量參數
第五層	30米	010C風速傳感器，HMP155A空氣溫濕度	風速，空氣溫度，相對濕度
第四層	20米	010C風速傳感器，HMP155A空氣溫濕度	風速，空氣溫度，相對濕度
第三層	10米	010C風速傳感器，020C風向傳感器，HMP155A空氣溫濕度	風速，風向，空氣溫度，相對濕度
第er層	4米	010C風速傳感器，020C風向傳感器，HMP155A空氣溫濕度，三維超聲風速儀，LI-840A分析儀，CNR4凈輻射傳感器，PQS1光合有效輻射傳感器，CUV5紫外輻射傳感器。?	風速，風向，空氣溫度，相對濕度，開路渦動協方差數據，光合有效輻射，紅外地表溫度，太陽短波輻射，向上反射短波輻射，地球長波輻射，大氣長波輻射，凈輻射紫外輻射傳感器
第YI層	2米	010C風速傳感器，HMP155A空氣溫濕度	風速，空氣溫度，相對濕度
	1.5米	CS106大氣壓力傳感器	大氣壓力

土壤熱通量

層數	高度	傳感器	測量參數
一層	正常	TE525MM	雨量

土壤熱通量

層數	深度	傳感器	測量參數
**層	5cm	HFP01	土壤熱通量

? ?系統供電和防雷系統全部采用交流供電，系統的緩沖電源全部采用高性能的深充電池。對于常規觀測系統，由于其功耗相對較小，電源的體積和重量較小，電源（深充電池）安裝在與塔上數據采集器相對應的耐候機箱里，充電電源為220VAC轉換出的13.8VDC直流電源（電池箱中）。對于開路渦動協方差系統，由于其功耗較大，因此，100AHR容量的深充電池與對應的充電控制器都安放在塔下的電池箱里，由電池提供的12VDC上塔給開路渦動協方差系統供電由于系統中配置了交流電源，這會增加系統遭雷擊的可能性。因此，配備了一個交流防雷設備，系統中所需的交流電源全部經由交流防雷設備獲取。塔上的很多設備（數據采集器、分析儀等）都需要接地。為此配備了一條銅網接地線，從機箱下的接線柱連接到鐵塔的接地樁上并且鐵塔對地電阻小于4Ω。?通訊方式通量站的數據采集器采用PakBus操作系統，使系統的通訊組網更靈活，讓觀測人員能夠方便地更有效地維護系統、查看數據和采集數據。該系統可以配備兩套獨立的通訊系統，通量站采用屏蔽雙絞線實現從監控室到采集器的通訊。485總線通訊通過485多子站RS-485（一種通訊標準）通訊模塊，可以將系統中數據采集器分別通過RS-485進行通訊。觀測人員從監控室的PC上可以訪問到系統中的每一個數據采集器。RS-485總線既是查看數據的通道，也是采集數據的通道（常規系統數據、開路渦動協方差系統的通量數據和CO2/H2O廓線數據）。485模塊有RS-485、RS-232和CS I/O三個通訊端口，可以同時使用其中的任意兩個（需要先設置好）。在此，設置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協議的一個主要好處在于總線中的各個子站可以相互訪問。?CF卡數據備份對于開路渦動協方差系統，雖然其數據采集器也連接到了RS-485總線中，但由于其原始高頻數據流量太大，約1G字節/月，因此為其配備了2G容量的CF卡。開路渦動協方差的所有數據在保存到數據采集器內存的同時，也保存到CF卡上。觀測人員需要定期更換CF卡。?監控軟件與數據格式轉換軟件通過軟件來完成設置調試運行工作，?配套軟件來完成日常監控數據分析查看等工作，LI-840A分析儀軟件完成開路渦動協方差系統的標定工作。?服務軟件軟件完成采集測量程序的編寫、調試、上傳、監控，軟件在數據監控下載方面也可以做的很好，可以自動下載歷史記錄。通訊使用2進制格式命令，使通訊的效率和速度大大提高。該軟件支持多種組網方式，及各種通訊協議，可以作為日常AFWS軟件的通訊服務?AFWS監控軟件AFWS是近地層通量網絡監測系統開發的綜合監控軟件，該軟件實現以下功能：※?數據文件生成：自動生成所需要的4個數據文件；※?數據格式轉換：按照中國氣象局要求的數據格式存儲；※?數據查看：通過表格文本等方式，查看數據是否缺失；※?數據分析功能：分析數據是否合理等等。?由于近地層通量監測系統不同于一般的自動氣象站，具有數據量大，數據種類多，數據變化復雜，因此一般的數據查看方法不可能完成良好的監控。該軟件可以進行數據的圖表繪制，多個數據的比較，廓線圖、風玫瑰圖等方法觀察判斷數據的質量和通量的大小變化規律。LI-840A分析儀軟件主要用于設置資料的輸出模式、校正方式以便完成分析儀的標定工作。?數據格式近地邊界層通量觀測系統采集數據文件包括由數據采集器處理后，通過終端計算機處理軟件直接存儲到計算機硬盤中的數據文件。數據文件分為湍流觀測、梯度觀測兩大類，其?中湍流觀測數據文件包括兩類：一類是用來計算通量的高頻原始數據（一般10HZ），用于后期做各種數據運算和處理；另一類是數據采集器在線計算得到的通量，以及計算通量運算中所需要的各種統計量，還包括能量平衡中常規傳感器的測量結果。梯度觀測數據除滿足《地面氣象觀測規范》的要求外，同時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系統采集數據文件由以下文件組成。※?湍流觀測※?梯度觀測?儀器簡介風向風速測量。010C風速傳感器（安裝在鐵塔的2、4、10、20、30米處）和020C風向傳感器（安裝在鐵塔的10米處）是由Metone公司生產的一種高精度的水平風速傳感器，具有測量精度高、啟動風速低、可靠耐用等特點。?溫濕的測量。HMP155A溫濕度傳感器包括一個鉑電阻溫度探頭（PT100）和一個容性相對濕度傳感器；HMP155A高精度溫度傳感器是利用物質在溫度變化時本身電阻也隨著發生變化的特性來測量溫度的，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量日射和遠紅外輻射平衡，用于測量地表凈輻射。CNR4由四個靈敏度相同的傳感器組成。CNR4有兩個半球型180度視覺范圍的能量接收窗，一個朝上，一個朝下。CNR4被設計用來測量來自這兩個接收窗的能量。被測量的光譜范圍大概從0.3到3微米。這個光譜范圍既覆蓋了太陽光輻射，0.3到3微米，也包括了遠紅外輻射，5到50微米，在鐵塔的4米處。?PQS1光合有效輻射傳感器。PQS1采用硅光電探測器測量太陽光輻射。在傳感器電纜里面有一個內置電阻，將傳感器信號轉變為μV-mV電壓信號，可使數據采集器對其直接進行測量，在鐵塔的4米處。?CS106大氣壓力傳感器CS106大氣壓傳感器是由Vaisala公司生產的一種高精度數字氣壓傳感器有模擬量輸出，有多種氣壓測量范圍可以選配，在鐵塔的1.5米處。?HFP01土壤熱通量傳感器。傳感器由熱電堆和薄膜加熱器組成。?三維風速儀（Windmaster，Windmaster Pro，R3-50，R3-100 etc.）三維超聲風速儀是垂直測量路徑為10cm，采用脈沖聲學模式工作，可以在惡劣天氣條件下的暴露工作。三相正交風速分量（Ux、Uy、Uz）和聲速（C）可以以*大60Hz的速度測量和輸出。提供模擬和數字兩種類型輸出。可有三種模式激發測量：三維超聲風速儀的內部時鐘，PC機產生的RS232指令或數采的SDM指令，SDM通訊協議可以支持一個組激發器，從而可同步測量每個三維超聲風速儀。?HMP155A空氣溫濕度傳感器（使用梯度站同一高度傳感器）（HMP155）用于測量空氣的溫度和濕度，在渦動協方差開路系統中用于修正通量值。?紅外CO2/H2O分析儀（LI-840A）。LI-840A?CO2/H2O分析儀是高速的、高性的、開路式的CO2/H2O氣體分析儀，能夠在苛刻的空氣環境中測量CO2和H2O的-概濃度大小。在渦度相關的研究中這些資料和風速波動的資料相連，可以確定CO2和H2O的流量大小。主要應用在全球氣候變化和生態研究中，確定農田或自然景觀等的CO2和H2O的量。操作箱可以使LI-840A的分析器和連接部分位于一個不受天氣影響的環境中，操作箱中密封的外部感測器允許電源、RS-232和DAC輸出、類比輸出，以用同步測量設備的介面與之相連。連接在控制箱上的是LI-840A感應器頭部，空氣動力學的圍欄覆蓋了分析儀的光學部分、紅外光源和探測器。LI-840A是一臺-概的氣體分析儀，即是氣體通過分析儀頭部開放的路徑時，CO2和H2O的-概濃度通過光源（感應器頭部下面葉室）和探測器（感應器頭部的上部葉室）之間吸收紅外輻射和的差異得到。采集器的測量組成包括：控制電路，通訊端口，鍵盤顯示器，電源，手動傳輸。采集器的功耗很小，在野外可以由一個直流電源供電。

總結

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