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開路渦動(dòng)（OPEC）(渦度協(xié)方差)通量觀測系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)間: 2018-10-12 20:27
渦動(dòng)觀測系統(tǒng)，采用渦動(dòng)協(xié)方差原理，是一種微氣象學(xué)的測量方法，利用快速響應(yīng)的傳感器來測量大氣—下墊面間的物質(zhì)交換和能量交換。是一種直接測算通量的標(biāo)準(zhǔn)方法,是測定生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量交換通量的關(guān)鍵技術(shù)。由于測量方式和原理不同，渦動(dòng)觀測系統(tǒng)分為開路渦動(dòng)觀測系統(tǒng)和閉路渦動(dòng)觀測系統(tǒng)。
渦動(dòng)觀測系統(tǒng)可以測量能量通量（顯熱通量、潛熱通量、動(dòng)量通量）和物質(zhì)通量（CO2 / H2O / CH4 / N2O）以及一些空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)等,主要應(yīng)用于邊界層理論研究、大氣擴(kuò)散、能量收支研究、水分等物質(zhì)收支等眾多領(lǐng)域。
通量觀測適用于森林、草地、農(nóng)田、沙漠、城市、水域等各種下墊面環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于中科院、林科院、氣象局、海洋局及各科研領(lǐng)域?qū)^(qū)域碳、水循環(huán)過程的研究；做為測算生態(tài)系統(tǒng)與大氣間物質(zhì)和能量交換信息的有效手段，為分析地圈-生物圈-大氣圈的相互作用提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為大尺度、長期和連續(xù)的科學(xué)研究提供支撐。
一、 測量原理
渦動(dòng)通量觀測系統(tǒng)主要有三維風(fēng)速及氣體密度高頻測定單元、供電單元、數(shù)據(jù)采集單元組成。三維風(fēng)速及氣體密度高頻測定單元用來測量三維風(fēng)速（Ux、Uy、Uz）、虛溫（Ts）、氣體密度（CO2和H2O）。數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及傳輸單元是核心采集處理單元，采集氣體分析儀輸出的濃度數(shù)據(jù)（CO2和H2O）、三維超聲風(fēng)速儀輸出的三維風(fēng)數(shù)據(jù)（Ux，Uy，Uz），超聲虛溫?cái)?shù)據(jù)（Ts）、聲速（c）以及系統(tǒng)中其它輔助觀測數(shù)據(jù)，并將原始10HZ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到CF卡中；同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)做在線通量全修正計(jì)算，直接輸出可用于科研目的的高質(zhì)量通量數(shù)據(jù)，并將通量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到CF卡中。另外可將數(shù)據(jù)通過有線/無線的方式遠(yuǎn)程發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。
二、OPEC3000 開路渦動(dòng)通量觀測系統(tǒng)
系統(tǒng)核心設(shè)備采用美國Campbell公司生產(chǎn)的IRGASON，此產(chǎn)品是集成了三維風(fēng)速與氣體密度高頻分析儀（CO2/H2O）于一體的高精度傳感器，可同時(shí)測定CO2/H2O在空氣中的摩爾密度＼三維風(fēng)速和超聲虛溫。
產(chǎn)品特點(diǎn)：
一體化設(shè)計(jì)：紅外分析儀于超聲風(fēng)速共測同一空間，避免傳感器分離導(dǎo)致不到一個(gè)氣團(tuán)的問題，提高同步性；
干擾性低：緊湊流體設(shè)計(jì)，減少了對(duì)風(fēng)的擾動(dòng)和器身及散熱效應(yīng)；
功耗降低：非加熱設(shè)計(jì)，在降低能耗的同時(shí)，避免了對(duì)被測流體的熱力學(xué)影響；
細(xì)節(jié)優(yōu)化：采用光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)，消除因窗口輕度污染導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差，窗口斜角設(shè)計(jì)，避免積水；
智能化軟件：可在線計(jì)算大氣邊界層的動(dòng)量＼感熱＼CO2H2O通量；
遠(yuǎn)程訪問：多站點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)GPS校時(shí)＼組網(wǎng)管理＼數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控傳輸＼參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整；
應(yīng)用領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)＼草地＼森林＼荒漠＼極地＼湖泊＼海洋
三、 Easy Flux_DL
EasyFlux_DL軟件是基于CSI數(shù)據(jù)采集器開發(fā)的一款嵌入式智能渦動(dòng)相關(guān)在線處理軟件。以數(shù)據(jù)采集器為依托，軟件具有數(shù)據(jù)采集、分析、計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?；通過3G等無線通訊，用戶可直接遠(yuǎn)程獲得最終用于科研的通量數(shù)據(jù)；并可實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)組網(wǎng)，遠(yuǎn)程訪問下載數(shù)據(jù)、設(shè)置站點(diǎn)參數(shù)等功能。適用于渦動(dòng)通量研究領(lǐng)域。
EasyFlux_DL智能軟件用于自動(dòng)計(jì)算大氣邊界層的動(dòng)量、感熱、CO2、H2O通量；數(shù)據(jù)采集器是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，傳感器測量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理并輸出的整個(gè)過程；下面的流程圖解釋了在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部，數(shù)據(jù)采集，處理的整個(gè)流程；流程包含野點(diǎn)剔除、最大協(xié)方差找延時(shí)、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、
頻率訂正、超聲溫度訂正（SND）、 WPL訂正、源區(qū)計(jì)算、數(shù)據(jù)質(zhì)量等級(jí)劃分。
支持的儀器及傳感器
EC150 開路式CO2/H2O氣體分析儀，帶CSAT3A三維超聲風(fēng)速儀
IRGASON 一體式開路式CO2/H2O 氣體分析儀和三維超聲風(fēng)速儀
FW05、FW1 或FW3 微絲熱電偶
HC2S3 或HMP155A 空氣溫濕度
CNR4、NR01 或NR-LITE2 凈輻射儀
CS300 或LI200X 總輻射計(jì)
LI190SB 光量子傳感器
SI-111 紅外溫度傳感器
TE525MM 翻斗式雨量筒
TCAV 土壤平均溫度探頭（數(shù)量可多達(dá)2 個(gè)）
CS616 或CS650 土壤含水量探頭（數(shù)量可多達(dá)2 個(gè)）
HFP01 或HFP01SC 土壤熱通量板（數(shù)量可多達(dá)4 個(gè)）
主要的修正及處理步驟
野點(diǎn)去除和過濾10 Hz 原始數(shù)據(jù)：綜合使用三維超聲風(fēng)速儀和氣體分析儀的診斷值、信號(hào)強(qiáng)度和測量閾值;
坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)：可選兩次旋轉(zhuǎn) (Tanner and
Thurtell, 1969)，或平面擬合 (Wilczak, 2001)
變量同步：通過計(jì)算CO2 和H2O 通量的最大值來把CO2和H2O 測值與三維風(fēng)速測值分別進(jìn)行同步 (Horst andLenschow, 2009; Foken et al, 2012)，并加入額外約束來保證同步使其合理。
頻譜修正：使用普遍使用的頻譜修正方法，包括協(xié)譜訂正 (Moore, 1986; Dijk, 2002; Moncrieff et al, 1989)、傳輸函數(shù)用于時(shí)段平均訂正 (Kaimal et al, 1989)、測量路徑/ 體
積平均 (Moore 1986; Moncrieff et
al, 1997; Foken et al, 2012;Dijk, 2002)、時(shí)間常數(shù) (Montgomery, 1947; Shapland et al,2014; Geankoplis, 1993) 以及傳感器空間分離訂正 (Horst andLenschow, 2009; Foken et al, 2012)
SND 修正： 應(yīng)用改進(jìn)的SND 訂正方法 (Schotanus et al.,1983)，并遵循Van Dijk (2002) 所列出的完成方案概要，從超聲顯熱通量推導(dǎo)顯熱通量。另外，如果使用了我們所提供的FW05、FW1 或FW3，也可從之計(jì)算得到直接測得的完全修正的顯熱通量
空氣密度波動(dòng)修正：應(yīng)用WPL 方程 (Webb et al., 1980)數(shù)據(jù)質(zhì)量分級(jí)：依據(jù)Foken et al
(2012)，綜合穩(wěn)態(tài)條件、下墊面湍流特征值和風(fēng)向來計(jì)算數(shù)據(jù)質(zhì)量分級(jí)
足跡評(píng)估： 使用Kljun et al. (2004) 或Kormann andMeixner (2001) 來計(jì)算足跡特征
能量閉合：如果使用了能量平衡傳感器，可以通過綜合能量平衡測量、修正的顯熱通量和潛熱通量來計(jì)算能量閉合度
EasyFlux_DL與Eddy Pro的CO2 通量對(duì)比曲線
EasyFlux-DL 計(jì)算得到的修正后的CO2 通量值與未修正的CO2 通量值相比較，站點(diǎn)在灌溉的苜蓿地，在苜蓿收割之后不久所觀測，數(shù)據(jù)持續(xù)一周。
