王介民2012_涡动相关通量观测指导手册(Ver.20120212)

送通量可由下式计算：
Fx= w ⋅ x
[kg/m2/s]
（ 7）
其中，横上线表示时间平均。将测得量做雷诺分解，即分为平均量和脉动量两部分：
w = w + w' x= x + x '
则（5）式变成
（ 8） （9）
Qx = wx + w ' x ' = w' x '
（ 10）
其中已假设垂直风速的时间平均值为零（ w = 0 ）。这样，动量通量（即切应力 τ ）， 摩擦速度 u* ，感热通量（ H ），潜热通量（ λ E ）和 CO2 通量（ FC ）可分别由以下各 式计算：
2 τ = − ρ u*
[N/m2]
2 2 1/ 4
（ 11） （ 12）
= u∗
(
u ′w′ + v′w′
)
[m/s]
H = ρ CP w ' T '
[W/m2]
（ 13）
λ E = λ w ' ρv '
FC = w ' ρc '
[W/m2]
（ 14）
[kg/m2/s]
（ 15）
式中，空气密度 ρ ，定压比热 CP 和蒸发潜热 λ 分别由以下各式计算：
= c2 γ = P / ρ γ= Rd Tv γ Rd T (1 + 0.378 e / P)
Rd 为干空气的气体常数（=287.06 JK-1kg-1），Tv 为空气的虚温。按定义，
（ 3）
其中，P 为气压 [Pa]， γ = CP / CV 为（湿）空气的定压定容比热比， ρ 为密度[kg/m3]，
5
计算中，还有坐标旋转等一系列重要修正（见第 4 节）。
2.
数据采集系统 湍流通量的观测，采样频率要足够高，以包含对通量有贡献的较小湍涡。一般情况
下，可取 10 Hz；观测高度低时，对通量有贡献的最小湍涡尺度较小，采样频率应当高 些。如平坦草地上，观测高度为 2～5 米时，采样频率一般取 10～20 Hz；而森林冠层上 的观测，如观测高度为 20 米，则采样频率可为 5～10 Hz。 对于数据采集硬件的选择并不直接影响数据质量，只要硬件配置足够可靠并有足够 分辨率采集各有关信号的高频脉动，有一定的运算能力进行某些资料的预处理以便于即 时的监视，且有足够的存储量可以对原始湍流数据做较长期的积累就可以了。目前大都 采用 Campbell 的 CR23， CR1000，或者 CR5000 采集器。
= Vd
d1 1 − 2 t2 t1 d1 1 + 2 t1 t2
（ 1）
= c
（2）
图 1. 超声风速温度仪（ CSAT3）测量原理
对 CSAT3，已知三对探头的几何配置，由测得的三个沿风程的风速，即可计算‘超 声坐标系’XYZ 三个轴向的风速分量，即仪器输出的 ux，uy， uz，及总的风矢量。仪器 输出的声速 c（或下述声虚温 Ts）也是图示三个非正交超声路径的测量的平均。 温度的观测值由声速 c 换算。物理上，声速与空气的温、湿度等有如下关系：
1. 测量仪器与原理
涡动相关通量系统的基本设备主要包括一个三维超声风速温度计（ SAT）以及一个 快速响应红外线气体分析仪（ IRGA）。目前可供选择的三维超声风速温度计有 Campbell Scientific Inc. (CSI) 的 CSAT3，Gill 的 Solent R2，R3 等，METEK USA-1，R.M. Young 81000 系列， 以及 ATI， Kaijo-Denki 等厂家的产品。 由于不同厂家传感器结构上的差异， 对环境流场的扰动略有不同；所测声虚温也有 5%-10% 的差别。但总的说来每种仪器都 有其优点和缺点； 经过必要修正后的风、 温等数据仍基本一致。 红外气体分析仪 （ IRGA） CO2/H2O 测量系统，有 LI-COR 生产的 LI-7000（闭路）， LI-7500（开路），以及最新 研发的兼具开路和闭路优点可以在降水等环境下应用的 LI-7200 等。国内近年应用较多
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1.3 涡动相关（涡动协方差）通量观测 涡动相关通量系统一般以 10 ～ 20 Hz 的采样频率采集传感器高度上的水平风速 (u,v)， 垂直风速 (w)， 温度 (T， 实际上百度文库超声虚温 Ts)， 水汽密度 (ρv) 和 CO2 密度 (ρc)。
3 在一定的‘取平均时间’(如 30 min) 内，某标量 x (设单位为质量密度 [kg/m ]) 的湍流输
3. 观测站点选择与仪器安装 涡动相关方法最初建立在平坦地形、植被粗糙度较低的下垫面的基础上。由于地形 起伏地区各种植被下垫面与大气间的能量和物质通量交换的重要意义，现在大量通量站 都建在较复杂的环境中。 一般来说， 观测站点的选取主要取决于具体所研究的科学问题； 但有一些总的原则，包括对观测资料质量的要求，在所有情况下都应特别注意。 观测塔的位置，应使在尽可能多的时间内，气流主要来自希望研究的下垫面类型。 为此， 不仅要求有足够长的上风距离 （ Fetch） ， 还需要先做风向玫瑰图和足迹 （ Footprint） 分析，以确定一定观测高度上，不同稳定度条件及风速、风向下被测量通量的源区。这 对数据的后处理和综合分析会提供非常有价值的信息 （ Foken 和 Leclerc， 2004， Schmid， 1994， Schuepp 等 1990）。一个极端的例子是：某站点周围具有两种不同的森林植被类 型。每天周期性地，白天，风从一种植被类型吹向另一种；夜间，则正好相反。那么， 该站点观测得到的通量资料的日平均值将毫无意义。这种极端的情况虽然极少出现，但 许多站点都会有微妙的风向变化，在数据分析时需要做仔细考虑。 如果地形或下垫面植被分布较为复杂，则需关注水平（及垂直）平流对通量观测的 影响，包括影响时段和影响程度。一般来说，观测塔的位置应该选在观测区域内地形相 对较为平坦的地方，以减少平流的影响。 观测塔应建立在受到毗邻的生态系统干扰最小的地点，但不能以塔的安全性和可靠 性作为牺牲。应根据塔制造商的建议，对观测塔进行定期检查和预防性维修，以保证站 点的可靠性和工作人员的安全。许多地方，常有雷电发生。需采取各种措施，以尽量减 少仪器损坏和数据丢失的可能性。观测塔需要有妥善的接地，牵绳或支撑等。 仪器的妥善安装和维护，并保证观测数据的准确，比选择三维超声风速温度计的制 造厂商更为重要。应仔细阅读仪器说明资料，把三维超声风速温度计安装在牢固稳定的
涡动相关通量观测指导手册
王介民 编写
（ 2008 年 3 月初稿， 2012 年 2 月第 6 次修订）
1
0.
引言
最近10-15年来，不同类型地表与大气间能量、水分和CO2等交换过程的研究得到空
前发展。以研究生态系统交换为主的国际通量网（ FLUXNET），在全球不同地区的注册 通量站已经超过 500个（ http://www.fluxnet.ornl.gov/fluxnet）。国内有关通量观测研究的发 展速度更快，包括中国通量网（ChinaFlux）在内由不同项目在全国各地建立的长期通量 观测研究站点已超过100个。 这些站点， 除风温湿梯度、 辐射、 土壤温湿及热流等观测外， 普遍使用涡动相关通量观测系统进行近地层水、热、CO2等通量的直测。涡动相关方法 （或涡动协方差方法，简称EC），经过近50年的发展，无疑仍是当前地气交换研究中最 先进和首选的通量观测方法。 为了保证各观测站的资料质量，实现资料的一致性和可比性，编写了本手册。编写 中参考了美国通量观测网的涡动相关通量观测指南和欧洲通量网及有关专家的推荐文件 等。主要内容如下： 1. 测量仪器与原理 2. 数据采集系统 3. 观测站点选择与仪器安装 4. 涡动相关通量计算方法 5. 仪器维护与检定方法 6. 质量保证和质量控制 7. 通量资料格式 8. 参考文献 9. 附录 1) 2) 常用物理常数及计算公式 推荐的处理程序 Edire-w
3
Tv = T (1 + 0.378 e / P) = T (1 + 0.61 q )
这里 T 为空气温度 [K] ， e 为 水 汽 压
[K ]
[Pa] ， q ≈ 0.622 e / P
（ 4） 为比湿。由
CP =+ CPd (1 0.84q ), CV =+ CVd (1 0.93q ) ， 并令 γ d = CPd / CVd 即干空气的比热比， （ 3）
见，Ts 与空气虚温 Tv 只有微小的差别。，
[K ]
（6）
Ts 转换为 [°C] 后，即是超声仪实际输出的温度，称为超声虚温。比较（4）与（6）可
注意，一般文献中（如 Schotanus et al., 1983；Liu et al., 2001）因考虑与超声路径垂 直的风速分量 Vn 的影响，计算声速和声虚温的式子（（2）（3）（5）（6）等）都更复 杂，即含有所谓的‘侧风订正’。对 CSAT3 超声风速温度仪，Vn 的影响已在测量中利 用风分量和简单三角关系做了在线处理，不需要在资料后处理中再加侧风订正（参 CSAT3 手册及本文 4.4 节）。 另外，此类风速仪测量的是探头间的声传播时间，故算得的风速和温度都是声程空 间的平均值，即含有所谓的‘路径平均’影响。计算通量时，应对此做频率影响订正（参 本文 4.3 节）。 1.2 红外气体分析仪原理 以常用的开路 CO2/H2O 气体分析仪 LI-7500 为例， 其原理如图 2 所示。这是一个开路系统；空气中的光 程约为 12.5 cm。 它采用在近红外波段二氧化碳和水 汽的吸收带（分别约为 4.26 µm 和 2.59 µm），测量空 气中的二氧化碳和水汽浓度; 浓度单位可以是 mmol/mol （相对于干空气的摩尔混合比） , mmol/m3 （摩尔浓度）或 g/m3（质量密度）等几种。注意：通 常情况下，气体分析仪测得的为质量密度（ g/m3 或 mg/m3 ），通量计算中必须做由于空气温度和湿度变 化引起的‘密度变化’订正（见本文 4.5 节）。此外， 与超声仪一样，开路气体分析仪测得的是整个光程上 的 CO2 和 H2O 的浓度平均值，特别是，气体分析仪与 超声仪在安装时一般有 20~40 cm 的间距；这些，都 会造成通量测量中较严重的高频损失。 图 2. LI-7500 红外气体分析仪
= ρ P / (287.059 × (Ta + 273.15)) + ρv
[kg/m3 ] [J/kg/K] [J/kg]
（ 16 ） （ 17） （ 18）
= CP CPd (1 + 0.84q )
= λ (2.501 − 0.00237 × T0 ) × 106
其中， P 为气压 [Pa]， Ta 为气温 [°C] ， CPd = 1004.67 [ J kg −1 K −1 ] 为干空气的定压比 热， q [kg / kg ] 为比湿， T0 为地表温度 [°C]）。注意，利用（11）~（15）式进行通量
式可进一步表示为：
= c 2 γ= γ d Rd T (1 + 0.319 e / P) d Rd Ts
式中， γ d ≈ 1.4 ， γ d Rd ≈ 403 m s K ，而
2 −2 −1
（5）
c2 Ts = T (1 + 0.317 e / P) = T (1 + 0.51 q ) = γ d Rd
6
支座上。CSAT3 等的探头应朝向主导风向，并注意尽量减少由于塔结构本身形成的流场 阻挡或扭曲等干扰的影响。应保持仪器传感器的清洁，及时清理尘垢、鸟粪以及积雪和 霜冻等。注意，超声风速温度计在声程受阻（如下雨）或潮湿、大雾等天气无法正常工 作，在有霜冻时可能需要进行加热。随着长期连续使用，声波传感器可能需要更换。三 维超声风速温度计应保持水平（超声坐标系的 z 轴保持在垂直方向），以减少风向变化 带来的不确定性。 测量二氧化碳和水汽浓度快速变化的红外气体分析仪，有闭路式和开路式两种。当 前国内多用 LI-7500 开路式气体分析仪，系统轻小，耗能低，高频响应好，信号相对于 超声仪的滞后小；但与闭路气体分析仪相比有易受天气影响，无法进行自动化例行校准 等缺点。 开路系统如 LI-7500 的探头应尽量装在超声探头附近，但不妨碍流场。雨天等恶劣 天气时此仪器同样无法正常工作；可将探头与垂直方向成 15°-30°角安装，以减少雨水或 露水对探测窗口的影响。注意定期用专用装置做二氧化碳和水汽浓度的零点和幅度标定 （参手册）。计算二氧化碳和水汽通量时要加入密度变化订正（WPL 订正）、频率响应 订正等，详下述。 4. 涡动相关通量计算方法 尽管涡动相关通量观测仪器 （特别是传感器结构） 及其野外应用已有了很大的进步， 通量的计算仍然需要一些修正过程。 如已由观测系统得到 10－20Hz 的 u , v, w, Ts , ρ v , ρ c 等湍流原始记录，且取平均时间为 30min，则通量计算过程（及有关质量控制与评价） 一般如图 3 所示。 其中，原始湍流数据的检查和预处理包括： 1) 检查超声仪和红外气体分析仪的传感器异常标志（flag）。各标志说明参有关仪 检查 u , v, w, Ts , ρ v , ρC 等原始记录的异常情况，特别是去除超出物理上合理范
2
的是 CSI 开路涡动相关通量系统，包括三维超声风速温度仪 CSAT3 和红外气体分析仪 LI-7500， 以及相匹配的数据采集系统和预处理软件等。 2011 年 CSI 新开发的包括 EC150 CO2/H2O 分析仪和 CSAT3A 三维超声风速温度仪组成的开路涡动相关通量系统， 传感器 结构紧凑，风速测量与 CO2/H2O 测量之间具有更好时间同步性。 1.1 三维超声风速温度计原理 三维超声风速温度计的原理，以常用的 CSAT3 为例，如图 1 所示。如收发二探头 间的声程为 d，测得的顺风和逆风向声传播时间分别为 t1 和 t2，则可由下二式分别计算 沿声程的风速分量 Vd 和声速 c：