4.近地层通量观测系统概述

涡动相关系统的架设与维护
——湍流观测仪器的架设
超声风速仪与H2O/CO2分析仪架设在同 一高度，H2O/CO2分析仪不能靠超声风 速仪太近 超声风速仪与H2O/CO2分析仪均指向盛 行风方向
如果使用金属丝热电偶温度仪（FW05） 则架设在超声风速感应探头中间 KH20安装高度与超声风速仪高度一致。
为什么关注通量观测
在大气科学、生态学和陆面过程研究中，近地层湍流通量观 测占据十分重要的位臵，这主要是由于以下两方面的原因： （1）在气候预测、天气预报等全球尺度和中尺度模式以及 污染扩散模式、城市街渠模式和大涡模拟等微尺度数值模 式中，下垫面的湍流通量参数化是十分关键的敏感问题， 直接决定模式的模拟能力。目前国内外与边界层有关的研 究的核心目的通常是通过组织边界层观测试验，研究地气 系统的物质能量交换等物理过程，设计或改进适用于当地 或相关区域的地气通量参数化方案；
F ( ) w '
H C p w
LE Lv wq
涡动相关通量观测系统
风
• 平均量：风 速风向传感 器 • 脉动量：超 声风速仪
温
• 平均量：温 度传感器 • 脉动量：超 声风速仪、 热电偶温度 仪
湿
• 平均量：相 对湿度传感 器 • 脉动量： H2O/CO2开 路分析仪、 KH20湿度仪
的单位向量。由方程可见，地表的收支方程中包含了 8 项
理想条件下的地气通量计算
当满足下列假设时： (1)平稳（定常）湍流；
(2)水平均匀（平流可以忽略）；
(3)近地面存在常通量层； (4)影响通量的各种尺度的涡旋都已被测到； (5)测量到的通量代表仪器所在的下垫面。
此时，湍流输送为地气输送的唯一机制，可以利用涡动相关法计算地气通量。 物质通量、感热通量和潜热通量的简化形式分别如下： 物质通量： 感热通量： 潜热通量：
——气象观测塔的架设
观测塔塔身保持铅直，横杆 保持水平。 固定塔身的缆绳每隔10m左右 应有一层。缆绳与塔边在同 一追至平面上，且与地面成 60度夹角。 固定塔身和缆绳的底座坚固 太阳能电池板朝南，与水平 面成60度夹角。 数采箱架在塔身北面1-1.5m 高度。 观测塔必须有防雷装臵。
VII 其他物质在侧边界输送的影响
J nin dB0 B0 i
VI 其他物质在上边界输送的影响
VIII 其他物质地表排放的影响
其中 u 是风速； u 是物质 的流动速度，忽略地表大气的扩散作用，此时可
取 u u ； nout 是垂直于体元 V 的向外的单位向量； nin 是垂直于地表指向体元
涡动相关法测量地气通量的基本原理
• 地气通量是指地表和大气之间的物质、能量交换；
• 涡动相关法测量地气通量是从物质和能量守恒方程出发，
经过一系列的简化而得到的
Bt
选择垂直于地表的一个体元 V 内的空气为研究对象，利用连续方 程， 分析该体元内物质 的收支情况， 如图所示。其中该方框的上边界是 Bt，下边界是地表 B0，侧边界 Bs，并 且上边界 Bt 平行于地表 B0。通过一 定时间尺度上对该体元内的物质变 化体积分，可以得到该体元内的物质 收支方程
白洋淀综合观测试验 涡旋相关测通量小塔
主要目的是研究非均 匀下垫面（存在陆地 和大面积的水域）的 边界层结构和湍流通 量特征（存在湖陆风 环流），针对非均匀 下垫面的湍流通量参 数化，设计出可靠的 方案
二氧化碳水汽通量仪 (LICOR7500)
系留气艇 风温廓线仪（LAP3000)
坐小船去岛上观测
气象塔及数据控制室
系留汽艇和雷达观测场地 湍流场观测仪器
平均场观测仪器
低层大气风温廓线仪（LAP300）
Bubble（Basel Urban Boundary Layer Experiment，2001年8月&2002年7月） 计划。主要目的是研究高度非均匀、高度复杂的城市下垫面的湍流通量的垂 直分布特征，包括城市冠层之上和冠层内部的观测研究
FW05即是运用热电效应原理制作的热电偶温度传感器。当热电偶 的测量端与基准端的空气温度存在差异时，两者之间形成电势差 因此，可以通过测量两端的电势差来测量热电偶两端的温度差。
优点：观测精度高，无需进行订正；缺点：易损坏，不宜用于长期观测
涡动相关系统的架设与维护
——标准观测场布置
涡动相关系统的架设与维护
全国现有23个站点
全球城市通量网（Urban FluxNet）（2006）
•城市区域已经变成全球碳排放的重要贡献因素 •城市化进程使不断增加的汽车和其他人为CO2排放加速了全球变暖的进程 •已有的观测表明，城市环境下CO2 通量几乎为净排放， 并且其排放强度远大于其 他生态系统 •很少有实验记录了城市环境下实际的CO2通量以及他们的扩散特征
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II
声程L：上下换能器之间的距离
超声信号顺风时经声程L传播所需时间Tw ： Tw = L/(C+V) (1) 超声信号逆风时经声程L传播所需时间Ta ： Ta = L/(C-V) (2) 由（1）和（2）可得 V = L/2 (1/Tw - 1/Ta ) (3) C= L/2 (1/Tw+ 1/Ta ) (4) 式中： V 为风速, C 为声速, L 为声程。 由（3）式可知 ，只要测出 Tw和Ta ，就能得到所要的风速值V和声 速值C ，进一步可推算空气超声虚温 Ts=C2/（1.4Rd），其中Rd为干空气 气体常数 287.05 J / kg K 超声风速仪就是通过测量Tw和Ta ，从而求出大气的风速和超声虚温
湍流通量观测
第一讲 涡动相关通量观测系统
什么是通量
通量：是指单位时间通过单位面积的流体对某物理量的输送。
流体运动可分解为平均运动和脉动运动两部分
A A A
因此流体运动对物理量的输送也分别由这两部分运动引起。 大气科学、生态学等研究领域常关注的近地层通量输送主要有： 物质输送（水汽、二氧化碳……） 能量输送（感热、潜热）
全球通量观测网（FluxNet）（2008）
站点 大兴安 岭 长白山 盘锦 禹城 千烟洲 鼎湖山 锡林浩 特 锡林格 勒 西双版 纳 海北 当雄
生态系统类型 寒温带针叶林 温带混交林 暖温带水稻芦苇湿地 暖温带冬小麦夏玉米农田 亚热带人工针叶林 南亚热带常绿阔叶林 羊草草原 温带草原 热带季节雨林 高寒草甸 高寒草原化草甸
涡动相关通量观测系统常用仪器（2）
土壤温度传感器 土壤热通量板 土壤水分传感器 冠层温度传感器
HFP01土壤热通量板 CS616土壤水分传感器 TCAV土壤温度传感器
SI-111红外温度传感器
涡动相关通量观测系统常用仪器（3）
常规气象观测仪器（风速风向传 感器、气压传感器、雨量筒等） 数据采集系统（数采器、机箱等） 设备供电系统（太阳能电池板等） 电缆、观测支架等
周三下午班
超声风速仪工作原理
观测的气象要素：u、v、w、Ts的瞬时量
换能器(transducer)：相对放臵的 一对换能器（I，II），里面的压 电晶体为收、发两用型的。当对 换能器I施加脉冲电压时，可产生 超声脉冲信号，发射出来，换能 器II能够接受到，并把超声信号转 化成电信号，输入到超声风速仪 的芯片中。 反之，当在II上施加 脉冲电压时，其产生的超声脉冲 信号能被I接受，并将超声信号转 换成电信号，输入到超声风速仪 的芯片中。
涡动相关系统的架设与维护
——辐射观测仪器的架设与维护
目前国内外主要的超声风速仪
CSAT3，美国
USA-1，美国 Model 81000，美国
Gill R3，英国
K-Probe，美国 TR-61C，日本
IAP-1，中国 UW，美国
IAP-2，中国
CO2/H2O开路分析仪工作原理
Li-7500水汽、 二氧化碳开路分析仪
观测的气象要素：q和C的瞬时量 Li-7500 利用水汽和二氧化碳 对红外辐射吸收的波段不同可 以同时观测水汽和二氧化碳的 摩尔浓度
Krypton Hygrometer湿度仪工作原理
观测的气象要素：水汽的脉动
KH20 氪湿度计
观测原理：赖曼a法，氪发射紫外线，利用水汽对 紫外波段的吸收进行
热电偶温度传感器工作原理
观测的气象要素：瞬时温度
热电效应原理：两种不同的金属组成的闭合回路中，当两接触点 的温度存在差异时，回路中就会有电流通过，两接触点间形成电 势差，电势差的大小与温度差有关。
+ ( u ) n out dBs ( u ) nin dB0 + Bs B0
IV 侧边界的平流输送 V 地表排放
Bt J nout dBt i
（I）
+
Bs J nout dBs i
Bt Bs
B0
收支方程
1 0 ( (t2 ) (t1 ))dV S i dV + ( u ) n out dBt V Bt t V i
I 存贮 II 各种化学产生过程 III 上边界的对流输送
压
• 气压传感器
辐射
• 辐射传感器
土壤和冠层
• 土壤温、湿、 热通量：土 壤温湿度传 感器、土壤 热通量板 • 冠层温度： 红外温度传 感器
涡动相关通量观测系统常用仪器（1）
超声风速仪 H2O、CO2 开路分析仪
CSAT3超声风速仪
辐射传感器 温湿度传感器
Li-7500水汽、 二氧化碳开路分析仪 CNR4净辐射传感器 HMP45C温度、 相对湿度传感器
• （2）全球变化研究是当今国际科技研究的热点问题。19 世纪中期工业革命以来，大气中CO2等温室气体的浓度就 一直呈现增加的趋势，逐渐成为导致全球变暖的主要因素 之一 。为了获得地气之间CO2、水和能量交换的第一手资 料，全球相继建立了大量的湍流观测站并组成了观测网 络——全球通量观测网（Fluxnet）和全球城市通量观测 网（Urban-Fluxnet）
北京325 m气象塔，15层梯度观测资料，并且在47、120和280 m 架设了三层超声风速的观测，在120m和47m高度上架设了两层 的Li-7500观测水汽和CO2脉动。该塔是城市边界层研究的很好 的平台
南京综合观测试验，目的是研究城市这样高
度非均匀，高度复杂的下垫面的边界层三维结构 以及地-气交换过程及其参数化
塔上风、温梯度观测(8.5m,14.5m,28.5m)
南京市党校楼顶铁塔（36m）
南京大学浦口气象园观测点
KH20/CR-5000 H2O通量仪
LI-7500 H2O/CO2通量仪
LAP-3000低层大气风温廓线仪
辐射观测
湍流通量获取的基本方法
涡动相关法（Eddy Covariance） 波文比法（Bowen Ratio System） 空气动力学方法（Aerodynamic）
鲍恩比测量系统
白洋淀
哈尔巴林观测试验，主要目的是了解典型季节该地区日遗化学武器销毁设施所在地的大
气边界层结构和湍流扩散特征，了解当地的地形和下垫面对大气边界层气象要素的影响强度，掌握 该地区的大气扩散规律，具体包括边界层风、温垂直廓线和时间演变，逆温层厚度和混合层高度， 湍流结构和湍流扩散参数，以及由地形引起的局地环流和冬季下雪时的天气背景对当地边界层的影 响等，为确定排气筒高度、风险评估、环境影响评价等提供基础数据
FW05
KH20
涡动相关系统的架设与维护
——湍流观测仪器的维护
超声风速仪的维护：检查传感器的感应头之间是否有杂物，如蜘蛛网 等。雨天的水滴可以通过感应头前端的防雨滴网流下来，不需要人工 去除水滴。定期检查防雨滴网的位臵使其不超出传感器头，并且换能 器I上的三个头的防雨滴网伸出的三角朝外。
防雨滴网
H2O/CO2分析仪的维护：1.光路清洁。雨天、大风和沙尘暴过后要注意 通过监控界面的AGC输出值检查分析仪的光路是否清洁，如AGC大于65 ，需要检查系统的光路清洁度。在此期间的数据质量是不可靠的。2. 更换干燥剂。大约一年左右，分析仪内部装有小苏打和高氯酸镁干燥 剂的两个塑料小瓶需要进行更换并重新进行标定。