王介民2012-涡动相关通量观测指导手册(Ver.20120212)

1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）20.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（）。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)常用物理常数及计算公式2)推荐的处理程序Edire-w1.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CampbellScientificInc.(CSI)的CSAT3，Gill的SolentR2，R3等，METEKUSA-1，R.M.Young81000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3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EC150CO2/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：21112ddVtt=−（1）12112dctt=+（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：2/(10.378/)dvdcPRTRTePγργγ===+（3）其中，P为气压[Pa]，/PVCCγ=为（湿）空气的定压定容比热比，ρ为密度[kg/m3]，Rd为干空气的气体常数（=287.06JK-1kg-1），Tv为空气的虚温。按定义，4(10.378/)(10.61)[]vTTePTqK=+=+（4）这里T为空气温度[K]，e为水汽压[Pa]，0.622/qeP≈为比湿。由(10.84),(10.93)PPdVVdCCqCCq=+=+，并令/dPdVdCCγ=即干空气的比热比，（3）式可进一步表示为：2(10.319/)ddsddcRTRTePγγ==+（5）式中，1.4dγ≈，221403ddRmsKγ−−≈，而2(10.317/)(10.51)[]sddcTTePTqKRγ==+=+（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）可见，Ts与空气虚温Tv只有微小的差别。，注意，一般文献中（如Schotanusetal.,1983；Liuetal.,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12.5cm。它采用在近红外波段二氧化碳和水汽的吸收带（分别约为4.26µm和2.59µm），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20~40cm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51.3涡动相关（涡动协方差）通量观测涡动相关通量系统一般以10～20Hz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，实际上是超声虚温Ts)，水汽密度(ρv)和CO2密度(ρc)。在一定的‘取平均时间’(如30min)内，某标量x(设单位为质量密度[kg/m3])的湍流输送通量可由下式计算：xFwx=⋅[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：'=+（8）'xxx=+（9）则（5）式变成''''xQwxwxwx=+=（10）其中已假设垂直风速的时间平均值为零（0w=）。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（Eλ）和CO2通量（CF）可分别由以下各式计算：2*uτρ=−[N/m2]（11）()1/422uuwvw∗′′′′=+[m/s]（12）''PHCwTρ=[W/m2]（13）''vEwλλρ=[W/m2]（14）''CcFwρ=[kg/m2/s]（15）式中，空气密度ρ，定压比热PC和蒸发潜热λ分别由以下各式计算：/(287.059(273.15))avPTρρ=×++[kg/m3]（16）(10.84)PPdCCq=+[J/kg/K]（17）60(2.5010.00237)10Tλ=−××[J/kg]（18）其中，P为气压[Pa]，aT为气温[°C]，111004.67[]PdCJkgK−−=为干空气的定压比热，[/]qkgkg为比湿，0T为地表温度[°C]）。注意，利用（11）~（15）式进行通量6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10Hz；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10～20Hz；而森林冠层上的观测，如观测高度为20米，则采样频率可为5～10Hz。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。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7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,,,,,svcuvwTρρ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器说明书。2)检查,,,,,svCuvwTρρ等原始记录的异常情况，特别是去除超出物理上合理范围