涡动协方差及能量平衡系统（涡动）
涡动协方差及能量平衡系统（涡动）采用涡动协方差系统测量H2O、CO2和热通量，可以计算出显热通量、潜热通量和二氧化碳通量，副产品有动量通量和摩擦风速等。
主要系统部件:
数据采集器，三维超声风速仪，开路二氧化碳／水汽分析仪或氪湿度计，空气温湿度探头，短波辐射表，长波辐射表，净辐射表，雨量桶，光合有效辐射传感器，红外表面温度探头，土壤含水量探头，土壤热通量板，土壤温度探头，土壤平均温度探头等。
涡动协方差及能量平衡系统（涡动）
可测量的变量:
※ 风和温度
※ CO2 和 H2O 摩尔密度
仪器组成及原理：
涡动协方差及能量平衡系统（涡动）由数据采集器和超声风速仪、CO2/H2O分析仪等组成。
数据采集器控制整个系统的测量、采集、数据运算及存贮。
三维超声风速仪测量空气的三维风速及超声虚温，开路分析仪测量空气中的CO2和H2O气体含量，这两种传感器测得的数据构成了涡动协方差系统的原始数据，经过数据采集器在线计算或研究者离线处理，可得到CO2通量、潜热通量、显热通量、空气动量通量、磨擦风速等，这些特征是用于涡动协方差研究的主要参量。
在涡动协方差研究中，还有必要测量研究区域的能量平衡。太阳辐射（向下短波辐射，及DR）进入地球大气层，经过直射、散射、转化等机制作用后，在大气中形成既有向下的短波辐射（DR）和长波辐射（DLR），也有向上的矮波辐射（UR）和长波辐射（ULR）。在这个系统中，四分量净辐射传感器测量了这些辐射分量和总的结果（净辐射Rn）；热通量板测量约5cm处的土壤热通量，平均热电偶探头用于测量土壤储热，土壤含水量探头用于测量土壤中的水的储热；这些量和涡动协方差系统所测的显热及潜热，用于考察研究区域的能量平衡。
由于开路分析仪和三维超声风速仪各自的测量机制，它们的测量都容易受降雨影响，光合有效辐射传感器所测数据可用于CO2通量的后期修正。
涡动协方差及能量平衡系统（涡动）
系统配置及简要介绍：
一般情况下，系统包括以下仪器和部件；实际应用于中，常根据用户具体测量要求调整配置。
近地面层通量观测系统是国家气候观象台气候综合探测系统的一个重要组成部分，是用于测量地气交界面附近辐射通量、能量通量、物质通量、土壤热通量和气象要素分布梯度的综合观测系统。主要包括近地层大气温度、风、湿度、气压、降水量、蒸发量、土壤温度、土壤湿度、土壤热通量、辐射、物质通量（水汽、碳通量）观测及热量、动量通量等要素观测，以此来获取不同代表性下垫面区域上大气边界层的动力、热力结构，多圈层相互作用过程中各种能量、物质交换的相关信息。
近地面层介绍
0 - 100m以下气层（包括粘性次层）称为近地面层，这一层大气受下垫面不均匀影响，有明显的湍流特征；近地层通量观测核心是了解水循环和碳循环过程机理、变化趋势以及调控管理的综合研究。近地层通量观测主要是水汽和碳通量，并同时进行近地层大气温度、风、湿度、辐射、气压、降水量、蒸发量、土壤温度、土壤湿度、土壤热通量、地下水位、辐射通量、显热和潜热热量、动量通量、物质通量等要素观测，以获取不同代表性下垫面区域近地层动力、热力结构及其各类能量收支、物质交换等多圈层相互作用过程综合信息。
通过获取典型生态系统地-气间显热、潜热、动量通量和CO2通量的长期观测数据，为气象部门开展气候系统模式的研究提供基础数据；为**系统地开展典型生态系统中生态过程与小气候、地-气相互作用及水热平衡特征、大气-生态-小气候-水文-土壤相互作用及影响机制的研究提供基础数据；为短期气候趋势预测、气候变化影响评估等工作提供基础性资料；研究应用微气象法进行生态系统对地-气间显热、潜热、动量通量和CO2通量影响的长期观测的技术和方法。
近地层通量按照不同的下垫面可分为陆气、海气两种类型，是开展农田生态系统、林业生态系统等陆气、海气过程观测的通量站。
通量系统介绍
该系统由梯度观测系统、涡动协方差系统及监控计算机、通讯网络、供电系统组成。
梯度站观测系统组成
由包括空气温度/相对湿度/风速梯度观测、辐射观测及土壤观测等组成常规的背景观测系统，包括：
※ 1个数据采集器和1个测量通道扩展板
※ 1个机箱
※ 5层空气温湿度传感器
※ 5层空气温度传感器
※ 5层风速传感器和1层风向传感器
※ 1个净辐射、光合有效辐射及红外表面温度传感器安装在4米处
※ 5层土壤温度
※ 5层土壤水分
※ 3个热通量板
开路涡动协方差系统的组成
开路涡动协方差系统应用涡动协方差技术，测量研究区的CO2通量、显热通量、潜热通量、动量通量和摩擦风速等，包括：
※ 数据采集器
※ 三维超声风速仪
※ CO2/H2O分析仪等组成
仪器布设的描述（见下表）
层数 | 高度 | 传感器 | 测量参数 |
第五层 | 30米 | 010C-1风速传感器，HMP45C空气温湿度，PT100 | 风速，空气温度，相对湿度 |
第四层 | 20米 | 010C-1风速传感器，HMP45C空气温湿度，PT100 | 风速，空气温度，相对湿度 |
第三层 | 10米 | 010C-1风速传感器，020C-1风向传感器，空气温湿度，PT100 | 风速，风向，空气温度，相对湿度 |
**层 | 4米 | 010C-1风速传感器，020C-1风向传感器，HMP45C空气温湿度，PT100，三维超声风速仪，LI7500A二氧化碳水汽分析仪，CNR4净辐射传感器，LI190SB光合有效辐射传感器，IRR-P红外表面温度探头 | 风速，风向，空气温度，相对湿度，开路涡动协方差数据，光合有效辐射，红外地表温度，太阳短波辐射，向上反射短波辐射，地球长波辐射，大气长波辐射，净辐射 |
**层 | 2米 | 010C-1风速传感器，HMP45C空气温湿度，PT100 | 风速，空气温度，相对湿度 |
| 1.5米 | PTB210大气压力传感器 | 大气压力 |
土壤温度
层数 | 深度 | 传感器 | 测量参数 |
**层 | 5cm | PT100 | 土壤温度 |
**层 | 10cm | PT100 | 土壤温度 |
第三层 | 15cm | PT100 | 土壤温度 |
第四层 | 20cm | PT100 | 土壤温度 |
第五层 | 40cm | PT100 | 土壤温度 |
土壤含水量
层数 | 深度 | 传感器 | 测量参数 |
**层 | 10cm | CS616 | 土壤含水量 |
**层 | 20cm | CS616 | 土壤含水量 |
第三层 | 50cm | CS616 | 土壤含水量 |
第四层 | 100cm | CS616 | 土壤含水量 |
第五层 | 180cm | CS616 | 土壤含水量 |
土壤热通量
层数 | 深度 | 传感器 | 测量参数 |
**层 | 5cm | HFP01SC | 土壤热通量 |
系统供电和防雷
系统全部采用交流供电，系统的缓冲电源全部采用高性能的深充电池。
对于常规观测系统，由于其功耗相对较小，电源的体积和重量较小，电源（深充电池）安装在与塔上数据采集器相对应的耐候机箱里，充电电源为220VAC转换出的13.8VDC直流电源（电池箱中）。
对于开路涡动协方差系统，由于其功耗较大，因此，100AHR容量的深充电池与对应的充电控制器都安放在塔下的电池箱里，由电池提供的12VDC上塔给开路涡动协方差系统供电由于系统中配置了交流电源，这会增加系统遭雷击的可能性。因此，配备了一个交流防雷设备，系统中所需的交流电源全部经由交流防雷设备获取。塔上的很多设备（数据采集器、分析仪等）都需要接地。为此配备了一条铜网接地线，从机箱下的接线柱连接到铁塔的接地桩上并且铁塔对地电阻小于4Ω。
通讯方式
通量站的数据采集器采用PakBus操作系统，使系统的通讯组网更灵活，让观测人员能够方便地更有效地维护系统、查看数据和采集数据。
该系统可以配备两套独立的通讯系统，通量站采用屏蔽双绞线实现从监控室到采集器的通讯。
485总线通讯
通过485多子站RS-485（一种通讯标准）通讯模块，可以将系统中数据采集器分别通过RS-485进行通讯。观测人员从监控室的PC上可以访问到系统中的每一个数据采集器。RS-485总线既是查看数据的通道，也是采集数据的通道（常规系统数据、开路涡动协方差系统的通量数据和CO2/H2O廓线数据）。
485模块有RS-485、RS-232和CS I/O三个通讯端口，可以同时使用其中的任意两个（需要先设置好）。在此，设置485模块的通讯模式为“PakBus Networking"，485的RS-485端口为总线接口，其RS-232或CS I/O端口为子站接口。采用PakBus协议的一个主要好处在于总线中的各个子站可以相互访问。
CF卡数据备份
对于开路涡动协方差系统，虽然其数据采集器也连接到了RS-485总线中，但由于其原始高频数据流量太大，约1G字节/月，因此为其配备了2G容量的CF卡。开路涡动协方差的所有数据在保存到数据采集器内存的同时，也保存到CF卡上。观测人员需要定期更换CF卡。
监控软件与数据格式转换软件
通过软件来完成设置调试运行工作， AFWS软件来完成日常监控数据分析查看等工作，LI7500A软件完成开路涡动协方差系统的标定工作。
服务软件
软件完成采集测量程序的编写、调试、上传、监控，软件在数据监控下载方面也可以做的很好，可以自动下载历史记录。通讯使用2进制格式命令，使通讯的效率和速度大大提高。该软件支持多种组网方式，及各种通讯协议，可以作为日常AFWS软件的通讯服务
AFWS监控软件
AFWS是近地层通量网络监测系统开发的综合监控软件，该软件实现以下功能：
※ 数据文件生成：自动生成所需要的4个数据文件；
※ 数据格式转换：按照要求的数据格式存储；
※ 数据查看：通过表格文本等方式，查看数据是否缺失；
※ 数据分析功能：分析数据是否合理等等。
由于近地层通量监测系统不同于一般的自动气象站，具有数据量大，数据种类多，数据变化复杂，因此一般的数据查看方法不可能完成良好的监控。该软件可以进行数据的图表绘制，多个数据的比较，廓线图、风玫瑰图等方法观察判断数据的质量和通量的大小变化规律。
LI 7500Ａ软件
主要用于设置资料的输出模式、校正方式以便完成分析仪的标定工作。
数据格式
近地边界层通量观测系统采集数据文件包括由数据采集器处理后，通过终端计算机处理软件直接存储到计算机硬盘中的数据文件。数据文件分为湍流观测、梯度观测两大类，其 中湍流观测数据文件包括两类：一类是用来计算通量的高频原始数据（一般10HZ），用于后期做各种数据运算和处理；另一类是数据采集器在线计算得到的通量，以及计算通量运算中所需要的各种统计量，还包括能量平衡中常规传感器的测量结果。梯度观测数据除满足《地面气象观测规范》的要求外，同时需满足用于近地面边界层能量收支平衡的分析处理。
近地边界层通量观测系统采集数据文件由以下文件组成。
※ 湍流观测
※ 梯度观测
仪器简介
风向风速测量。
010C-1风速传感器（安装在铁塔的2、4、10、20、30米处）和020C风向传感器（安装在铁塔的10米处）是由Metone公司生产的一种高精度的水平风速传感器，具有测量精度高、启动风速低、可靠耐用等特点。
温湿的测量。
HMP45C温湿度传感器包括一个铂电阻温度探头（PT100）和一个容性相对湿度传感器；PT1000高精度温度传感器是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的，它们安装在铁塔的2、4、10、20、30米处。
CNR4净辐射传感器。
净辐射传感器用于测量日射和远红外辐射平衡，用于测量地表净辐射。CNR4由四个灵敏度相同的传感器组成。CNR4有两个半球型180度视觉范围的能量接收窗，一个朝上，一个朝下。CNR4被设计用来测量来自这两个接收窗的能量。被测量的光谱范围大概从0.3到3微米。这个光谱范围既覆盖了太阳光辐射，0.3到3微米，也包括了远红外辐射，5到50微米，在铁塔的4米处。
IRR-P传感器。
IRR-P是一种非接触式传感器，它通过感受物体发出的红外线，来测量被测物体的表面温度。IRR-P广泛应用于测量树叶、帐篷的温度以及平均表面温度。一个单独的热敏电阻用来测量传感器自身的温度，以提高IRR-P的测量精度。在铁塔的4米处。
LI-190SB光合有效辐射传感器。
LI-190SB采用硅光电探测器测量太阳光辐射。在传感器电缆里面有一个内置电阻，将传感器信号转变为μV-mV电压信号，可使数据采集器对其直接进行测量，在铁塔的4米处。
PTB210大气压力传感器
PTB210大气压传感器是由Vaisala公司生产的一种高精度数字气压传感器有模拟量输出，有多种气压测量范围可以选配，在铁塔的1.5米处。
土壤温度传感器。
PT100铂电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。
土壤含水量传感器。
CS616用来测量土壤或其他介质含水量。CS616通过其探头测得被测物体的介电常数，从而算出含水量。CS616输出量是一个方波，这个方波可以被采集记录下来，然后通过计算和校正得出含水量，也可得出一个时期的含水量。
HFP01土壤热通量传感器。
传感器由热电堆和薄膜加热器组成。
三维风速仪（Windmaster，Windmaster Pro，R3-50，R3-100 etc.）
三维超声风速仪是垂直测量路径为10cm，采用脉冲声学模式工作，可以在恶劣天气条件下的暴露工作。三相正交风速分量（Ux、Uy、Uz）和声速（C）可以以*大60Hz的速度测量和输出。提供模拟和数字两种类型输出。可有三种模式激发测量：三维超声风速仪的内部时钟，PC机产生的RS232指令或数采的SDM指令，SDM通讯协议可以支持一个组激发器，从而可同步测量每个三维超声风速仪。
HMP45C空气温湿度传感器（使用梯度站同一高度传感器）（HMP155）
用于测量空气的温度和湿度，在涡动协方差开路系统中用于修正通量值。
红外CO2/H2O分析仪（LI7500A分析仪）。
LI-7500A CO2/H2O分析仪是高速的、高性的、开路式的CO2/H2O气体分析仪，能够在苛刻的空气环境中测量CO2和H2O的-概浓度大小。在涡度相关的研究中这些资料和风速波动的资料相连，可以确定CO2和H2O的流量大小。主要应用在气候变化和生态研究中，确定农田或自然景观等的CO2和H2O的量。操作箱可以使LI-7500A的分析器和连接部分位于一个不受天气影响的环境中，操作箱中密封的外部感测器允许电源、RS-232和DAC输出、类比输出，以用同步测量设备的介面与之相连。连接在控制箱上的是LI-7500A感应器头部，空气动力学的围栏覆盖了分析仪的光学部分、红外光源和探测器。LI-7500A是一台-概的气体分析仪，即是气体通过分析仪头部开放的路径时，CO2和H2O的-概浓度通过光源（感应器头部下面叶室）和探测器（感应器头部的上部叶室）之间吸收红外辐射和的差异得到。
采集器的测量组成包括：控制电路，通讯端口，键盘显示器，电源，手动传输。采集器的功耗很小，在野外可以由一个直流电源供电。
13051252597
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2023-07-21
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