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开路涡动(OPEC)(涡度协方差)通量观测系统

作者: 天诺基业时间:2016.07.01

  涡动观测系统,采用涡动协方差原理,是一种微气象学的测量方法,利用快速响应的传感器来测量大气—下垫面间的物质交换和能量交换。是一种直接测算通量的标准方法,是测定生态系统物质、能量交换通量的关键技术。由于测量方式和原理不同,涡动观测系统分为开路涡动观测系统和闭路涡动观测系统。
       涡动观测系统可以测量能量通量(显热通量、潜热通量、动量通量)和物质通量(CO2 / H2O / CH4 / N2O)以及一些空气动力学参数等,主要应用于边界层理论研究、大气扩散、能量收支研究、水分等物质收支等众多领域。
通量观测适用于森林、草地、农田、沙漠、城市、水域等各种下垫面环境,被广泛应用于中科院、林科院、气象局、海洋局及各科研领域对区域碳、水循环过程的研究;做为测算生态系统与大气间物质和能量交换信息的有效手段,为分析地圈-生物圈-大气圈的相互作用提供重要的数据基础,为大尺度、长期和连续的科学研究提供支撑。


一、 测量原理
       涡动通量观测系统主要有三维风速及气体密度高频测定单元、供电单元、数据采集单元组成。三维风速及气体密度高频测定单元用来测量三维风速(Ux、Uy、Uz)、虚温(Ts)、气体密度(CO2和H2O)。数据采集、存储及传输单元是核心采集处理单元,采集气体分析仪输出的浓度数据(CO2和H2O)、三维超声风速仪输出的三维风数据(Ux,Uy,Uz),超声虚温数据(Ts)、声速(c)以及系统中其它辅助观测数据,并将原始10HZ数据存储到CF卡中;同时对原始数据做在线通量全修正计算,直接输出可用于科研目的的高质量通量数据,并将通量数据存储到CF卡中。另外可将数据通过有线/无线的方式远程发送至数据中心。

位于内蒙古锡林浩特的通量观测站


二、OPEC3000 开路涡动通量观测系统
系统核心设备采用美国Campbell公司生产的IRGASON,此产品是集成了三维风速与气体密度高频分析仪(CO2/H2O)于一体的高精度传感器,可同时测定CO2/H2O在空气中的摩尔密度\三维风速和超声虚温。

 


产品特点:
一体化设计:红外分析仪于超声风速共测同一空间,避免传感器分离导致不到一个气团的问题,提高同步性;
干扰性低:紧凑流体设计,减少了对风的扰动和器身及散热效应;
功耗降低:非加热设计,在降低能耗的同时,避免了对被测流体的热力学影响;
细节优化:采用光学补偿技术,消除因窗口轻度污染导致的数据偏差,窗口斜角设计,避免积水;
智能化软件:可在线计算大气边界层的动量\感热\CO2\H2O通量;
远程访问:多站点可实现GPS校时\组网管理\数据远程监控传输\参数实时调整;
应用领域:农业\草地\森林\荒漠\极地\湖泊\海洋

 

CSI Irgason

三、 Easy Flux_DL
EasyFlux_DL软件是基于CSI数据采集器开发的一款嵌入式智能涡动相关在线处理软件。以数据采集器为依托,软件具有数据采集、分析、计算、存储和传输等功能;通过3G等无线通讯,用户可直接远程获得最终用于科研的通量数据;并可实现站点组网,远程访问下载数据、设置站点参数等功能。适用于涡动通量研究领域。
EasyFlux_DL智能软件用于自动计算大气边界层的动量、感热、CO2、H2O通量;数据采集器是系统的核心,实现系统控制,传感器测量,数据存储,数据处理并输出的整个过程;下面的流程图解释了在数据采集器内部,数据采集,处理的整个流程;流程包含野点剔除、最大协方差找延时、坐标旋转、 频率订正、超声温度订正(SND)、 WPL订正、源区计算、数据质量等级划分。
支持的仪器及传感器
要求
EC150 开路式CO2/H2O气体分析仪,带CSAT3A三维超声风速仪
IRGASON 一体式开路式CO2/H2O 气体分析仪和三维超声风速仪
FW05、FW1 或FW3 微丝热电偶
HC2S3 或HMP155A 空气温湿度
CNR4、NR01 或NR-LITE2 净辐射仪
CS300 或LI200X 总辐射计
LI190SB 光量子传感器
SI-111 红外温度传感器
TE525MM 翻斗式雨量筒
TCAV 土壤平均温度探头(数量可多达2 个)
CS616 或CS650 土壤含水量探头(数量可多达2 个)
HFP01 或HFP01SC 土壤热通量板(数量可多达4 个)


主要的修正及处理步骤
野点去除和过滤10 Hz 原始数据:综合使用三维超声风速仪和气体分析仪的诊断值、信号强度和测量阈值;
坐标旋转:可选两次旋转 (Tanner and Thurtell, 1969),或平面拟合 (Wilczak, 2001)
变量同步:通过计算CO2 和H2O 通量的最大值来把CO2和H2O 测值与三维风速测值分别进行同步 (Horst andLenschow, 2009; Foken et al, 2012),并加入额外约束来保证同步使其合理。
频谱修正:使用普遍使用的频谱修正方法,包括协谱订正 (Moore, 1986; Dijk, 2002; Moncrieff et al, 1989)、传输函数用于时段平均订正 (Kaimal et al, 1989)、测量路径/ 体
积平均 (Moore 1986; Moncrieff et al, 1997; Foken et al, 2012;Dijk, 2002)、时间常数 (Montgomery, 1947; Shapland et al,2014; Geankoplis, 1993) 以及传感器空间分离订正 (Horst andLenschow, 2009; Foken et al, 2012)
SND 修正: 应用改进的SND 订正方法 (Schotanus et al.,1983),并遵循Van Dijk (2002) 所列出的完成方案概要,从超声显热通量推导显热通量。另外,如果使用了我们所提供的FW05、FW1 或FW3,也可从之计算得到直接测得的完全修正的显热通量
空气密度波动修正:应用WPL 方程 (Webb et al., 1980)数据质量分级:依据Foken et al (2012),综合稳态条件、下垫面湍流特征值和风向来计算数据质量分级
足迹评估: 使用Kljun et al. (2004) 或Kormann andMeixner (2001) 来计算足迹特征
能量闭合:如果使用了能量平衡传感器,可以通过综合能量平衡测量、修正的显热通量和潜热通量来计算能量闭合度

  EasyFlux_DL与Eddy Pro的CO2 通量对比曲线

EasyFlux_DL与Eddy Pro的CO2 通量对比曲线

  EasyFlux-DL 计算得到的修正后的CO2 通量值与未修正的CO2 通量值相比较,站点在灌溉的苜蓿地,在苜蓿收割之后不久所观测,数据持续一周。

 

EasyFlux-DL 计算得到的修正后的CO2 通量值与未修正的CO2 通量值相比较