“涡度协方差”新的科研进展
“涡度协方差”新的科研进展
近日，美国科学家M. A. Rawlins等人发表了一篇题为《Assessment of model estimates of land-atmosphere CO2 exchange across Northern Eurasia》的文章，文中用到了横跨欧亚大陆北部流域4个研究区域的6个通量塔获取的涡度协方差数据，对净生态系统生产力(NEP)及其组分总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(ER)和土壤碳的滞留时间进行了系统分析，从而使用涡度协方差的测量方法对多种陆地-大气层CO2交换的模型进行了有效的评估。该项研究在通量观测领域一经问世便获得了大量的关注，其中通量塔的数据均由LI-7500A CO2/H2O分析仪，LI-7200 CO2/H2O分析仪，和LI-7700开路式CH4分析仪测量得到。
涡度相关系统的技术资料
通量观测，适用于森林、草地、农田、沙漠及城市等各种下垫面环境，广泛应用于中科院、林科院、农科院、气象局及各科研领域，对区域碳、水循环过程的研究，作为生态系统与大气之间的CO2、H2O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，评价陆地生态系统在碳循环中的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。
美国Campbell Scientific Inc.（CSI）的通量观测系统已国内各领域得到广泛应用，中国科学院、中国林科院及中国农科院等不同领域的生态站已实现网络化观测。
近地层通量观测系统是空气动力学梯度法、涡度相关法和能量平衡法的高度结合，相互印证，确保了长期观测数据的有效性，是边界层研究的重要手段。通常由两个部分组成，一个是涡动协方差系统，另一个是背景梯度系统。这两个部分彼此结合，却又相互独立，它们采用两个数采单独来运行，保证了系统的稳定性和数据的有效性。
涡动协方差系统---通量观测的标准方法
涡动协方差系统，亦称涡度相关系统，是一种微气象学的测量方法，采用涡度相关原理，利用快速响应的传感器来测量大气下垫面的物质交换和能量交换，它是一种直接测定通量的标准方法，已成为近年来测定生态系统碳、水交换通量的关键技术，得到了越来越广泛的应用，并逐渐成为国际通量观测网络的主要技术。
涡动协方差系统可以测量显热通量、潜热通量、动量通量、摩擦风速，以及其它物质通量（如CO2等），主要应用在边界层理论研究、大气扩散、能量收支研究、水分及其它物质收支研究等众多领域。
工作原理：
系统实际运行中，超声风速仪高频响应三维风速（Ux、Uy、Uz）和虚温（Ts），CO2/H2O分析仪高频响应CO2和H2O，数据采集器实时采集这些变量数据，并对其做同步处理，之后在线计算得到感热通量、潜热（水汽）通量、CO2通量、动量通量及摩擦风速，以及这些数据所需的协方差/均值等，并将计算结果保存在数据采集单元，以此同时各种高频变量的原始数据也会保存在数据采集单元中，用户可以对这些原始数据进行后期处理（分析和插补），从而获得理想通量数据。
注：从湍流原始数据到通量产品生成的整个过程，质量控制／质量保证必不可少，如对原始数据的异常值剔除，水汽／ＣＯ２数值采集相对于垂直风速的时间滞后订正以及观测结果的代表性（Footprint）的检验等。
涡度相关法特点：
◆ 最理想的微气象测量方法，原理上不基于任何假设，无需经验参数，计算方法有完善的理论论证；
◆ 连续观测CO2、H2O通量和环境要素，评价不同时间尺度的碳水通量特征及其环境响应；
◆ 相对较大的空间代表性（几百米至几公里），填补了航空观测与地面定点调查之间的空间尺度，是地球观测系统的主要内容。
分类：
根据仪器配置的不同，涡动协方差系统可以分为开路涡动协方差系统和闭路涡动协方差系统。
配套系统：
与涡度协方差系统相配套的系统主要包括能量平衡系统、背景（梯度）气象站、廓线系统等。
EC150开路涡动协方差系统
美国Campbell公司凭借多年来在微气象研究领域丰富的系统集成经验，以及范围内不同领域科研用户的使用反馈，对涡动相关系统进行了历史性的革新——EC150开路涡动协方差系统。
特点：
◆ 完整的标准解决方案，系统软硬件全部由CSI公司研制生产，可大大改善系统可靠性和稳定性；
◆ 符合空气动力学的光学设计，大大减小了风的变形和探体自身受热对测量的影响；
◆ 采用温度补偿技术进行测量，无需添加热控制器；
◆ 一体化设计，保证分析仪与三维超声风速仪测量的同一性，避免了传统系统中两种传感器分离带来的误差；
◆ 有效降低窗口污染对测量的影响；
◆ 探测窗口倾斜设计，不易积水 ；
◆ 低噪音设计；
◆ 可用于各种恶劣环境；
◆ 在各种浓度的CO2和H2O环境下、各种温度和压力环境下进行多点标定；
◆ 可通过诊断参数来确定数据的可靠性；
◆ 辅助配置气压和环境温度测量；
OPEC150系统可兼容开路式甲烷分析仪（LI7700），可实现甲烷能量的在线计算。
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