1.近地面層介紹：

0 - 100m以下氣層（包括粘性次層）稱(chēng)為近地面層，這一層大氣受下墊面不均勻影響，有明顯的湍流特征；近地層通量觀測(cè)核心是了解水循環(huán)和碳循環(huán)過(guò)程機(jī)理、變化趨勢(shì)以及調(diào)控管理的綜合研究。近地層通量觀測(cè)主要是水汽和碳通量，并同時(shí)進(jìn)行近地層大氣溫度、風(fēng)、濕度、輻射、氣壓、降水量、蒸發(fā)量、土壤溫度、土壤濕度、土壤熱通量、地下水位、輻射通量、顯熱和潛熱熱量、動(dòng)量通量、物質(zhì)通量等要素觀測(cè)，以獲取不同代表性下墊面區(qū)域近地層動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)及其各類(lèi)能量收支、物質(zhì)交換等多圈層相互作用過(guò)程綜合信息。

通過(guò)獲取典型生態(tài)系統(tǒng)地-氣間顯熱、潛熱、動(dòng)量通量和CO2通量的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，為氣象部門(mén)開(kāi)展氣候系統(tǒng)模式的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；為系統(tǒng)地開(kāi)展典型生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)過(guò)程與小氣候、地-氣相互作用及水熱平衡特征、大氣-生態(tài)-小氣候-水文-土壤相互作用及影響機(jī)制的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；為短期氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)、氣候變化影響評(píng)估等工作提供基礎(chǔ)性資料；研究應(yīng)用微氣象法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地-氣間顯熱、潛熱、動(dòng)量通量和CO2通量影響的長(zhǎng)期觀測(cè)的技術(shù)和方法。

近地層通量按照不同的下墊面可分為陸氣、海氣兩種類(lèi)型，是開(kāi)展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等陸氣、海氣過(guò)程觀測(cè)的通量站。

例：梯度能量平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(不含塔)可增加渦動(dòng)相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由梯度觀測(cè)系統(tǒng)、渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)及監(jiān)控計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)、供電系統(tǒng)組成。

梯度站觀測(cè)系統(tǒng)組成

由包括空氣溫度/相對(duì)濕度/風(fēng)速梯度觀測(cè)、輻射觀測(cè)及土壤觀測(cè)等組成常規(guī)的背景觀測(cè)系統(tǒng)，包括：

※ 1個(gè)數(shù)據(jù)采集器和1個(gè)測(cè)量通道擴(kuò)展板

※ 1個(gè)梯度機(jī)箱   1個(gè)渦動(dòng)機(jī)箱

※ 5層空氣溫濕度傳感器

※ 5層風(fēng)速風(fēng)向傳感器

※ 1個(gè)凈輻射、光合有效輻射及紅外表面溫度

※ 5層土壤三參數(shù)  

※ 5個(gè)熱通量板

 開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)應(yīng)用渦動(dòng)協(xié)方差技術(shù)，測(cè)量研究區(qū)的CO2通量、顯熱通量、潛熱通量、動(dòng)量通量和摩擦風(fēng)速等，包括：

※ 數(shù)據(jù)采集器

※ 三維超聲風(fēng)速儀

※ CO2/H2O分析儀等組成

2.系統(tǒng)供電和防雷

系統(tǒng)全部采用交流供電，系統(tǒng)的緩沖電源全部采用高性能的深充電池。

對(duì)于常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)，由于其功耗相對(duì)較小，電源的體積和重量較小，電源（深充電池）安裝在與塔上數(shù)據(jù)采集器相對(duì)應(yīng)的耐候機(jī)箱里，充電電源為220VAC轉(zhuǎn)換出的13.8VDC直流電源（電池箱中）。

對(duì)于開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)，由于其功耗較大，因此，100AHR容量的深充電池與對(duì)應(yīng)的充電控制器都安放在塔下的電池箱里，由電池提供的12VDC上塔給開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)供電由于系統(tǒng)中配置了交流電源，這會(huì)增加系統(tǒng)遭雷擊的可能性。因此，配備了一個(gè)交流防雷設(shè)備，系統(tǒng)中所需的交流電源全部經(jīng)由交流防雷設(shè)備獲取。塔上的很多設(shè)備（數(shù)據(jù)采集器、分析儀等）都需要接地。為此配備了一條銅網(wǎng)接地線(xiàn)，從機(jī)箱下的接線(xiàn)柱連接到鐵塔的接地樁上并且鐵塔對(duì)地電阻小于4Ω。

3.通訊方式

通量站的數(shù)據(jù)采集器采用PakBus操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)的通訊組網(wǎng)更靈活，讓觀測(cè)人員能夠方便地更有效地維護(hù)系統(tǒng)、查看數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)可以配備兩套獨(dú)立的通訊系統(tǒng)，通量站采用屏蔽雙絞線(xiàn)實(shí)現(xiàn)從監(jiān)控室到采集器的通訊。

485總線(xiàn)通訊

通過(guò)485多子站RS-485（一種通訊標(biāo)準(zhǔn)）通訊模塊，可以將系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器分別通過(guò)RS-485進(jìn)行通訊。觀測(cè)人員從監(jiān)控室的PC上可以訪(fǎng)問(wèn)到系統(tǒng)中的每一個(gè)數(shù)據(jù)采集器。RS-485總線(xiàn)既是查看數(shù)據(jù)的通道，也是采集數(shù)據(jù)的通道（常規(guī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)的通量數(shù)據(jù)和CO2/H2O廓線(xiàn)數(shù)據(jù)）。

485模塊有RS-485、RS-232和CS I/O三個(gè)通訊端口，可以同時(shí)使用其中的任意兩個(gè)（需要先設(shè)置好）。在此，設(shè)置485模塊的通訊模式為“PakBus Networking"，485的RS-485端口為總線(xiàn)接口，其RS-232或CS I/O端口為子站接口。采用PakBus協(xié)議的一個(gè)主要好處在于總線(xiàn)中的各個(gè)子站可以相互訪(fǎng)問(wèn)。

       CF卡數(shù)據(jù)備份

對(duì)于開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)，雖然其數(shù)據(jù)采集器也連接到了RS-485總線(xiàn)中，但由于其原始高頻數(shù)據(jù)流量太大，約1G字節(jié)/月，因此為其配備了2G容量的CF卡。開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差的所有數(shù)據(jù)在保存到數(shù)據(jù)采集器內(nèi)存的同時(shí)，也保存到CF卡上。觀測(cè)人員需要定期更換CF卡。

4.監(jiān)控軟件與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件

通過(guò)軟件來(lái)完成設(shè)置調(diào)試運(yùn)行工作， AFWS軟件來(lái)完成日常監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析查看等工作，能量平衡EASYFLUX軟件完成開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)的標(biāo)定工作。

服務(wù)軟件

軟件完成采集測(cè)量程序的編寫(xiě)、調(diào)試、上傳、監(jiān)控，軟件在數(shù)據(jù)監(jiān)控下載方面也可以做的很好，可以自動(dòng)下載歷史記錄。通訊使用2進(jìn)制格式命令，使通訊的效率和速度大大提高。該軟件支持多種組網(wǎng)方式，及各種通訊協(xié)議，可以作為日常AFWS軟件的通訊服務(wù)

AFWS監(jiān)控軟件

AFWS是近地層通量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的綜合監(jiān)控軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：

※ 數(shù)據(jù)文件生成：自動(dòng)生成所需要的4個(gè)數(shù)據(jù)文件；

※ 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：按照要求的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)（或別的格式，可調(diào)整）；

※ 數(shù)據(jù)查看：通過(guò)表格文本等方式，查看數(shù)據(jù)是否缺失；

※ 數(shù)據(jù)分析功能：分析數(shù)據(jù)是否合理等等。

由于近地層通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于一般的自動(dòng)氣象站，具有數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)種類(lèi)多，數(shù)據(jù)變化復(fù)雜，因此一般的數(shù)據(jù)查看方法不可能完成良好的監(jiān)控。該軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的圖表繪制，多個(gè)數(shù)據(jù)的比較，廓線(xiàn)圖、風(fēng)玫瑰圖等方法觀察判斷數(shù)據(jù)的質(zhì)量和通量的大小變化規(guī)律。

5.數(shù)據(jù)格式

近地邊界層通量觀測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)文件包括由數(shù)據(jù)采集器處理后，通過(guò)終端計(jì)算機(jī)處理軟件直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件分為湍流觀測(cè)、梯度觀測(cè)兩大類(lèi)，其 中湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)文件包括兩類(lèi)：一類(lèi)是用來(lái)計(jì)算通量的高頻原始數(shù)據(jù)（一般10HZ），用于后期做各種數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理；另一類(lèi)是數(shù)據(jù)采集器在線(xiàn)計(jì)算得到的通量，以及計(jì)算通量運(yùn)算中所需要的各種統(tǒng)計(jì)量，還包括能量平衡中常規(guī)傳感器的測(cè)量結(jié)果。梯度觀測(cè)數(shù)據(jù)除滿(mǎn)足《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的要求外，同時(shí)需滿(mǎn)足用于近地面邊界層能量收支平衡的分析處理。

6.參考文獻(xiàn)：

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3.天津氣象塔風(fēng)溫梯度觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)特征-解以揚(yáng); 劉學(xué)軍

4.高原東南緣大氣近地層湍能特征與邊界層動(dòng)力、熱力結(jié)構(gòu)相關(guān)特征-徐祥德; 王寅鈞; 趙天良; 姚文清

5.垂直速度對(duì)水汽垂直湍流通量交叉耦合效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證-陳晉北; 胡隱樵; 呂世華; 余曄

6.納木錯(cuò)(湖)地區(qū)湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和湍流通量變化特征-李茂善;楊耀先;馬耀明;孫方林;陳學(xué)龍;王賓賓;朱志鹍

;趙逸舟