渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)知識(shí)系列之一：通量塔的選址與建塔的基本原則
 

近年來(lái)，采用渦動(dòng)相關(guān)(eddy-covariance，EC)方法測(cè)量溫室氣體通量的站點(diǎn)數(shù)量在迅速增加，但是要在科學(xué)目的、工程標(biāo)準(zhǔn)、安裝運(yùn)行成本和實(shí)用性之間做出平衡，尋找到最佳的解決方法，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)的工作。從觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和精確度來(lái)說(shuō)，選址、建塔等站點(diǎn)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)是重中之重。
 

1、位置選擇

站點(diǎn)選址的基本原則是，該站點(diǎn)能夠盡量觀測(cè)到全部的研究對(duì)象，這涉及到兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是方向，一個(gè)是架設(shè)高度。

首先是確定觀測(cè)區(qū)域近幾年的主風(fēng)向，可以參考近幾年的氣象數(shù)據(jù)。由于中國(guó)大部分地區(qū)是季風(fēng)氣候，一般在春夏和秋冬會(huì)有兩個(gè)主風(fēng)向，這時(shí)候要考慮通量?jī)x器的架設(shè)方向，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的主要周期等。如果儀器架設(shè)方向可以隨主風(fēng)向的改變方便調(diào)整，或者實(shí)驗(yàn)周期是明確區(qū)分了春夏或者秋冬，那么在選址時(shí)可以選在觀測(cè)對(duì)象的下風(fēng)向，這樣可以盡可能多的觀測(cè)到目標(biāo)對(duì)象；如果不能改變通量?jī)x器的架設(shè)方向，且是長(zhǎng)期定位觀測(cè)，那盡量將觀測(cè)地點(diǎn)選址在觀測(cè)對(duì)象的中央位置，或者沿主風(fēng)向的中點(diǎn)位置，這樣可以盡可能的在不改變儀器方向和位置的前提下，觀測(cè)到盡可能多的研究對(duì)象。

確定架設(shè)高度要滿(mǎn)足通量?jī)x器的基本觀測(cè)條件， 即滿(mǎn)足湍流運(yùn)動(dòng)的充分交換。一般的架設(shè)高度是下墊面冠層高度的1.5到2倍（具體確定觀測(cè)高度的經(jīng)驗(yàn)法則見(jiàn)圖 1）；在相對(duì)平坦和均勻的下墊面條件下，觀測(cè)距離大約是觀測(cè)有效高度的100倍（風(fēng)浪區(qū)原理），具體范圍需要根據(jù)footprint源區(qū)計(jì)算，隨著湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和下墊面情況會(huì)有所改變。
 

圖 1 確定觀測(cè)高度的經(jīng)驗(yàn)法則
 

通量源區(qū)代表性分析(Footprint分析)是檢驗(yàn)一個(gè)通量站質(zhì)量的重要手段，可以用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，以及通過(guò)特定傳感器的源區(qū)分布和來(lái)自感興趣下墊面(植被)的通量貢獻(xiàn)，從而對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析解釋。
 

圖 2 Footprint分析

2、下墊面的影響
 

2.1植被類(lèi)型

渦動(dòng)相關(guān)法測(cè)量溫室氣體通量要求儀器安裝在常通量層內(nèi)，而常通量層假設(shè)要求穩(wěn)態(tài)大氣、下墊面與儀器之間沒(méi)有任何源或者匯、足夠長(zhǎng)的風(fēng)浪區(qū)和水平均勻的下墊面等基本條件。

在渦動(dòng)相關(guān)傳感器能監(jiān)測(cè)到的“源區(qū)域”內(nèi)植被類(lèi)型均勻一致的情況下，其觀測(cè)到的通量結(jié)果是比較有意義的，可以用來(lái)解釋生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體收支情況。但當(dāng)渦動(dòng)相關(guān)傳感器的“源區(qū)域”覆蓋到不同植被類(lèi)型時(shí)，情況就會(huì)變得復(fù)雜起來(lái)。一個(gè)極端的例子是：某站點(diǎn)周?chē)�具有兩種不同的森林植被類(lèi)型，每天周期性地，白天，風(fēng)從一種植被類(lèi)型吹向另一種；夜間，則正好相反。那么，該站點(diǎn)觀測(cè)得到的通量資料的日平均值將毫無(wú)意義。這種極端的情況雖然極少出現(xiàn)，但許多站點(diǎn)都會(huì)有微妙的風(fēng)向變化，在數(shù)據(jù)分析時(shí)需要做仔細(xì)考慮。

此外，光、土壤濕度、土壤結(jié)構(gòu)、葉面積以及物種種類(lèi)組成的空間異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致溫室氣體源／匯強(qiáng)度的水平梯度。而其植被類(lèi)型的變化也會(huì)造成表面粗糙度的變化，當(dāng)風(fēng)通過(guò)不同粗糙度或者不同源/匯強(qiáng)度表面的區(qū)域時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生非常明顯的平流效應(yīng)（Raupach & Finnigan, 1997; Baldocchi et al., 2000）。
 

圖 3 不同下墊面的地表粗糙度

（參考 于貴瑞&孫曉敏，2006）
 

地表植被類(lèi)型的突然變化會(huì)導(dǎo)致氣流的變化，如氣流在從高大森林向低矮草地移動(dòng)時(shí)，會(huì)在森林邊緣形成回流區(qū)(如圖 4所示)，導(dǎo)致近地面和上方氣流方向不一致，其水平長(zhǎng)度尺度(距離)等于冠層高度的2-5倍(Detto et al., 2008)。
 

圖 4森林邊緣附近湍流結(jié)構(gòu)的概念模型

（參考Detto et al., 2008）

2.2冠層高度

通量足跡Footprint描述了EC系統(tǒng)能夠觀測(cè)到的“源區(qū)域”，提供了每個(gè)表面元素對(duì)測(cè)量的垂直通量的相對(duì)貢獻(xiàn)。Footprint取決于觀測(cè)高度、表面粗糙度和大氣穩(wěn)定度等。如圖 5所示，通常來(lái)說(shuō)，傳感器的觀測(cè)高度越高，就越能觀測(cè)到更遠(yuǎn)、更廣的區(qū)域（Horst & Weil, 1994），也便于捕捉植物冠層上方混合良好的邊界層中的通量交換。但是觀測(cè)高度也不是越高越好，在大氣層結(jié)穩(wěn)定的條件下（如夜間），過(guò)高的觀測(cè)高度可能會(huì)使觀測(cè)到的“源區(qū)域”超出感興趣的研究區(qū)域。因此應(yīng)該預(yù)先計(jì)算并確保來(lái)自感興趣區(qū)域的通量貢獻(xiàn)至少為90％（Göckede et al., 2004），在穩(wěn)定條件下至少50％的時(shí)間以確保適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)覆蓋不同的風(fēng)向和不同的天氣條件。
 

圖 5觀測(cè)高度與通量足跡
 

基于Munger（2012）等確定塔/測(cè)量高度（hm）的原則（如圖 1），可能存在準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際觀測(cè)高度和冠層高度的困難，需要考慮后期調(diào)整高度的可能性。觀測(cè)高度必須用三維超聲風(fēng)速計(jì)測(cè)量路徑的中心來(lái)確定，其值取決于感興趣的生態(tài)系統(tǒng)的冠層高度（hc），冠層高度值不需要特別準(zhǔn)確：采用主要冠層的平均預(yù)期高度是合理的。

對(duì)于冠層高度在生長(zhǎng)季節(jié)中快速變化的農(nóng)田、草地和種植園以及同樣具有快速變化特性的冰雪下墊面，塔架設(shè)計(jì)必須考慮允許通過(guò)改變塔架高度（例如伸縮式塔架設(shè)計(jì)）或通過(guò)移動(dòng)傳感器來(lái)改變測(cè)量高度。隨著時(shí)間的推移為了確保相同的通量觀測(cè)源區(qū)，可以考慮改變測(cè)量高度，遵循的原則是測(cè)量高度與冠層高度的0.76倍之間的差值保持在一個(gè)確定數(shù)值的±10%左右。但這種調(diào)整的頻率不用特別頻繁，最多在植被生長(zhǎng)期或在積雪季節(jié)每隔一周進(jìn)行。假設(shè)在植被生長(zhǎng)期開(kāi)始時(shí)的裸土，其測(cè)量高度為2 m，在冠層高度達(dá)到1.2 米前，不需要改變測(cè)量高度；在植被達(dá)到1.2米后（例如增加約0.5-0.8米）開(kāi)始提高測(cè)量高度，然后保持測(cè)量高度與冠層高度的0.76倍之間的差值保持在一個(gè)確定數(shù)值。改變表面高度（由于生長(zhǎng)和積雪）以及改變測(cè)量高度必須準(zhǔn)確記錄，因?yàn)檫@必須在后期數(shù)據(jù)處理中考慮。
 

2.3地形影響

EC法測(cè)量通量假設(shè)了地形水平，這樣可以保證地形的坐標(biāo)系和傳感器坐標(biāo)系方向一致，避免平流、泄流效應(yīng)的影響。
 

圖 6復(fù)雜地形對(duì)EC觀測(cè)的影響
 

在復(fù)雜的地形條件下，風(fēng)吹過(guò)小山時(shí)會(huì)引起氣流的輻合或輻散運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生平流效應(yīng)（Kaimail & Finnigan, 1994）。存在有局地風(fēng)場(chǎng)影響的站點(diǎn)，在夜間大氣穩(wěn)定，垂直湍流輸送和大氣混合作用較弱，CO₂的水平和垂直平流效應(yīng)的影響是很重要的（于貴瑞&孫曉敏，2006）。Mordukhovish & Tsvang（1966）的研究表明，斜坡地形能導(dǎo)致水平異質(zhì)和通量的輻散。

對(duì)于設(shè)在地勢(shì)較高的觀測(cè)塔，在夜間對(duì)流比較弱時(shí)，通常會(huì)因CO₂沿斜坡泄流而造成大氣傳輸?shù)耐�量低估，最后�?dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力的估算偏高；對(duì)于在地勢(shì)較低溝谷中的觀測(cè)塔，其問(wèn)題更加復(fù)雜，如果外部的大氣平流/泄流通過(guò)觀測(cè)界面進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，會(huì)高估光合作用吸收CO^₂的能力；如果外部的大氣平流/泄流不能通過(guò)觀測(cè)界面，而是從觀測(cè)界面下部直接進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，則會(huì)在生態(tài)系統(tǒng)中暫時(shí)儲(chǔ)存，最終輸出生態(tài)系統(tǒng)，造成對(duì)呼吸作用的高估。

在大多數(shù)情況下，實(shí)際地形難以滿(mǎn)足地形水平的假設(shè)，這就需要進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，以消除平流項(xiàng)的影響。當(dāng)安裝鐵塔的斜坡坡度特別大時(shí)，可以考慮將原本應(yīng)水平安裝的超聲風(fēng)速計(jì)調(diào)整為與地面平行。
 

3、塔及塔附屬設(shè)施的影響
 

3.1塔體本身

塔本身對(duì)觀測(cè)的影響可分為塔本身對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，以及塔的偏轉(zhuǎn)、震蕩對(duì)測(cè)量過(guò)程的影響兩種。

3.1.1 對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響

自然氣流無(wú)論是經(jīng)過(guò)幾十米的觀測(cè)塔，還是遇到幾毫米的儀器翼梁或電纜，各種尺度的障礙物都會(huì)使流線發(fā)散，從而導(dǎo)致用于計(jì)算通量的流線分離，稱(chēng)為流體失真，流動(dòng)失真以難以看見(jiàn)的方式影響測(cè)量，其影響只能在塔的設(shè)計(jì)建造階段進(jìn)行最小化。

在塔的迎風(fēng)側(cè)（上游），風(fēng)速受到影響會(huì)有所降低。受流動(dòng)失真影響的逆風(fēng)距離與障礙物大小的立方成比例，并隨著距離的立方體而減小(Wyngaard, 1981, 1988)。在塔的背風(fēng)側(cè)（下游），風(fēng)速也減弱，這種效果隨著風(fēng)速的增加而減�。ㄍ牧鞯母�快速重構(gòu)）并且受到障礙物的長(zhǎng)度和寬度的影響。

圖 7 展示了在高塔的迎風(fēng)側(cè)觀察到的風(fēng)向上的偏轉(zhuǎn)與加速， 圖 8則展示了高塔頂部和底部方向迥異的風(fēng)向。這是由于在背風(fēng)側(cè)下方產(chǎn)生的回流區(qū)造成的，障礙物(塔)尺寸越大，回流區(qū)就越容易發(fā)展得更大。在塔基通量觀測(cè)中，森林生態(tài)系統(tǒng)的觀測(cè)常需要10m以上的高塔作為基礎(chǔ)，容易導(dǎo)致回流區(qū)的產(chǎn)生，回流也增加了向上流動(dòng)的傾向，并加強(qiáng)了煙囪效應(yīng)，這可能會(huì)顯著影響風(fēng)的測(cè)量和干擾混合比梯度。
 

圖 7 在塔的迎風(fēng)側(cè)觀察到風(fēng)向上偏轉(zhuǎn)和加速

(引自Sanuki and Tsuda, 1957)
 

圖 8 塔頂部的西風(fēng)流（離地面10米）和離地面2米處的東風(fēng)回流(引自Vaucher et al., 2004)
 

在建造塔時(shí)，盡量選擇塔身纖細(xì)、結(jié)構(gòu)較少的鐵塔，避免對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，也要注意控制林窗的大小，避免人為形成回流區(qū)域。此外，應(yīng)該盡量減少樹(shù)木和樹(shù)枝的移除，因?yàn)樗鼈儗?duì)風(fēng)的阻力作用可以減少這些回流區(qū)域的形成。選擇纖細(xì)塔體的同時(shí)也要保證塔體足夠堅(jiān)固，以確保安全的維護(hù)通道和應(yīng)對(duì)整個(gè)觀測(cè)周期中的極端環(huán)境。

當(dāng)塔架底座和結(jié)構(gòu)由于受到外界輻射而加熱引起對(duì)流循環(huán)時(shí)，可以觀察到煙囪效應(yīng)。這增強(qiáng)了氣流的垂直偏轉(zhuǎn)，從而使更多的空氣向上移動(dòng)。煙囪效應(yīng)取決于基礎(chǔ)和塔的質(zhì)量和熱容量、塔的形狀、對(duì)樹(shù)冠的干擾程度（清理/切割塔構(gòu)造的樹(shù)木）和站點(diǎn)的凈輻射量等。煙囪效應(yīng)是不可避免的，應(yīng)盡量減少混凝土基礎(chǔ)和塔架結(jié)構(gòu)，塔的的橫截面也盡量不超過(guò)2 x 3 m (Munger et al., 2012)。塔體結(jié)構(gòu)對(duì)經(jīng)過(guò)氣流的扭曲變形和煙囪效應(yīng)應(yīng)該通過(guò)專(zhuān)業(yè)的方式或通過(guò)建模方法（Griessbaum & Schmidt，2009）進(jìn)行調(diào)查（Serafimovich et al., 2011）。
 

3.1.2 對(duì)測(cè)量過(guò)程的影響

塔體本身隨風(fēng)速的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量中的系統(tǒng)不確定性；塔的移動(dòng)應(yīng)限制在0.02 m s-1（即測(cè)量風(fēng)速的精度），并且不應(yīng)具有在1到20 Hz之間與風(fēng)向共同變化的力矩（諧波效應(yīng)）；快速響應(yīng)加速度設(shè)備可用于量化塔運(yùn)動(dòng)，逐點(diǎn)校正還需要快速響應(yīng)測(cè)斜儀測(cè)量以確定旋轉(zhuǎn)速率以及加速度；由于在塔上工作的人員而導(dǎo)致的塔架運(yùn)動(dòng)不會(huì)隨著風(fēng)或標(biāo)量交換而變化，但可能會(huì)擾亂風(fēng)場(chǎng)。
 

3.2塔上橫臂

在1976年的國(guó)際湍流對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，一些報(bào)告顯示直徑0.05 m的水平支撐結(jié)構(gòu)造成的平均上升風(fēng)速為0.1 m/s (Dyer, 1981)，它大到足以使渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量無(wú)效。因此，風(fēng)速計(jì)安裝臂的尺寸也要盡量小，只需要提供一個(gè)安全穩(wěn)定的測(cè)量平臺(tái)就可以了。

王國(guó)華等利用成熟的計(jì)算流體軟件，對(duì)布置多個(gè)支撐觀測(cè)儀器的支架所導(dǎo)致的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)失真進(jìn)行定量仿真。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支架間距小于6倍的支架直徑D或來(lái)流風(fēng)向角小于30°時(shí)支架附近流場(chǎng)受到明顯的相互干擾。通過(guò)對(duì)不同來(lái)流風(fēng)向及支架間距離模擬結(jié)果的對(duì)比分析，認(rèn)為使用多支架進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)合觀測(cè)時(shí)，支架應(yīng)沿垂直于觀測(cè)地點(diǎn)常年來(lái)流主風(fēng)向的展向布置。為避免不同支架相互干擾，支架間的最小距離L應(yīng)大于9倍的支架截面直徑。

此外，橫臂本身需要足夠穩(wěn)定以支撐儀表，可以通過(guò)增加側(cè)臂和拉索的方式，以避免橫臂的扭矩和振蕩。
 

3.3塔下建筑物

3.1.1一節(jié)討論了塔體本身對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向造成扭曲從而影響風(fēng)場(chǎng)的作用，塔下其他障礙物（如設(shè)備房間、供電小屋等）也存在這種作用，如圖 9 所示。
 

圖 9 從障礙物側(cè)面看的迎風(fēng)流畸變和背風(fēng)側(cè)流畸變的概念圖

（引自Davies and Miller, 1982）
 

回流效應(yīng)在高大的森林冠層中最為明顯，但較矮的草地和作物冠層也必須考慮，特別是在附近存放其他設(shè)備的房屋的情況下。因此，應(yīng)盡可能地減少這種流動(dòng)變形源，在不可減少的情況下，障礙物應(yīng)遠(yuǎn)離觀測(cè)塔，避免對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響。
 

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通過(guò)數(shù)據(jù)整理、插補(bǔ)和分析，形成數(shù)據(jù)質(zhì)量分析報(bào)告；同時(shí)深入挖掘數(shù)據(jù)背后的科學(xué)信息，可以多方面地支撐文章寫(xiě)作、項(xiàng)目申請(qǐng)、專(zhuān)利以及軟件著作權(quán)申請(qǐng)等工作。

通量觀測(cè)技術(shù)培訓(xùn)（渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)、閃爍儀系統(tǒng)等）

根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際需求，可以有針對(duì)性地培訓(xùn)渦動(dòng)通量觀測(cè)和設(shè)備運(yùn)行的基本原理，數(shù)據(jù)處理的基本流程，通量數(shù)據(jù)處理軟件介紹及實(shí)際操作演示，通量、氣象設(shè)備日常維護(hù)以及儀器標(biāo)定，站點(diǎn)選址等相關(guān)內(nèi)容。提供遠(yuǎn)程視頻和上門(mén)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)等多種方案。