梯度能量平衡监测系统(不含塔)

1.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。

例：梯度能量平衡监测系统(不含塔)可增加涡动相关检测系统

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个梯度机箱   1个涡动机箱

※ 5层空气温湿度传感器

※ 5层风速风向传感器

※ 1个净辐射、光合有效辐射及红外表面温度

※ 5层土壤三参数  

※ 5个热通量板

 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

2.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。

3.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。

4.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，能量平衡EASYFLUX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：按照中国气象局要求的数据格式存储（或别的格式，可调整）；

※ 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。

5.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。

6.参考文献：

1.《乌鲁木齐市气象塔梯度观测资料质量控制与处理》金莉莉;何清;李振杰;缪启龙;买买提艾力·买买提依明

2.沙漠气象研究所**在一号冰川建立梯度探测系统-刘新春

3.天津气象塔风温梯度观测资料的统计特征-解以扬; 刘学军

4.高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征-徐祥德; 王寅钧; 赵天良; 姚文清

5.垂直速度对水汽垂直湍流通量交叉耦合效应的实验验证-陈晋北; 胡隐樵; 吕世华; 余晔

6.纳木错(湖)地区湍流数据质量控制和湍流通量变化特征-李茂善;杨耀先;马耀明;孙方林;陈学龙;王宾宾;朱志鹍

;赵逸舟