开路涡动（OPEC）(涡度协方差)通量观测系统
发布时间: 2018-10-12 20:27
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。
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＼CO2H2O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
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
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 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。
