近地面层通量观测业务规范编写提纲中国气象局培训中心

附件3：近地层通量观测业务规范（试行）中国气象局 二七年十二月前 言随着近地层通量观测的扩展和资料的广泛应用，规范并标准化中国气象局近地层通量的业务化观测是本规范编制的主要目的。本规范主要对国家气候观象台近地层通量观测系统建设和业务运行提供标准，在建设和观测业务中必须严格遵守。规范对通量观测场地、观测人员、仪器布局、仪器安装维护、数据管理、仪器标定等方面做了规定，同时该规范在附件中规定了部分初级产品算法，并增加了必要的相关知识介绍。主要适用对象是通量系统建设人员和观测人员。本规范由中国气象局监测网络司组织编写，中国气象局大气探测技术中心负责具体编写工作。气象科学研究院、中国生态系统研究网络（CERN）综合中心、北京天诺基业科技有限公司等单位参与了编写工作。本规范的制定、修改、解释权属于中国气象局监测网络司。目 录第1章 总 则11.1 近地层通量观测系统类型11.2 观测项目11.2.1 按照国务院气象主管机构规定的方法和要求开展的观测项目11.2.2 按省、地、县及气象主管机构自行规定的方法和要求开展的观测项目21.3 建站要求21.3.1 观测场环境条件21.3.2 观测点21.3.3 观测塔31.4 对观测员的要求31.5 本规范适用范围4第2章 近地层通量系统结构6第3章 近地层通量系统仪器与安装73.1近地层通量观测仪器的一般要求73.2 近地层通量观测仪器组成73.2.1 按照国务院气象主管机构规定要求配备的观测仪器73.2.2 按省、地、县及气象主管机构自行规定的观测仪器73.3 近地层通量观测项目与可选仪器83.4 近地层通量观测仪器的基本技术性能83.4.1 准确度93.4.2 测量范围93.4.3 分辨力103.5近地层通量观测仪器安装103.5.1近地层通量观测仪器安装基本要求103.5.2 近地层通量观测仪器安装高度要求103.5.3 传感器安装方法133.6 外围设备163.6.1 外围设备组成163.6.2 系统电源163.6.3 通信接口173.6.4 外围设备安装与连接173.6.5 采集器、电源、计算机与打印机等的安装183.6.6 避雷装置18第4章 近地层通量观测系统软件和算法194.1 系统软件194.1.1 采集软件194.1.2 业务软件194.1.3 软件安装204.2 采样和算法204.2.1 采样顺序204.2.2 采样频率和算法204.2.3 运算周期214.3 时制、日界和对时214.3.1 时制224.3.2 日界22第5章 仪器维护和标定235.1 日常工作235.2 外围设备的检查维护245.3 技术人员定期巡检255.4 传感器的维护255.4.1 红外地表温度传感器255.4.2 空气温湿度传感器255.4.3 风速风向传感器265.4.4 辐射传感器265.4.5 光合有效辐射265.4.6 超声风速仪265.4.7 红外CO2/H2O分析仪275.5 标定285.5.1 采集器的标定285.5.2 常规传感器的标定285.5.3 分析仪的标定29第6章 数据质量控制306.1 数据的完整性检查306.1.1 文件的数量检查306.1.2 文件的完整性检查306.2 测量值合理性检查306.3 一致性检查316.3.1 测量值时间一致性检查316.3.2 内部一致性检查336.4 数据的变化规律检测336.4.1 二氧化碳通量曲线346.4.2 感热与潜热通量曲线346.4.3 二氧化碳与水汽浓度曲线346.4.4 三维风速曲线356.4.5 样本数量曲线356.4.6 AGC数据曲线35第7章 数据管理367.1 采集数据文件标准格式367.2 CF卡数据367.3 上传数据文件367.4 数据文件备份管理37附件1 通量系统的基本原理40附件2 通量系统观测数据曲线参考样例43附件3 通量系统常用量名词表51附件4 LI7500分析仪标定方法52附件5 算法57附件6 通量系统下垫面作物发育期及相关要素观测月报表64附件7 近地层通量观测月记录（电子表格）65第1章 总 则近地层通量观测作为多圈层气象观测的重要组成部分，获取一定区域下垫面与大气间的物质和能量交换信息，包括交换量值、交换过程、时间变化等，为气候与气候变化分析、数值天气预报、气象信息、气象服务和生态研究等提供重要的资料。近地层通量业务化观测作为气象部门新开展的日常观测业务，还缺少业务化观测的经验，该规范需要在业务试用中不断的修改和完善。1.1 近地层通量观测系统类型近地层通量观测依据下垫面不同可分为陆气、海气两种类型。其中，陆气类型下垫面的种类主要有农田、草地、湿地、森林、荒漠和冰川等，海气类型下垫面为海洋。不同下垫面类型的通量数据可开展不同特征区域与大气交换机制及对气候变化的影响和响应机制研究与业务。1.2 观测项目1.2.1 按照国务院气象主管机构规定的方法和要求开展的观测项目（1）必须观测项目：多层空气温度和湿度、多层风向和风速、降水、气压、多层地温、净辐射、光合有效辐射、地表热通量、红外地温、单层或多层三维脉动风速和风向、单层或多层水汽和二氧化碳、脉动浓度；（2）由国务院气象主管机构指定观测项目：多层三维脉动风速和风向、多层水汽和二氧化碳浓度、下垫面植被状况、下垫面土壤水分、向上和向下总辐射、向上和向下长波辐射、海洋浪高、海水温度和盐度；（3）由省级气象主管机构指定观测项目：详细下垫面状况；根据服务需要增加的观测项目。1.2.2 按省、地、县及气象主管机构自行规定的方法和要求开展的观测项目由省地县级气象主管机构根据需要自定。1.3 建站要求1.3.1 观测场环境条件（1）符合国家气候观象台选址要求；（2）观测环境周围无遮挡的建筑物，且下垫面地形平坦、植被均质分布，且具有一定的代表性。1.3.2 观测点（1）观测点的选取应利用待选观测点（或地域）以往的气象资料调查分析盛行风的季节变化。应满足在下垫面生物活动的活跃时期，观测点尽可能在上风侧具有长的均匀过渡区（fetch）。（2）在风的状况不明或风向季节变化明显，可以选择尽可能大的平坦植被斑块，在其中央附近建立观测塔。（3）若区域代表性目标观测对象为农田、草地、荒漠等，通量观测塔应设置在与目标观测对象相应的自然下垫面上。（4）下垫面选取应尽量均匀平坦，风浪区（主风向/来流风向区域）至少大于观测高度（三维脉动风速和风向、水汽和二氧化碳浓度观测高度）的一百倍。1.3.3 观测塔（1）通量观测塔结构是空心钢建筑结构，三角组合断面，高度在冠层以上不低于32米。根据不同下垫面特征观测需要，近地层通量观测铁塔设定若干层观测平台和可收展式伸臂。观测塔要求塔架风阻小塔架，且利用阳光反射小的中灰色。 （2）一般情况下观测塔的高度为32米加上冠层高度（32+h），其中h为冠层高度。当下垫面是森林时，观测塔的高度视观测区域森林树木高度（冠层高度）而定。根据树木生长情况，要保证10年内观测塔至少高出冠层32米左右。（3）下垫面是海洋（湖泊）时，观测塔安装位置的水深不低于2 米（浅水区、浅水礁石）。塔高根据现场风浪高度确定，不应低于20米。1.4 对观测员的要求（1）应经过系统业务技术培训，参加业务主管部门定期组织的考核，取得省级或以上业务主管部门认定的通量观测业务岗位资格；（2）应熟练掌握地面气象观测业务技术，遵守观测值班纪律，密切监视天气演变，坚持实事求是，不得涂改、伪造观测记录，认真地按本规范的要求完成观测任务；（3）观测员应懂得仪器的基本原理和操作规范，负责观测仪器和场地的日常维护，时刻保持仪器和场地出于良好状态；在雷击等情况下能及时断开通讯连接，并能够恢复正常；（4）在每次观测时，要及时、认真地填写地面气象观测记录簿、下垫面观测记录簿和向微机终端输入人工观测记录，并应按规定的数据格式和编码规定按时发送气象观测数据，编制报表和预审；（5）应积极参加业务主管部门组织的专项业务技术进修培训，不断掌握新的观测业务技术知识和新仪器的使用维护方法；（6）应熟练使用计算机，熟悉计算机软件、硬件知识，熟练操作业务软件、熟练业务软件安装，具有初步的数据分析检查能力；（7）经过培训，对近地层通量观测的各个要素具有感性的认识；（8）具备基本的电路知识，对简单的故障可进行判别和维护。1.5 本规范适用范围 本规范从技术和工程两个方面规定了内陆（农田、草原、森林、荒漠、湿地、湖泊等）地区近地层通量观测系统的组成结构、系统功能、测量技术、传感器选型、供电电源、工作环境、设备安全可靠性、数据质量控制、数据管理等方面的要求。本规范主要对国家气候观象台近地面层通量系统建设和业务运行提供指南，在建设和观测工作中必须严格遵守。主要适用对象是通量系统建设人员和观测业务人员。第2章 近地层通量系统结构我国近地层通量观测系统结构示意图见图2.1。三维超声风温仪风速风向RJ45RS-232RS-485 风能采集器三维超声风温仪红外H2O/ CO2分析仪空气温湿度传感器RJ45RS-232RS-485脉动量采集器蒸发、降水、气压风速风向温湿光合有效辐射红外地表温度仪地温传感器四分量辐射仪土壤水份测量仪土壤热通量仪RJ45RS-232RS-485梯度采集器网络路由器RS-485微 机本地局域网RJ-45RS232通信接口标准总线供 电 单 元图2.1 系统结构（包括风能观测项目）第3章 近地层通量系统仪器与安装3.1近地层通量观测仪器的一般要求（1）应具有国务院气象主管机构业务主管部门颁发的使用许可证，或经国务院气象主管机构业务主管部门审批同意用于观测业务；（2）准确度满足规定的要求；（3）可靠性高，保证获取的观测数据可信；（4）仪器结构简单、牢靠耐用，能维持长时间连续运行；（5）操作和维护方便，具有详细的技术及操作手册；3.2 近地层通量观测仪器组成3.2.1 按照国务院气象主管机构规定要求配备的观测仪器（1）必备仪器：三维超声风温仪、红外H2O/CO2分析仪、空气温度湿度传感器、风速传感器，风向传感器、四分量辐射传感器、光合有效辐射传感器、气压传感器、红外地表温度传感器；（2）由国务院气象主管机构指定观测项目：铂电阻地温传感器、土壤水分传感器和土壤热通量传感器、下垫面植被状况观测仪器、土壤水分传感器、海洋浪高传感器、海水温度和盐度传感器；（3）由省级气象主管机构指定的仪器：根据服务需要增加的观测仪器。3.2.2 按省、地、县及气象主管机构自行规定的观测仪器由省地县级气象主管机构根据需要自定。3.3 近地层通量观测项目与可选仪器我国近地层通量观测项目与可选仪器见表3.1表3.1我国近地层通量观测仪器的基本技术性能测量要素可选传感器脉动风速、虚温三维超声风温仪脉动水汽二氧化碳浓度红外H2O/ CO2分析仪空气温湿度铂电阻和高分子薄膜电容湿度传感器风向、风速三杯式风速传感器、风向标风向传感器四分量辐射四分量辐射仪光合有效辐射光合有效辐射仪地面温度红外地表温度仪、铂电阻地面温度传感器地温铂电阻地温传感器土壤水分频域多点可调土壤水分探测器时域土壤水分传感器土壤热通量土壤热通量仪蒸发超声波式、浮子式蒸发传感器（待定）降水称重式降水传感器、翻斗式雨量传感器气压振筒式气压传感器、空盒位移式气压传感器3.4 近地层通量观测仪器的基本技术性能使用的观测仪器基本技术性能应符合表3.2的要求（依据地面气象观测规范2003版）。表3.2我国近地层通量观测仪器的基本技术性能测量要素测量范围分辨力准确度平均时间自动采样速率气温-50+500.10.21min6次/min相对湿度010014（80）8（ 80）1min6次/min气压5001100hPa（任意200hPa）0.1hPa0.3hPa1min6次/min风向0360352min10min1次/s风速060m/s0.1m/s(0.3+0.03V)m/s降水雨强04mm/min0.1mm0.4mm（10mm）4（ 10mm）累计1次/min地温-50+800.10.31min6次/min总辐射01400 W/m21W/m251min60次/min净全辐射-2001400 W/m21W/m215201min60次/min脉动风速、温度3050风速30m/s风向0360风速水平分量1mm/s风速垂直分量0.5mm/s虚温0.025风速水平分量：4.0cm/s风速垂直分量：2.0cm/s10Hz水汽和二氧化碳脉动浓度03000 micro ppm(CO2), 030 mmol/mol(H20)0.1 micro ppm(CO2) 0.1 mmol/mol(H20)0.3 micro ppm (CO2) 0.15 mmol/mol (H20)10 Hz红外地面温度10550.10.3（1015）0.2（1535）0.3（3545）3.4.1 准确度准确度表示测量结果与被测量真值的一致程度。3.4.2 测量范围在保证主要技术性能情况下，仪器能测量的被测量的量值范围。3.4.3 分辨力仪器测量时能给出的被测量量值的最小间隔。3.5近地层通量观测仪器安装3.5.1近地层通量观测仪器安装基本要求（1）雨量、蒸发、辐射传感器均按地面观测规范要求安装在观测场规定的位置上；（2）传感器和数据采集器用专用电缆连接；（3）塔上传感器的安装高度根据体系结构的要求按照表3.1安装；（4）计算机、打印机及其电源（蓄电池、UPS电源）等设备均安放在观测值班室内。3.5.2 近地层通量观测仪器安装高度要求（1）下垫面（冠层）以上设五层，在各个安装高度平均场温度、湿度、风速传感器，其传感器伸臂垂直于主风向。（2）下垫面（冠层）以上10米高度设置风向传感器；4米以上高度（具体高度根据下垫面冠层而定）安装三维超声风温仪和二氧化碳水分分析仪，其伸臂指向主风向；根据下垫面植被状况在2-4米高度安装辐射传感器，最好脱离铁塔单独架设，周围设施不能遮蔽太阳光。（3）红外H2O/ CO2分析仪根据下垫面状况确定安装高度，一般低于10米。（4）热通量板安装在离地表5厘米土壤中。（5）土壤水分传感器安装在离地表10、20、50、100、180厘米土壤中，若超过地下水位不再安装。（6）当下垫面是较为平静水面时，辐射传感器应安装在由塔体向外伸展的横架上，横架长2米。水面的基准位置为当地的最高潮位和平均浪高之和。辐射表距标准水面约4m。水温表吊在水面浮板上，分别在水面以下0.1米和0.5米、1.5米、3米。测量表层温度的红外温度表安装在2米高度上（对于海洋根据海浪高度确定）。备注：因塔体的不同情况和下垫面状况，为减少对脉动仪器和辐射仪器的影响，也可在塔体附近建立脉动仪器和辐射仪器的观测小塔，安装高度不变。近地层通量观测仪器安装高度示意图见图3.1和表3.3。图3.1 近地层通量观测系统结构示意图表3.3仪器安装要求仪器安装高度误差基准部位空气温度传感器2m 4m 10m 20m 30m5cm传感器顶端空气湿度传感器2m 4m 10m 20m 30m5cm感应部分中心风速传感器2m 4m 10m 20m 30m5cm风杯中心风向传感器10m 方向正南（北） 5cm5风标中心方位指南（北）螺丝四分量辐射传感器2m 5cm传感器中心光合有效辐射传感器2m 5cm感应平面红外表面温度传感器2m5cm镜头气压传感器1.5m5cm传感器土壤热通量热通量板5cm 2cm感应部分中心土壤温度传感器深度5cm 10cm 15cm 20cm 40cm 2cm传感器探针土壤湿度传感器深度10cm 20cm 50cm 100cm 180cm 2cm传感器探针三维超声风温仪4m朝当地主风向5cm感应部分中心二氧化碳水分分析仪4m 与水平面成60角5cm气路中心空气温湿度传感器4m5cm感应部分中心3.5.3 传感器安装方法（1）风速、风向观测仪器：风速传感器的风杯感应部分高度必须与同层的温湿度传感器的感应部分在一起。风速、风向传感器固定在测风臂上，距离塔身有一定的要求。对于珩架型测风塔，距离要求为直径结构的2倍以上，对于圆柱形铁塔，距离要求为直径6倍以上的，测风臂与主导风向成90，并进行水平校正。（2）空气温度传感器：空气温度传感器安装在防辐射罩内，感应元件的顶端为基准部位。传感器与电缆的连接固定牢靠。（3）空气湿度传感器（湿敏电容湿度传感器）：湿敏电容传感器应安装在防辐射罩内，传感器的中心点为基准部位。（4）辐射传感器：传感器应安装在具有代表性的地方。安装支架时，应注意安装方位在一天中的任何时刻都不能有阴影罩在传感器上。在北半球，传感器应安装在支架的南方。为了避免设备遮挡土壤表面产生的影响，提高测量的空间平均性，建议传感器安装在距地表至少1.5米高处。如果设备安装在距地表H米处，那么位于底面的传感器99%的输入信号来自一个半径为10H的圆形区域。半径小于0.1H的阴影或表面扰动，将会导致至少1%的测量误差。建议传感器安装在距其他设备至少7.5米远的单独的立杆上。通常采用紧固托架安装传感器，步骤如下：选取合适的高度，安全的地点，把紧固托架安装在立杆上；把传感器的安装臂插进紧固托架安装孔内；调节传感器的水平和竖直位置，使水平仪内的气泡位于空腔的中心位置；应注意不要通过旋转传感器的头部来调节水平，这样会损坏传感器，应调节紧固托架上的固定螺丝，将传感器固定在适当的位置。（5）光合有效辐射传感器：传感器采用一个基础水平校正仪校正水平。一般有一个水平仪和三个调节螺丝，调节三个调节螺丝，使水平仪内的气泡位于空腔的中心位置。基础水平校正仪可直接安装在三角架或塔上。（6）红外地表温度传感器：传感器由固定托盘固定在铁塔或三脚架上，托盘上的固定卡可以调整传感器的目标方向。为了确保红外温度计的可视测量区域为有代表性的下垫面,需要使温度计偏转一个角度以便于测量的准确.（7）气压传感器：气压传感器一般安装在数据采集器防水箱内，气压传感器必须把感应管引出到大气环境中，并做好消除风扰动的处理。（8）土壤热通量传感器：传感器直接放置在被测点，尽量水平，注意传感器上标示的“此面向上”标志。（9）土壤温度传感器（PT100铂电阻温度传感器）：在安装地点做出剖面，温度传感器横向插入需要测量的土壤中即可。（10）土壤水分传感器（时域土壤水分传感器）：探针可以垂直插进土壤里，也可以埋在表层土壤里。探针的安装方法直接影响测量的精度。安装时应尽可能使两个探针平行，保持原设计几何尺寸。建议采用专用安装工具辅助安装传感器，保持研究对象的原始结构成份，避免或减少影响。（11）三维超声风温仪：传感器都配有专用的安装支架，传感器朝向主风向，安装时要拿稳超声探头的尾部，用扳手固定万向节即可。因三维超声风温仪需测量风速三个方向的分量，因此三维超声风温仪安装时对水平有很严格的要求，水平仪内的气泡位于空腔的中心位置。（12）红外H2O/ CO2分析仪：分析仪探头稍倾斜，以便降雨时水滴能方便滑落，建议分析仪与超声风速仪的感应部位选在同一高度，相距20至30厘米。3.6 外围设备3.6.1 外围设备组成（1）根据不同的需要，配置防雷装置、采集器、系统电源、通信接口、计算机、打印机、显示器等；（2）需要配备维护装备见表3.4。表3.4维护装备装备用途和要求绳索用于标定、更换、维护仪器，应确保绳索长度大于铁塔高度2.5倍。滑轮用于安装绳索，吊取仪器。望远镜用于从塔下观察传感器状态。人字梯用于安装高度较低的传感器维护、拆卸，工作高度应不低于4米。工具箱常见维护工具，能够修理电路和计算机等设备。便携工具包用于传感器拆卸、安装。3.6.2 系统电源（1）近地层通量系统具备高稳定性、无干扰的系统电源。在有市电的地方，使用市电，并对备用电池浮充电，以备市电出现故障时使用。若使用计算机，同时配备不间断电源（UPS）和后备电池。在无市电的地区，近地层通量系统可用电池供电，这时，可使用辅助电源对电池充电。可作辅助电源的有：柴油或汽油发电机、风力发电机、太阳能电池板等；（2）没有市电的地方，应采用电池作为电源，此时，常配有辅助电源，并用辅助电源对电池充电。常用的辅助电源可以是太阳能电池、风力发电机、柴油或汽油发电机等，应保证断电5天内能维持近地层通量系统（包括传感器、数据处理、存贮和发送等）的正常工作；（3）12伏直流电是采集器的基本电源电压，采集器中其他电压电源应由此转换而成。3.6.3 通信接口（1）采集器配置RS-232通讯接口，RS-485通讯接口和RJ-45接口。（2）RS-232通讯接口既可以支持本地通信，又可以通过扩展其它通信设备实现远程通信。（3）RJ-45接口支持TCP/IP协议，并可通过光纤转换器实现光纤高速通信。3.6.4 外围设备安装与连接为了防雷、防鼠、防水和安装、维修方便，电缆应穿入电缆管内，电缆管应安置在电缆沟内。电缆沟要求便于排水、通风，两侧应砌砖墙，砖墙壁上预设安置电缆管的金属支架（或金属挂钩），为防止电缆被积水浸泡，安置电缆的金属支架（或金属挂钩）距离地沟底的高度以不小于30厘米左右为宜，沟的深度以便于安装电缆和防止大雨后积水为宜。不宜建电缆沟的台站，也可采用埋电缆管和修建电缆井的方法铺设电缆。电缆不能架空架设。3.6.5 采集器、电源、计算机与打印机等的安装 采集器、电源、计算机和打印机等的安装位置以便于操作为原则。3.6.6 避雷装置按照地面气象观测规范建设。第4章 近地层通量观测系统软件和算法4.1 系统软件近地层通量系统的系统软件包括采集软件和业务软件。为了实现组网和远程监控，还须配置远程监控软件，在业务大平台上来实行这个功能。4.1.1 采集软件采集软件由厂家提供，内置于采集器中，主要功能包括：（1）接受和响应业务软件对参数的设置和系统时钟的调整（时钟也可在采集器上直接调整，但必须保证采集器和计算机时钟一致）；（2）实时和定时采集各传感器的输出信号，经计算、处理形成各气象要素值；（3）存储、显示和传输各气象要素值；（4）运行状态监控；（5）支持采集器的数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能。（6）易于安装、设置、操作。可通过各通讯接口、GPRS、电台等通讯方式对数据进行实时查看，短时间实时数据曲线趋势查看。可指定时间间隔、数据条数进行人工、自动下载数据。4.1.2 业务软件业务软件根据近地层通量观测系统的需要编制。其主要功能包括：参数设置、实时数据显示、定时数据存储、数据维护、数据初步质量控制、报表编制，按照近地层通量观测系统采集数据文件格式形成统一的数据文件等。可对采集软件下载的数据进行数据文件生成、数据查看、数据完整性检查。4.1.3 软件安装（1）采集软件已由厂家在设备出厂前安装在采集器中。（2）在终端计算机上安装业务软件，安装法按照业务软件技术操作手册进行，运行前需进行初始化，初始化的主要内容包括：对时（设定和修改采集器、计算机时钟）；设定系统管理权限；设定台站基本参数。4.2 采样和算法4.2.1 采样顺序（1）气温、湿度、降水量、风向、风速、气压、地温、辐射、日照、蒸发。（2）三维超声风温仪和红外气体分析仪的数据采集同步进行，要求采集器支持并发扫描。4.2.2 采样频率和算法（1）气温、湿度、气压、地温、辐射、土壤温度、土壤热通量，土壤含水量的采样速率为每分钟6次，去掉一个最大值和一个最小值，余下的4次采样值求算术平均值作为瞬时值。风向、风速的采样速率为每秒钟1次，求3秒钟、2分钟、10分钟的滑动平均值。3秒钟的平均值为瞬时值；（2）脉动风速、虚温和脉动水汽二氧化碳浓度的高频量采集频率一般为10Hz,个别可以采用20Hz；（3）降雨量、蒸发量和日照时数的采样速率为每分钟1次。平均值在等事件间隔内取得，时间间隔不能超过传感器的时间常数；（4）多种通量初级产品作为基本输出量需要经过复杂计算获得，较多地采用矢量合成算法和累计求和的方法。附件中进行了详细说明。4.2.3 运算周期（1）基于通量观测目的来确定适宜的数据平均周期，对于H2O/CO2通量计算，取30 min 的平均周期；（2）如果为了评估其它特征的影响，也可以使用其它的平均周期；（3）所采用的周期满足以下要求：可以分辨H2O/CO2通量日变化特征；可以分辨短周期的零星事件的影响；可以捕捉大部分的低频通量成分。4.3 时制、日界和对时4.3.1 时制观测项目均采用北京时。4.3.2 日界北京时20时为日界。第5章 仪器维护和标定5.1 日常工作（1）小时工作 每两小时要查看数据采集器的显示屏或业务软件显示的实时观测数据是否正常。（2）每日工作每日20时后必须利用业务软件的缺测功能，认真检查当日数据文件是否齐全，每个文件内容是否完整，每条记录是否有缺测内容。每日至少到场地巡视一次，进行铁塔仪器检查和运转状态记录。应始终保持传感器半球形辐射窗的清洁。可以用棉球轻轻擦拭，注意避免划伤。检查H2O/ CO2分析仪的光路状态，保持光路清洁。通量观测使用采集器的内部时钟为观测时钟；采集器与计算机每小时自动对时一次，保持两者时钟同步；值班员每天上午检查屏幕显示的计算机时钟，对照北京时间（可以对照国家授时中心网站显示时间：），确保误差在10秒之内。超出误差需要人工调整计算机时间，并进行记录，调整后时间准确度小于2秒。对于计算机规律性出现走时不准，每调整后两天误差超过10秒者为计算机故障，需要检修，或更换计算机。（3）每月工作应详细记录台站观测塔下垫面及其周围作物的生长和变化，如作物发育期高度、密度，耕作等信息。填写下垫面植被发育状况表（见附表）。备份标准格式数据，详见数据维护。更换CF卡并拷贝备份数据，详见数据维护。检查数据采集器内干燥剂，需要时进行更换。（4）每年工作湿敏电容传感器的头部有保护滤纸，防止感应元件被尘埃污染。每月应拆开传感器头部网罩，若污染严重应更换新的滤纸。禁止手触摸湿敏电容，以免影响正常感应。其表面应经常保持清洁、干燥。巡视设备仪器时，如发现传感器上有灰尘或水，须立即用干净的软布轻轻拭去。维护时间应在地面记录表中说明。经常观察风杯和风向标转动是否灵活、平稳。发现异常时，换用备份传感器。每年定期维护一次风传感器，清洗风传感器轴承；检查、校准风向标指北方位。更换分析仪的内部干燥剂。5.2 外围设备的检查维护每周用毛刷清洁采集器、UPS电源、计算机、打印机。每月检查各电缆是否有破损，各接线处是否有松动现象。每月检查供电设施，保证供电安全。每年春季对防雷设施进行全面检查，对接地电阻进行复测。5.3 技术人员定期巡检每三个月派技术人员到现场检查维护。定期检查、维护的情况应记入值班日志中。5.4 传感器的维护每天检查传感器，对低于4米的传感器，根据实际需要进行维护时按照以下要求进行操作。对于高于4米的传感器，结合观测数据，在地面观察其运行状况，发现异常进行详细记录，并通知省级保障中心和中国气象局大气探测技术中心,由上级部门负责计划和组织。5.4.1 红外地表温度传感器保持镜头清洁，否则测量的温度有可能是障碍物的而不是所要测量物体表面的。使用软棉签蘸取水或者酒精仔细清除镜头表面的尘土和污渍。盐沉积在弱酸（0.1mol）条件下溶解的比较好。5.4.2 空气温湿度传感器 四米以下传感器每月检查一次防辐射罩及传感器底部的旋紧塞，确信其完好无损。过滤膜可轻轻的在蒸馏水里洗净。如果有必要，过滤膜罩也可拆下清洗。注意清洗时不要划伤过滤膜罩。相对湿度传感器不应长期暴露在某些化学物质和气体中，否则将会影响传感器的特性，缩短其寿命。5.4.3 风速风向传感器每月，对每个传感器进行外观检查，对其在低速下风杯的旋转进行检查。是否旋转自由，检查外观是否正常，安装是否紧固。半年，如果操作在非常恶劣的环境，需要更换轴承；一年需更换轴承；二年需更换风向标的电位计和轴承。5.4.4 辐射传感器 玻璃罩表面检查：连续工作的辐射表每天至少检查一次，检查内容主要看玻璃罩是否清洁。如出现冰雪、霜、露等应利用镜头纸设法轻轻除去这些沉积物。水平状态检查：如果传感器不水平，将其调整到水平状态。干燥剂检查：如果干燥剂显示为粉红色，更换干燥剂。5.4.5 光合有效辐射 传感器表面检查：连续工作的辐射表每天至少检查一次，检查内容主要看传感器表面是否清洁。如出现冰雪、霜、露等应设法轻轻除去这些沉积物。水平状态检查：如果传感器不水平，将其调整到水平状态。5.4.6 超声风速仪 主要检查传感器的感应头之间是否有杂物，例如蜘蛛网等，需人工进行清除，应尽量避免接触传感器探头，超声风速仪清理的起始和结束时刻需在地面记录中给与说明。注意雨天的水滴可以通过防雨滴网留下来，不用人工去除。5.4.7 红外CO2/H2O分析仪光路的清结：主要检查分析仪的光路是否清洁和无阻挡（图4-1），查看监控界面，如果系统的AGC值大于65，那么就需要检查系统的光路，尤其是在雨后、大风天后以及在沙尘暴结束后，及时用镜头纸擦拭镜头，去除光路间杂物，红外CO2/H2O分析仪清理的起始和结束时刻需在地面记录中给与说明。检查镜面是否清洁和光路无阻挡 图4-1 传感器的清洁部位干燥剂的更换：在分析仪内部有2个塑料瓶，内部装有苏打粉和高氯酸镁（图4-2）。用来保持分析仪内部的检测室内没有水汽和二氧化碳。 大约需要一年左右，内部的化学物品需要更换。更换步骤详见使用手册。 图4-2 干燥剂位置5.5 标定5.5.1 采集器的标定数据采集器根据其要求间隔进行标定，标定期间需要同时检定模拟量的传感器，一些公司的标定间隔写在采集器上面，一些公司的标定间隔不确定，一般不应超过三年。同时，检查电池电量等部件。5.5.2 常规传感器的标定温度传感器，湿度传感器，风速风向传感器，气压传感器，土壤温度传感器，辐射传感器，根据需要进行检定，其中辐射传感器采用送检方式。检定时间按照地面气象观测规范进行。如果采集器被检定，那么模拟量的传感器也需要被同时检定。5.5.3 分析仪的标定分析仪在出厂前有两个主要的标定内容，一个是分析仪的标定系数的数值，这个数值在出厂前已经做好标定，其有效期可以达到数年。另一个是设置分析仪的零点和SPAN，在出厂前也已经做好，这个标定是至少找到2点zero（零点），和跨距(span)来修正漂移，内部化学干燥剂的影响。至少每半年作一次标定，详细标定方法见附件Li7500分析仪标定方法。第6章 数据质量控制6.1 数据的完整性检查6.1.1 文件的数量检查该系统是一个复杂综合的观测站，数据文件的种类达10个以上，含有风能站的文件每日将增加51个，每月初第一日增加54，不含有风能站的每天将增加25个，每月初第一日增加27个，检查每个文件的存在也是一项复杂的工作。 6.1.2 文件的完整性检查文件齐全了，每个文件的记录是否完整，每个记录是否有缺测数据，业务软件提供某些功能可以协助进行数据缺失检查。如出现连续缺测（超过一小时），应在观测记录中注明，并尽量详细介绍可能出现的原因。6.2 测量值合理性检查（1）观测人员应对数据的量级、变化规律、相互关系较为了解，否则无法完成数据合理性检查的任务。观测员可以运用业务软件通过绘制折线图，风玫瑰图进行检查（详细介绍见软件说明书）；（2）各观测站应参照当地气候极值情况作出更具体范围。参考范围见表6.1。表6.1 观测数据量值参数变量(中文)单 位时间步长参考范围空气温度oC 30 min -90;70 相对湿度% 30 min 15;100 净辐射Wm-230 min -200;900 总辐射Wm-230 min 0;1200 短波反射辐射Wm-2 30 min 0;1200 天空长波辐射Wm-230 min 200;300 地面长波辐射Wm-2 30 min 直接辐射molm-2 s -1sub-daily 0;2200 散射辐射Wm-230 min 0;1200 UV辐射mWm-2 30 min 0;20 UVA辐射mWm-2 30 min0;20 UVB辐射mWm-2 30 min0;3 光合有效辐射molm-2 s -130 min 0;2200 风速ms -1 30 min 0;30 风向度30 min 0;360 降水mm 30 min 0;15 露点温度oC 30 min -80;50 土壤碳通量molm-2s -1 30 min 0;20 土壤热通量Wm-2 30 min -50;150 土壤温度oC 30 min -30;30 土壤含水量%30 min 0;70 二氧化碳通量mgm-2s -130 min -5;5 感热通量Wm-230 min -150;700 水汽通量gm-2s -130 min -10;15 潜热通量Wm-230 min -150;700 动量通量Kgm-1s -230 min 0;1 6.3 一致性检查6.3.1 测量值时间一致性检查（1）验证瞬时值的变化率，检测不真实的尖峰或跳变值，或传感器损坏。（2）如果当前的瞬时值与前次的值的差异大于给定的界限，该瞬时值未通过检验，并应标记为有疑问（怀疑）。在观测记录中给于说明。（3）检查瞬时值测量的最大允许变化，参考表6.2。变化达于参考值，可能是由传感器故障引起的，应在观测记录中给于说明。表6.2 瞬时值测量的最大允许变化量参量可疑界限错误界限气温3露点温度23；454地表温度5105cm土壤温度0.5110cm土壤温度0.5120cm土壤温度0.5150cm土壤温度0.30.5100cm土壤温度0.10.2相对湿度510气压0.5hPa2hPa2分钟平均风速10m.s-120m/s太阳辐射（辐照度）800W/m21000W/m2（4）检查瞬时值测量的最小变化，参考表6.3。变化小于参考值，可能是由传感器故障引起的，应在观测记录中给于说明。表6.3 60分钟内测量值的最小变化量参量最小变化量气温0.1露点温度0.1地表温度0.1相对湿度1气压0.1hPa2分钟平均风速0.5m.s-1风向10o6.3.2 内部一致性检查参考表6.4所列出的两个要素的关系做内部一致性检查。如果这个值未能通过内部一致性检验，则在观测记录中应标记为不一致。表6.4 要素一致性一致性关系露点温度气温风速 = 00 ， 风向 =C；风速0，风向0o日照时间 0，太阳辐射 0太阳辐射 500 Wm-2，日照时间06.4 数据的变化规律检测每天要对观测数据进行初步的规律和范围检查，发现异常应进行记录，并检查传感器是否正常工作。数据检查可以通过绘制曲线图对数据进行初步检查。曲线包括二氧化碳通量曲线、感热与潜热通量曲线、动量通量、摩擦速度曲线、二氧化碳与水汽浓度曲线和三维风速曲线、风速的梯度曲线、温度的梯度曲线、水汽压的梯度曲线、土壤温度的梯度曲线、土壤湿度的梯度曲线、净辐射和土壤热通量的规律曲线等。一般性的变化曲线见附录。6.4.1 二氧化碳通量曲线在植被覆盖地区生长季节，白天由于植物光合作用吸收二氧化碳，其通量为负，夜晚为正。在荒漠地区，二氧化碳通量在零点附近浮动。在海洋下垫面，二氧化碳通量常年为负值。6.4.2 感热与潜热通量曲线白天下垫面受热升温，冠层及其内部温度高于冠层上部的温度，空气受热膨胀上升，而上部的冷涡度向下运动，实现显热的湍流交换，因此白天的显热通量为正值。在夜间，下垫面强烈辐射降温，特别是在冠层的某个高度上，温度达到极小值，此处甚至会出现逆温。在这种情况下，冠层及其内部温度为低值区，其上的气温为高值区，上下湍流交换的结果表现为显热通量为负值。潜热通量指地表液态水相变为气态，单位面积所吸收的热量。晴天白天地面水分蒸发吸收热量潜热通量为正，夜晚地面水汽凝结释放热量潜热通量为负，夜晚无水汽凝结或较少时，该测量值近似为零。6.4.3 二氧化碳与水汽浓度曲线一般在植被覆盖地区生长季，白天由于植物光合作用对二氧化碳吸收，夜晚释放，白天浓度小于夜晚。在荒漠地区和海洋下垫面，二氧化碳浓度有季节变化。整个曲线的变化范围应符合一般性合理性变化的要求。水汽浓度表征空气中的水汽含量，应与相对湿度变化一致。6.4.4 三维风速曲线垂直风速较小，一般小于0.2m/s。6.4.5 样本数量曲线样本数指半小时参与湍流通量计算的原始数据量，该数据至少大于9000，一般大于17000。6.4.6 AGC数据曲线此数据表征了红外H2O/ CO2分析仪光路状态。此值应小于65%。第7章 数据管理7.1 采集数据文件标准格式见附录近地层通量观测系统采集数据文件格式。7.2 CF卡数据（1）观测人员应了解储存卡的容量与可存储的时间。三个数据采集器各配备1GB存储卡，通量数据通常可以存储32天，风能数据最多可以在卡里存储26天，梯度站的数据可以存储1年以上；（2）为了使更换CF的时间统一，要求每半月拷贝一次CF卡数据到计算机，并按照7.4节的规定管理这些数据。7.3 上传数据文件（1）每半小时实时上传的数据用于国家级和省级实时监控，由业务软件实现自动上传功能；（2）文件只需要上传日文件，小时文件，对应的近地层通量观测系统采集数据文件内部2个文件（其中部分站有风能观测，需增加风能数据文件），见表7.1；（3）每日定时上传的数据用于国家级和省级数据业务应用与存档，由业务软件实现；每日中午前上传数据文件，需要上传近地层通量观测系统规定格式文件见表7.2。表7.1 实时上传通量观测系统数据文件分类文件名称内容湍流数据PBL_FLUX_S_IIiii_YYYYMM.TXT全月逐日每半小时通量数据文件，每站每月一个梯度数据PBL_VG_M_IIiii_YYYYMMDD.TXT梯度观测分钟数据文件，每站每日一个风能数据PBL_WE_USM_IIiii_YYYYMMDD.TXT风能观测的三维超声风温仪统计得到的每10分钟平均值的数据文件，每站每日一个PBL_WE_M_IIiii_YYYYMMDD.TXT风能观测的每日逐分钟风资料数据文件，每站每日一个表7.2 每日定时上传通量观测系统数据文件分类文件名称内容湍流数据PBL_FLUX_O_IIiii_YYYYMMDDHH.TXT逐时高频采样数据文件，每站每时一个PBL_FLUX_S_IIiii_YYYYMM.TXT全月逐日每半小时通量数据文件，每站每月一个梯度数据PBL_VG_M_IIiii_YYYYMMDD.TXT梯度观测分钟数据文件，每站每日一个PBL_VG_FT_IIiii_YYYYMM.TXT全月逐日每半小时梯度观测要素值，每站每月一个风能数据PBL_ WE_USO_ IIiii_YYYYMMDDHH.TXT通量观测系统中用于风能观测的三维超声风温仪采集得到的高频采样（10Hz）的数据文件，每站每时一个PBL_WE_USM_IIiii_YYYYMMDD.TXT通量观测系统中用于风能观测的三维超声风温仪统计得到的每10分钟平均值的数据文件，每站每日一个PBL_WE_M_IIiii_YYYYMMDD.TXT通量观测系统中用于风能观测的每日逐分钟风资料数据文件，每站每日一个PBL_WE_FT_IIiii_YYYYMM.TXT通量观测系统中用于风能观测的全月逐日逐小时风资料数据文件，每站每月一个7.4 数据文件备份管理（1）标准数据文件以及CF卡指定数据文件在台站进行数据存储归档。同时，为保证数据安全，可以逐日进行备份；（2）数据可以在监控室进行存储，以便于操作员进行监控维护和初步数据质量检查。并进行数据管理；（3）要求站点对数据进行双重备份，备用介质可全部采用硬盘方式或者其中一份采用刻录光盘方式进行备份；（4）数据都按照指定格式（近地层通量观测系统采集数据文件格式）和CF卡的原始数据格式备份。每月需要备份的文件见表7.3。表7.3 标准格式文件和CF卡数据文件分类标准格式下载文件CF卡数据拷贝文件数量介绍文件名数量文件名湍流观测每月（672744）个PBL_FLUX_O_IIiii_YYYYMMDDHH.TXT每月一个Ts_data.dat每月1个PBL_FLUX_S_IIiii_YYYYMM.TXT每月一个flux.dat梯度观测每月（2831）个PBL_VG_M_IIiii_YYYYMMDD.TXT每月一个tidu_min.dat每月1 个PBL_VG_FT_IIiii_YYYYMM.TXT每月一个Tidu_hour.dat风能观测每月（672744）个PBL_WE_USO_ IIiii_YYYYMMDDHH.TXT每月一个WE_10Hz.dat每月（2831）个PBL_WE_USM_IIiii_YYYYMMDD.TXT每月一个WE_10min.dat每月（2831）个PBL_WE_M_IIiii_YYYYMMDD.TXT每月一个WE_1min.dat每月1个PBL_WE_FT_IIiii_YYYYMM.TXT每月一个WE_1hour.dat（5）通量数据存储应按照要求建立结构分明的文件目录。推荐目录结构如图7.1和图7.2。风能标准格式数据梯度标准格式数据湍流标准格式数据风能CF卡格式数据梯度CF卡格式数据湍流CF卡格式数据01月份标准格式数据02月份01月份CF卡数据02月份标准格式下载数据CF卡格式拷贝数据2007根目录近地层通量观测系统2008图7.1 通量数据存储目录结构图7.2 标准格式下载文件月子目录风能站标准格式数据目录附件1 通量系统的基本原理通量观测获取的基本方法有涡动协方差法(Eddy Correlation)、波文比能量平衡方法(Bowen Ratio System)和空气动力学方法(Aerodynamic method) 等，其他还有遥感法等，涡动协方差方法获得的通量具有假设条件少,直接测量获得，是目前获得通量比较理想的方法，在均匀平坦的下垫面下可以直接为业务通过使用的数据。为了保证观测实验取得合理和可靠的数据，在进行数据检验时尽可能三种方法并用。1利用涡动协方差法观测通量在近地层，由湍流理论，感热通量，潜热通量，二氧化碳通量以及动量通量可表示为：其中为空气密度，为空气定压比热，是单位质量水汽的蒸发潜热。根据以上原理，设计涡动协方差系统为近地层通量观测的组成之一。2利用空气动力学方法观测通量利用空气动力学方法计算动量通量（）、感热通量（）和潜热通量（）的表达式为：其中，为大气密度，为空气的定压比热容，是水的汽化潜热，是摩擦速度，是湍流特征温度，是特征比湿。系统采用两个高度的温度和湿度资料和一个高度的风速资料分别计算、和，具体：其中，Von Krmn常数取；为地表粗糙度，为零平面位移；，为Obukhov长度；、和分别是风速、温度和湿度廓线的稳定度修正函数考虑湍流输