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渦動協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)(渦動)

描述:渦動協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)(渦動) 渦動協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)(渦動)

  • 產(chǎn)品廠地:北京市
  • 廠商性質(zhì):代理商
  • 更新時間:2021-11-24
  • 訪問量:820
產(chǎn)品介紹/ PRODUCT PRESENTATION
渦動協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)(渦動)
渦動協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)(渦動)采用渦動協(xié)方差系統(tǒng)測量H2O、CO2和熱通量,可以計算出顯熱通量、潛熱通量和二氧化碳通量,副產(chǎn)品有動量通量和摩擦風(fēng)速等。 
主要系統(tǒng)部件:

數(shù)據(jù)采集器,三維超聲風(fēng)速儀,開路二氧化碳/水汽分析儀或氪濕度計,空氣溫濕度探頭,短波輻射表,長波輻射表,凈輻射表,雨量桶,光合有效輻射傳感器,紅外表面溫度探頭,土壤含水量探頭,土壤熱通量板,土壤溫度探頭,土壤平均溫度探頭等。

渦動協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)(渦動)

可測量的變量:
風(fēng)和溫度
CO2 H2O 摩爾密度
儀器組成及原理:
渦動協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)(渦動)由數(shù)據(jù)采集器和超聲風(fēng)速儀、CO2/H2O分析儀等組成。
數(shù)據(jù)采集器控制整個系統(tǒng)的測量、采集、數(shù)據(jù)運算及存貯。
三維超聲風(fēng)速儀測量空氣的三維風(fēng)速及超聲虛溫,開路分析儀測量空氣中的CO2H2O氣體含量,這兩種傳感器測得的數(shù)據(jù)構(gòu)成了渦動協(xié)方差系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器在線計算或研究者離線處理,可得到CO2通量、潛熱通量、顯熱通量、空氣動量通量、磨擦風(fēng)速等,這些特征是用于渦動協(xié)方差研究的主要參量。
在渦動協(xié)方差研究中,還有必要測量研究區(qū)域的能量平衡。太陽輻射(向下短波輻射,及DR)進入地球大氣層,經(jīng)過直射、散射、轉(zhuǎn)化等機制作用后,在大氣中形成既有向下的短波輻射(DR)和長波輻射(DLR),也有向上的矮波輻射(UR)和長波輻射(ULR)。在這個系統(tǒng)中,四分量凈輻射傳感器測量了這些輻射分量和總的結(jié)果(凈輻射Rn);熱通量板測量約5cm處的土壤熱通量,平均熱電偶探頭用于測量土壤儲熱,土壤含水量探頭用于測量土壤中的水的儲熱;這些量和渦動協(xié)方差系統(tǒng)所測的顯熱及潛熱,用于考察研究區(qū)域的能量平衡。
由于開路分析儀和三維超聲風(fēng)速儀各自的測量機制,它們的測量都容易受降雨影響,光合有效輻射傳感器所測數(shù)據(jù)可用于CO2通量的后期修正。
 渦動協(xié)方差及能量平衡系統(tǒng)(渦動)
系統(tǒng)配置及簡要介紹:
一般情況下,系統(tǒng)包括以下儀器和部件;實際應(yīng)用于中,常根據(jù)用戶具體測量要求調(diào)整配置。
近地面層通量觀測系統(tǒng)是國家氣候觀象臺氣候綜合探測系統(tǒng)的一個重要組成部分,是用于測量地氣交界面附近輻射通量、能量通量、物質(zhì)通量、土壤熱通量和氣象要素分布梯度的綜合觀測系統(tǒng)。主要包括近地層大氣溫度、風(fēng)、濕度、氣壓、降水量、蒸發(fā)量、土壤溫度、土壤濕度、土壤熱通量、輻射、物質(zhì)通量(水汽、碳通量)觀測及熱量、動量通量等要素觀測,以此來獲取不同代表性下墊面區(qū)域上大氣邊界層的動力、熱力結(jié)構(gòu),多圈層相互作用過程中各種能量、物質(zhì)交換的相關(guān)信息。
 
近地面層介紹
0 - 100m以下氣層(包括粘性次層)稱為近地面層,這一層大氣受下墊面不均勻影響,有明顯的湍流特征;近地層通量觀測核心是了解水循環(huán)和碳循環(huán)過程機理、變化趨勢以及調(diào)控管理的綜合研究。近地層通量觀測主要是水汽和碳通量,并同時進行近地層大氣溫度、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、動量通量、物質(zhì)通量等要素觀測,以獲取不同代表性下墊面區(qū)域近地層動力、熱力結(jié)構(gòu)及其各類能量收支、物質(zhì)交換等多圈層相互作用過程綜合信息。
通過獲取典型生態(tài)系統(tǒng)地-氣間顯熱、潛熱、動量通量和CO2通量的長期觀測數(shù)據(jù),為氣象部門開展氣候系統(tǒng)模式的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);為**系統(tǒng)地開展典型生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)過程與小氣候、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制的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);為短期氣候趨勢預(yù)測、氣候變化影響評估等工作提供基礎(chǔ)性資料;研究應(yīng)用微氣象法進行生態(tài)系統(tǒng)對地-氣間顯熱、潛熱、動量通量和CO2通量影響的長期觀測的技術(shù)和方法。
近地層通量按照不同的下墊面可分為陸氣、海氣兩種類型,是開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等陸氣、海氣過程觀測的通量站。
通量系統(tǒng)介紹
該系統(tǒng)由梯度觀測系統(tǒng)、渦動協(xié)方差系統(tǒng)及監(jiān)控計算機、通訊網(wǎng)絡(luò)、供電系統(tǒng)組成。
梯度站觀測系統(tǒng)組成
由包括空氣溫度/相對濕度/風(fēng)速梯度觀測、輻射觀測及土壤觀測等組成常規(guī)的背景觀測系統(tǒng),包括:
1個數(shù)據(jù)采集器和1個測量通道擴展板
1個機箱
5層空氣溫濕度傳感器
5層空氣溫度傳感器
5層風(fēng)速傳感器和1層風(fēng)向傳感器
1個凈輻射、光合有效輻射及紅外表面溫度傳感器安裝在4米處
5層土壤溫度
5層土壤水分
3個熱通量板
 
開路渦動協(xié)方差系統(tǒng)的組成
開路渦動協(xié)方差系統(tǒng)應(yīng)用渦動協(xié)方差技術(shù),測量研究區(qū)的CO2通量、顯熱通量、潛熱通量、動量通量和摩擦風(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
 
儀器布設(shè)的描述(見下表)

層數(shù)

高度

傳感器

測量參數(shù)

第五層

30

010C-1風(fēng)速傳感器,HMP45C空氣溫濕度,PT100

風(fēng)速,空氣溫度,相對濕度

第四層

20

010C-1風(fēng)速傳感器,HMP45C空氣溫濕度,PT100

風(fēng)速,空氣溫度,相對濕度

第三層

10

010C-1風(fēng)速傳感器,020C-1風(fēng)向傳感器,空氣溫濕度,PT100

風(fēng)速,風(fēng)向,空氣溫度,相對濕度

**層

4

010C-1風(fēng)速傳感器,020C-1風(fēng)向傳感器,HMP45C空氣溫濕度,PT100,三維超聲風(fēng)速儀,LI7500A二氧化碳水汽分析儀,CNR4凈輻射傳感器,LI190SB光合有效輻射傳感器,IRR-P紅外表面溫度探頭

風(fēng)速,風(fēng)向,空氣溫度,相對濕度,開路渦動協(xié)方差數(shù)據(jù),光合有效輻射,紅外地表溫度,太陽短波輻射,向上反射短波輻射,地球長波輻射,大氣長波輻射,凈輻射

**層

2

010C-1風(fēng)速傳感器,HMP45C空氣溫濕度,PT100

風(fēng)速,空氣溫度,相對濕度

 

1.5

PTB210大氣壓力傳感器

大氣壓力


土壤溫度

層數(shù)

深度

傳感器

測量參數(shù)

**層

5cm

PT100

土壤溫度

**層

10cm

PT100

土壤溫度

第三層

15cm

PT100

土壤溫度

第四層

20cm

PT100

土壤溫度

第五層

40cm

PT100

土壤溫度


土壤含水量


層數(shù)

深度

傳感器

測量參數(shù)

**層

10cm

CS616

土壤含水量

**層

20cm

CS616

土壤含水量

第三層

50cm

CS616

土壤含水量

第四層

100cm

CS616

土壤含水量

第五層

180cm

CS616

土壤含水量

土壤熱通量

層數(shù)

深度

傳感器

測量參數(shù)

**層

5cm

HFP01SC

土壤熱通量

 
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。
對于常規(guī)觀測系統(tǒng),由于其功耗相對較小,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)采集器相對應(yīng)的耐候機箱里,充電電源為220VAC轉(zhuǎn)換出的13.8VDC直流電源(電池箱中)。
對于開路渦動協(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上塔給開路渦動協(xié)方差系統(tǒng)供電由于系統(tǒng)中配置了交流電源,這會增加系統(tǒng)遭雷擊的可能性。因此,配備了一個交流防雷設(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,從機箱下的接線柱連接到鐵塔的接地樁上并且鐵塔對地電阻小于。
 
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,讓觀測人員能夠方便地更有效地維護系統(tǒng)、查看數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)可以配備兩套獨立的通訊系統(tǒng),通量站采用屏蔽雙絞線實現(xiàn)從監(jiān)控室到采集器的通訊。
485總線通訊
通過485多子站RS-485(一種通訊標準)通訊模塊,可以將系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器分別通過RS-485進行通訊。觀測人員從監(jiān)控室的PC上可以訪問到系統(tǒng)中的每一個數(shù)據(jù)采集器。RS-485總線既是查看數(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)、開路渦動協(xié)方差系統(tǒng)的通量數(shù)據(jù)和CO2/H2O廓線數(shù)據(jù))。
485模塊有RS-485RS-232CS I/O三個通訊端口,可以同時使用其中的任意兩個(需要先設(shè)置好)。在此,設(shè)置485模塊的通訊模式為“PakBus Networking",485RS-485端口為總線接口,其RS-232CS I/O端口為子站接口。采用PakBus協(xié)議的一個主要好處在于總線中的各個子站可以相互訪問。
 
CF卡數(shù)據(jù)備份
對于開路渦動協(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。開路渦動協(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,也保存到CF卡上。觀測人員需要定期更換CF卡。
 
監(jiān)控軟件與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件
通過軟件來完成設(shè)置調(diào)試運行工作, AFWS軟件來完成日常監(jiān)控數(shù)據(jù)分析查看等工作,LI7500A軟件完成開路渦動協(xié)方差系統(tǒng)的標定工作。
 
服務(wù)軟件
軟件完成采集測量程序的編寫、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,可以自動下載歷史記錄。通訊使用2進制格式命令,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)測系統(tǒng)開發(fā)的綜合監(jiān)控軟件,該軟件實現(xiàn)以下功能:
數(shù)據(jù)文件生成:自動生成所需要的4個數(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;
數(shù)據(jù)查看:通過表格文本等方式,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)測系統(tǒng)不同于一般的自動氣象站,具有數(shù)據(jù)量大,數(shù)據(jù)種類多,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。該軟件可以進行數(shù)據(jù)的圖表繪制,多個數(shù)據(jù)的比較,廓線圖、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。
 
LI 7500A軟件
主要用于設(shè)置資料的輸出模式、校正方式以便完成分析儀的標定工作。
 
數(shù)據(jù)格式
近地邊界層通量觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)文件包括由數(shù)據(jù)采集器處理后,通過終端計算機處理軟件直接存儲到計算機硬盤中的數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件分為湍流觀測、梯度觀測兩大類,其 中湍流觀測數(shù)據(jù)文件包括兩類:一類是用來計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)運算和處理;另一類是數(shù)據(jù)采集器在線計算得到的通量,以及計算通量運算中所需要的各種統(tǒng)計量,還包括能量平衡中常規(guī)傳感器的測量結(jié)果。梯度觀測數(shù)據(jù)除滿足《地面氣象觀測規(guī)范》的要求外,同時需滿足用于近地面邊界層能量收支平衡的分析處理。
 
近地邊界層通量觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)文件由以下文件組成。
湍流觀測
梯度觀測
 
儀器簡介
風(fēng)向風(fēng)速測量。
010C-1風(fēng)速傳感器(安裝在鐵塔的2、4、10、20、30米處)和020C風(fēng)向傳感器(安裝在鐵塔的10米處)是由Metone公司生產(chǎn)的一種高精度的水平風(fēng)速傳感器,具有測量精度高、啟動風(fēng)速低、可靠耐用等特點。
 
溫濕的測量。
HMP45C溫濕度傳感器包括一個鉑電阻溫度探頭(PT100)和一個容性相對濕度傳感器;PT1000高精度溫度傳感器是利用物質(zhì)在溫度變化時本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的,它們安裝在鐵塔的2、410、20、30米處。
 
CNR4凈輻射傳感器。
凈輻射傳感器用于測量日射和遠紅外輻射平衡,用于測量地表凈輻射。CNR4由四個靈敏度相同的傳感器組成。CNR4有兩個半球型180度視覺范圍的能量接收窗,一個朝上,一個朝下。CNR4被設(shè)計用來測量來自這兩個接收窗的能量。被測量的光譜范圍大概從0.33微米。這個光譜范圍既覆蓋了太陽光輻射,0.33微米,也包括了遠紅外輻射,550微米,在鐵塔的4米處。
 
IRR-P傳感器。
IRR-P是一種非接觸式傳感器,它通過感受物體發(fā)出的紅外線,來測量被測物體的表面溫度。IRR-P廣泛應(yīng)用于測量樹葉、帳篷的溫度以及平均表面溫度。一個單獨的熱敏電阻用來測量傳感器自身的溫度,以提高IRR-P的測量精度。在鐵塔的4米處。
 
LI-190SB光合有效輻射傳感器。
LI-190SB采用硅光電探測器測量太陽光輻射。在傳感器電纜里面有一個內(nèi)置電阻,將傳感器信號轉(zhuǎn)變?yōu)?span lang="EN-US">μV-mV電壓信號,可使數(shù)據(jù)采集器對其直接進行測量,在鐵塔的4米處。
 
PTB210大氣壓力傳感器
PTB210大氣壓傳感器是由Vaisala公司生產(chǎn)的一種高精度數(shù)字氣壓傳感器有模擬量輸出,有多種氣壓測量范圍可以選配,在鐵塔的1.5米處。
 
土壤溫度傳感器。
PT100鉑電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時本身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的。
 
土壤含水量傳感器。
CS616用來測量土壤或其他介質(zhì)含水量。CS616通過其探頭測得被測物體的介電常數(shù),從而算出含水量。CS616輸出量是一個方波,這個方波可以被采集記錄下來,然后通過計算和校正得出含水量,也可得出一個時期的含水量。
HFP01土壤熱通量傳感器。
傳感器由熱電堆和薄膜加熱器組成。
 
三維風(fēng)速儀(Windmaster,Windmaster Pro,R3-50R3-100 etc.
三維超聲風(fēng)速儀是垂直測量路徑為10cm,采用脈沖聲學(xué)模式工作,可以在惡劣天氣條件下的暴露工作。三相正交風(fēng)速分量(UxUy、Uz)和聲速(C)可以以*大60Hz的速度測量和輸出。提供模擬和數(shù)字兩種類型輸出??捎腥N模式激發(fā)測量:三維超聲風(fēng)速儀的內(nèi)部時鐘,PC機產(chǎn)生的RS232指令或數(shù)采的SDM指令,SDM通訊協(xié)議可以支持一個組激發(fā)器,從而可同步測量每個三維超聲風(fēng)速儀。
 
HMP45C空氣溫濕度傳感器(使用梯度站同一高度傳感器)(HMP155
用于測量空氣的溫度和濕度,在渦動協(xié)方差開路系統(tǒng)中用于修正通量值。
 
紅外CO2/H2O分析儀(LI7500A分析儀)。
LI-7500A CO2/H2O分析儀是高速的、高性的、開路式的CO2/H2O氣體分析儀,能夠在苛刻的空氣環(huán)境中測量CO2H2O的-概濃度大小。在渦度相關(guān)的研究中這些資料和風(fēng)速波動的資料相連,可以確定CO2H2O的流量大小。主要應(yīng)用在氣候變化和生態(tài)研究中,確定農(nóng)田或自然景觀等的CO2H2O的量。操作箱可以使LI-7500A的分析器和連接部分位于一個不受天氣影響的環(huán)境中,操作箱中密封的外部感測器允許電源、RS-232DAC輸出、類比輸出,以用同步測量設(shè)備的介面與之相連。連接在控制箱上的是LI-7500A感應(yīng)器頭部,空氣動力學(xué)的圍欄覆蓋了分析儀的光學(xué)部分、紅外光源和探測器。LI-7500A是一臺-概的氣體分析儀,即是氣體通過分析儀頭部開放的路徑時,CO2H2O的-概濃度通過光源(感應(yīng)器頭部下面葉室)和探測器(感應(yīng)器頭部的上部葉室)之間吸收紅外輻射和的差異得到。
采集器的測量組成包括:控制電路,通訊端口,鍵盤顯示器,電源,手動傳輸。采集器的功耗很小,在野外可以由一個直流電源供電。
 
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