1.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。

例：梯度能量平衡監(jiān)測系統(tǒng)(不含塔)可增加渦動相關(guān)檢測系統(tǒng)

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個梯度機箱   1個渦動機箱

※ 5層空氣溫濕度傳感器

※ 5層風(fēng)速風(fēng)向傳感器

※ 1個凈輻射、光合有效輻射及紅外表面溫度

※ 5層土壤三參數(shù)  

※ 5個熱通量板

 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

2.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4Ω。

3.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(biāo)準(zhǔn)）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-485、RS-232和CS 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"，485的RS-485端口為總線接口，其RS-232或CS 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。

4.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，能量平衡EASYFLUX軟件完成開路渦動協(xié)方差系統(tǒng)的標(biāo)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（或別的格式，可調(diào)整）；

※ 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。

5.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。

6.參考文獻：

1.《烏魯木齊市氣象塔梯度觀測資料質(zhì)量控制與處理》金莉莉;何清;李振杰;繆啟龍;買買提艾力·買買提依明

2.沙漠氣象研究所**在一號冰川建立梯度探測系統(tǒng)-劉新春

3.天津氣象塔風(fēng)溫梯度觀測資料的統(tǒng)計特征-解以揚; 劉學(xué)軍

4.高原東南緣大氣近地層湍能特征與邊界層動力、熱力結(jié)構(gòu)相關(guān)特征-徐祥德; 王寅鈞; 趙天良; 姚文清

5.垂直速度對水汽垂直湍流通量交叉耦合效應(yīng)的實驗驗證-陳晉北; 胡隱樵; 呂世華; 余曄

6.納木錯(湖)地區(qū)湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和湍流通量變化特征-李茂善;楊耀先;馬耀明;孫方林;陳學(xué)龍;王賓賓;朱志鹍

;趙逸舟