通量觀測場

觀測高度要根據冠層的高度和風浪區(qū)的大小來決定。傳感器離開冠層高度越高，影響到觀測結果的上風側的地表面積就會越大，因此需要更長的風浪區(qū)。為了提高通量觀測的空間代表性，在能夠滿足風浪區(qū)要求的前提下，盡可能地提高觀測高度是比較好的。應盡可能避免在冠層附近觀測，這一點對森林生態(tài)系統(tǒng)的觀測特別重要。原因是森林粗糙度大，與草地相比對通量影響的面積狹長，如果不能正確確定觀測高度，所觀測的結果可能僅僅是測點附近的特異通量值。

在決定觀測高度的上限時，過去一般多采用風浪區(qū)與觀測高度(離冠層平均高度的距離)的比作為指標。一般希望這個比值在3%以下。最近，通量貢獻區(qū)(footprint)分析方法得到了應用，據此已經可以大致地評價通量觀測結果的空1司代表性。所謂通量貢獻區(qū)是表示上風向的地表面對觀測通量結果貢獻的權重系數，可用無限大的上風吹走距離積分表示，則其最大值為1。因此設定幾個參數，事前計算通量貢獻區(qū)，就可以作為決定觀測高度時的重要參考。

在一個通量觀測塔上需要安裝許多觀測儀器，必須注意各種儀器間可能產生的相互影響，以最小限度地減小對通量傳感器的影響，同時也要考慮不同系統(tǒng)間觀測數據相互校正和利用等對觀測高度的要求，在減少相互影響的前提下，盡可能保持梯度觀測與通量觀測高度的一致性。

在通量塔附近，需要搭建放置數據記錄器、數據采集、收藏工具和校正用的儲氣瓶等小屋或箱子，但搭建時必須注意不能擾亂觀測環(huán)境。如果設置在觀測塔的附近，觀測小屋的屋頂可能影響凈輻射、反射率或能量通量。另外，小屋作為分析儀器的工作間時，要將溫度和濕度調節(jié)在機器能夠正常工作的范圍內，可以利用隔絕輻射和通風換氣以防止高溫影響，利用絕熱設備以防止低溫影響。在進行換氣時，換氣口上應安裝防蟲網，若電力供給充裕也可以考慮利用冷卻器(cooler)和加熱器(heater)。在氣溫日較差大，收藏箱內的相對濕度增高的情況下，需要采取防止結露的措施(如利用除濕劑等)。

在安裝儀器時就必須考慮防止雷擊的問題。雖然不可能防止落雷，但可以將落雷產生的危害控制到最小。因為雷具有容易落在比周圍高的尖端物體上的特性，因此觀測塔很容易受到雷擊。雷的危害有直擊雷和誘導雷兩種。直擊雷就是雷直接落在觀測塔等物體上，產生10～100 kA的電流。直擊雷產生的危害荏大，成為火災的原因之一。而誘導雷是伴隨直擊雷流動的大電流產生非常強的電磁場在附近信號線和電源線發(fā)生瞬間的高壓電流的現象。由于脈沖電流使電氣儀器受到絕緣被破壞，功能停止、劣化等危害。為了避免或減輕雷擊的危害，最有效的手段就是安裝避雷針。在塔的頂端安裝避雷針，

使用電阻小的地線接地。另外，安裝避雷器(arrester)也有效果，將伴隨落雷產生的大電流經地線向大地放電。再者，為了使接地電阻變小，地線的安裝需要考慮如何使其與土壤的接觸面積變大等辦法。

通量塔的供電要盡可能地采用商用電源(AC)。隨著觀測技術的進步和研究工作的發(fā)展，觀測系統(tǒng)的電器的數量會不斷地增加，因此對電容量的設計應留有充分的余地。在森林內配線，最好將電源線放進保護管內埋設在地下，或者鋪設在地上，以避免倒木或落枝損傷和切斷。為防止停電和電壓不穩(wěn)，應準備好備用電源、儲蓄電和穩(wěn)壓設備。

在偏遠地方無商用電源時，可考慮使用專用發(fā)電機和太陽能電池。在利用發(fā)電機時，為了避免排氣中的高濃度CO2對通量觀測的影響，應該慎重地考慮風向和地形，在離塔足夠遠的地方安裝發(fā)電機。最好要準備備用發(fā)電機和蓄電池，以便在檢査維護作業(yè)和發(fā)生故障時應急使用。若利用太陽能系統(tǒng)，必須有發(fā)電用的太陽能電池和充電用的蓄電池。在白天晴朗的時間段里發(fā)電，其發(fā)電量超過觀測系統(tǒng)的耗電量，將剩余的電量用于充電。充電的電量，用于夜間和白天發(fā)電量少的時間段的消耗。為了防止過分充電和過分放電引起蓄電池性能的劣化，應使用充電控制器。另外，在高寒地域或多雨地區(qū)經常會因為太陽能發(fā)電不足影響觀測，對此應給予充分的注意。 2100433B

幾乎所有的通量觀測都是從確定觀測對象(生態(tài)系統(tǒng))開始的，然后是尋找合適的森林、草地或農田觀測場所。觀測場所選擇是一個重要問題，它關系到所獲得數據的價值。觀測工作一旦開始，再移動觀測點就需要花費很大的物力和財力，也會浪費觀測研究的時間，因此觀測點的選擇確定必須慎重。

通量觀測理想的場所是地形平坦、植被均質分布的下墊面。雖然傾斜坡地和起伏較大的復雜地形上的通量觀測也是非常重要的研究課題，但應盡可能尋找符合理想條件的觀測場所。在站點選擇時，可以利用待選觀測點(或地域)以往的氣象資料調査分析盛行風的季節(jié)變化。設置觀測塔的場所選擇要求在生物活動的活躍時期，盡可能在上風側具有長的風浪區(qū)(fetch)。在風的狀況不明時，可以選擇盡可能大的平坦植被斑塊，在其中央附近建立觀測塔。同時還要考慮道路和商用電源的利用條件，過于遠離可以駛人汽車的道路，不但在設備安裝、維護和檢修方面都花費大量勞力，也給長期的觀測工作帶來諸多不便，難以保證觀測數據的質量。

草地和水田的觀測多使用高度為2～3 m的簡易的三腳架式的桿，而森林需要建立10～50 m的觀測塔。觀測塔大致區(qū)分為三角結構和以腳手架構成的矩形結構，分別有拉線式和自立式，其中拉線式的比較經濟。三角型觀測塔，一般使用耐腐蝕的鍍鋅鋼材，利用塔本身的結構材料作梯子，人工作業(yè)在塔的外側上下移動，而腳手架型觀測塔則使用設置在內側的階梯作為人工作業(yè)通道。

為了減少塔對通量觀測的影響，最好選擇斷面積小，風容易穿過(密閉度小)的結構。然而為了滿足觀測設備安裝和維護、校正等作業(yè)的需要，要在靠近觀測高度處設置腳手架(階梯)。若考慮器材搬運和安全性，則內側有階梯的觀測塔更為便利。另外，建設塔時必須充分注意不能破壞周圍的植被，防止產生空隙林窗，也應注意林床的狀態(tài)，為了保護土壤和林床植物，最好設置木道。

近地面通量觀測系統(tǒng)采集數據文件包括由數據采集器處理后，通過終端計算機處理軟件直接存儲到計算機硬盤中的數據文件。數據文件分為湍流觀測、梯度觀測和風能觀測三大類，其中湍流觀測數據文件包括兩類：一類是用來計算通量的高頻原始數據（一般10Hz），用于后期做各種數據運算和處理；另一類是數據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)傳感器的測量結果。梯度觀測數據除滿足《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。風能觀測數據是利用通量觀測系統(tǒng)而獲取除梯度觀測資料以外的風資料，它也可以作為梯度觀測資料的補充。

近地面通量觀測主要包括近地邊界層大氣溫度、風、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、物質通量（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、熱力結構，多圈層相互作用過程中各種能量收支、物質交換等的綜合信息。

近地面通量觀測直接測定方法(蒸滲儀、箱式法)

Lysimeter：蒸發(fā)滲漏儀(簡稱蒸滲儀)

觀測原理：稱重，前后兩個時間觀測的土柱質量差為這一觀測時段該土柱的水的損失量

優(yōu)點：直接觀測，精度高；可以進行水分處理，進行不同科學目的的觀測。缺點：自然代表性不夠，應用范圍相對較窄。

近地面通量觀測間接測定方法(小氣候法)

1、波文比方法

波文比(Bowen ratio)指地表感熱通量與潛熱通量之比，波文比可以描述空氣的穩(wěn)定狀況：波文比越大，表明感熱交換越強烈，空氣越不穩(wěn)定，波文比越小，空氣穩(wěn)定性越好。

原理：觀測凈輻射和波文比，就能計算獲得感熱通量和潛熱通量。

誤差來源：①平流影響：風浪區(qū)長度應該在是儀器安裝高度的100倍以上；②空氣穩(wěn)定狀況：適合于中性層結和不穩(wěn)定層結；③儀器測量誤差：提高儀器測量精度，及時維護保養(yǎng)。

2、渦度相關方法

平均值與脈動值：對于一個不斷變化的量，它可以分解為兩部分。

系統(tǒng)主要組成：(1)超聲風速儀：10Hz頻譜空氣運動及其速度的三維測量；(2)濕度儀：測量水汽濃度；(3)CO₂氣體分析儀：測量CO₂濃度。

近地面通量觀測大尺度通量的觀測(大孔徑閃爍儀)

原理：空氣的折射指數與感熱通量之間在理論上存在一個關系；空氣折射指數用折射指數的結構參數C_n²來描述其湍流強度；C_n²是一個與溫度結構參數C_T²相關的一個參數。

系統(tǒng)主要組成：由一個發(fā)射器和一個接收器組成，發(fā)射器發(fā)射某個波段的一個光束，這個光束的強度由于空氣湍流“閃爍”而發(fā)生改變，通過接收器獲取被改變的光強度。

特點：測定發(fā)射器與接收器之間線狀區(qū)域平均的感熱通量；是一種大尺度(一般可達5km)的通量觀測手段；對潛熱通量的測定存在一定的問題。

近地面通量觀測通量的分解測定(同位素技術)

發(fā)生同位素分餾作用后的同位素含量與發(fā)生分餾作用前的同位素含量之比定義為分餾系數。

某物質同位素的量等于該物質同位素比與該物質總量的乘積。

蒸散通量等于蒸發(fā)與蒸騰之和，蒸散的同位素通量等于蒸發(fā)同位素通量與蒸騰同位素通量之和。

水汽同位素的觀測方法：（1）傳統(tǒng)方法：野外通過冷阱裝置提取水汽樣，帶入實驗室，用同位素質譜儀分析；（2）原位連續(xù)測定技術——TDLAS：一種在野外進行原位的連續(xù)實施測定分析水汽同位素的儀器。

同位素觀測技術的新發(fā)展：

美國LGR公司生產的系列同位素分析儀器：該系統(tǒng)應用光腔衰蕩光譜技術 (CRDS)。光腔衰蕩光譜技術是近年來發(fā)展起來的一種全新的激光吸收光譜技術，它變傳統(tǒng)吸收光譜中對光強絕對值的測量為對光強衰減時間的測量，從而避免了光強波動對測量結果的影響。通過光脈沖在諧振腔中的多次反射，可獲得極長的吸收程，大大提高了檢測靈敏度。采用連續(xù)光源的連續(xù)波光腔衰蕩光譜更具有極高的光譜分辨率和探測靈敏度。

特點：不需要參照標準樣品，可連續(xù)現場測量；測量得到的是同位素比率R。 2100433B