通量塔的選址與建塔的基本原則
渦動相關(guān)觀測與數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)知識系列之一：通量塔的選址與建塔的基本原則
近年來，采用渦動相關(guān)(eddy-covariance，EC)方法測量溫室氣體通量的站點數(shù)量在迅速增加，但是要在科學(xué)目的、工程標(biāo)準(zhǔn)、安裝運行成本和實用性之間做出平衡，尋找到最佳的解決方法，仍是一個具有挑戰(zhàn)的工作。從觀測結(jié)果準(zhǔn)確性和精確度來說，選址、建塔等站點設(shè)計的環(huán)節(jié)是重中之重。
1、位置選擇
站點選址的基本原則是，該站點能夠盡量觀測到全部的研究對象，這涉及到兩個問題，一個是方向，一個是架設(shè)高度。
首先是確定觀測區(qū)域近幾年的主風(fēng)向，可以參考近幾年的氣象數(shù)據(jù)。由于中國大部分地區(qū)是季風(fēng)氣候，一般在春夏和秋冬會有兩個主風(fēng)向，這時候要考慮通量儀器的架設(shè)方向，實驗觀測的主要周期等。如果儀器架設(shè)方向可以隨主風(fēng)向的改變方便調(diào)整，或者實驗周期是明確區(qū)分了春夏或者秋冬，那么在選址時可以選在觀測對象的下風(fēng)向，這樣可以盡可能多的觀測到目標(biāo)對象；如果不能改變通量儀器的架設(shè)方向，且是長期定位觀測，那盡量將觀測地點選址在觀測對象的中央位置，或者沿主風(fēng)向的中點位置，這樣可以盡可能的在不改變儀器方向和位置的前提下，觀測到盡可能多的研究對象。
確定架設(shè)高度要滿足通量儀器的基本觀測條件， 即滿足湍流運動的充分交換。一般的架設(shè)高度是下墊面冠層高度的1.5到2倍（具體確定觀測高度的經(jīng)驗法則見圖 1）；在相對平坦和均勻的下墊面條件下，觀測距離大約是觀測有效高度的100倍（風(fēng)浪區(qū)原理），具體范圍需要根據(jù)footprint源區(qū)計算，隨著湍流運動強度和下墊面情況會有所改變。
圖 1 確定觀測高度的經(jīng)驗法則
通量源區(qū)代表性分析(Footprint分析)是檢驗一個通量站質(zhì)量的重要手段，可以用來進行實驗方案的設(shè)計指導(dǎo)，觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，以及通過特定傳感器的源區(qū)分布和來自感興趣下墊面(植被)的通量貢獻，從而對觀測結(jié)果進行分析解釋。
圖 2 Footprint分析
2、下墊面的影響
2.1植被類型
渦動相關(guān)法測量溫室氣體通量要求儀器安裝在常通量層內(nèi)，而常通量層假設(shè)要求穩(wěn)態(tài)大氣、下墊面與儀器之間沒有任何源或者匯、足夠長的風(fēng)浪區(qū)和水平均勻的下墊面等基本條件。
在渦動相關(guān)傳感器能監(jiān)測到的“源區(qū)域”內(nèi)植被類型均勻一致的情況下，其觀測到的通量結(jié)果是比較有意義的，可以用來解釋生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體收支情況。但當(dāng)渦動相關(guān)傳感器的“源區(qū)域”覆蓋到不同植被類型時，情況就會變得復(fù)雜起來。一個極端的例子是：某站點周圍具有兩種不同的森林植被類型，每天周期性地，白天，風(fēng)從一種植被類型吹向另一種；夜間，則正好相反。那么，該站點觀測得到的通量資料的日平均值將毫無意義。這種極端的情況雖然極少出現(xiàn)，但許多站點都會有微妙的風(fēng)向變化，在數(shù)據(jù)分析時需要做仔細(xì)考慮。
此外，光、土壤濕度、土壤結(jié)構(gòu)、葉面積以及物種種類組成的空間異質(zhì)性會導(dǎo)致溫室氣體源／匯強度的水平梯度。而其植被類型的變化也會造成表面粗糙度的變化，當(dāng)風(fēng)通過不同粗糙度或者不同源/匯強度表面的區(qū)域時，就會產(chǎn)生非常明顯的平流效應(yīng)（Raupach & Finnigan, 1997; Baldocchi et al., 2000）。
圖 3 不同下墊面的地表粗糙度
（參考 于貴瑞&孫曉敏，2006）
地表植被類型的突然變化會導(dǎo)致氣流的變化，如氣流在從高大森林向低矮草地移動時，會在森林邊緣形成回流區(qū)(如圖 4所示)，導(dǎo)致近地面和上方氣流方向不一致，其水平長度尺度(距離)等于冠層高度的2-5倍(Detto et al., 2008)。
圖 4森林邊緣附近湍流結(jié)構(gòu)的概念模型
（參考Detto et al., 2008）
2.2冠層高度
通量足跡Footprint描述了EC系統(tǒng)能夠觀測到的“源區(qū)域”，提供了每個表面元素對測量的垂直通量的相對貢獻。Footprint取決于觀測高度、表面粗糙度和大氣穩(wěn)定度等。如圖 5所示，通常來說，傳感器的觀測高度越高，就越能觀測到更遠、更廣的區(qū)域（Horst & Weil, 1994），也便于捕捉植物冠層上方混合良好的邊界層中的通量交換。但是觀測高度也不是越高越好，在大氣層結(jié)穩(wěn)定的條件下（如夜間），過高的觀測高度可能會使觀測到的“源區(qū)域”超出感興趣的研究區(qū)域。因此應(yīng)該預(yù)先計算并確保來自感興趣區(qū)域的通量貢獻至少為90％（Göckede et al., 2004），在穩(wěn)定條件下至少50％的時間以確保適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)覆蓋不同的風(fēng)向和不同的天氣條件。
圖 5觀測高度與通量足跡
基于Munger（2012）等確定塔/測量高度（hm）的原則（如圖 1），可能存在準(zhǔn)確測量實際觀測高度和冠層高度的困難，需要考慮后期調(diào)整高度的可能性。觀測高度必須用三維超聲風(fēng)速計測量路徑的中心來確定，其值取決于感興趣的生態(tài)系統(tǒng)的冠層高度（hc），冠層高度值不需要特別準(zhǔn)確：采用主要冠層的平均預(yù)期高度是合理的。
對于冠層高度在生長季節(jié)中快速變化的農(nóng)田、草地和種植園以及同樣具有快速變化特性的冰雪下墊面，塔架設(shè)計必須考慮允許通過改變塔架高度（例如伸縮式塔架設(shè)計）或通過移動傳感器來改變測量高度。隨著時間的推移為了確保相同的通量觀測源區(qū)，可以考慮改變測量高度，遵循的原則是測量高度與冠層高度的0.76倍之間的差值保持在一個確定數(shù)值的±10%左右。但這種調(diào)整的頻率不用特別頻繁，最多在植被生長期或在積雪季節(jié)每隔一周進行。假設(shè)在植被生長期開始時的裸土，其測量高度為2 m，在冠層高度達到1.2 米前，不需要改變測量高度；在植被達到1.2米后（例如增加約0.5-0.8米）開始提高測量高度，然后保持測量高度與冠層高度的0.76倍之間的差值保持在一個確定數(shù)值。改變表面高度（由于生長和積雪）以及改變測量高度必須準(zhǔn)確記錄，因為這必須在后期數(shù)據(jù)處理中考慮。
2.3地形影響
EC法測量通量假設(shè)了地形水平，這樣可以保證地形的坐標(biāo)系和傳感器坐標(biāo)系方向一致，避免平流、泄流效應(yīng)的影響。
圖 6復(fù)雜地形對EC觀測的影響
在復(fù)雜的地形條件下，風(fēng)吹過小山時會引起氣流的輻合或輻散運動，產(chǎn)生平流效應(yīng)（Kaimail & Finnigan, 1994）。存在有局地風(fēng)場影響的站點，在夜間大氣穩(wěn)定，垂直湍流輸送和大氣混合作用較弱，CO2的水平和垂直平流效應(yīng)的影響是很重要的（于貴瑞&孫曉敏，2006）。Mordukhovish & Tsvang（1966）的研究表明，斜坡地形能導(dǎo)致水平異質(zhì)和通量的輻散。
對于設(shè)在地勢較高的觀測塔，在夜間對流比較弱時，通常會因CO2沿斜坡泄流而造成大氣傳輸?shù)耐康凸�，最后�?dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力的估算偏高；對于在地勢較低溝谷中的觀測塔，其問題更加復(fù)雜，如果外部的大氣平流/泄流通過觀測界面進入生態(tài)系統(tǒng)，會高估光合作用吸收CO2的能力；如果外部的大氣平流/泄流不能通過觀測界面，而是從觀測界面下部直接進入生態(tài)系統(tǒng)，則會在生態(tài)系統(tǒng)中暫時儲存，最終輸出生態(tài)系統(tǒng)，造成對呼吸作用的高估。
在大多數(shù)情況下，實際地形難以滿足地形水平的假設(shè)，這就需要進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，以消除平流項的影響。當(dāng)安裝鐵塔的斜坡坡度特別大時，可以考慮將原本應(yīng)水平安裝的超聲風(fēng)速計調(diào)整為與地面平行。
3、塔及塔附屬設(shè)施的影響
3.1塔體本身
塔本身對觀測的影響可分為塔本身對風(fēng)場的影響，以及塔的偏轉(zhuǎn)、震蕩對測量過程的影響兩種。
3.1.1 對風(fēng)場的影響
自然氣流無論是經(jīng)過幾十米的觀測塔，還是遇到幾毫米的儀器翼梁或電纜，各種尺度的障礙物都會使流線發(fā)散，從而導(dǎo)致用于計算通量的流線分離，稱為流體失真，流動失真以難以看見的方式影響測量，其影響只能在塔的設(shè)計建造階段進行最小化。
在塔的迎風(fēng)側(cè)（上游），風(fēng)速受到影響會有所降低。受流動失真影響的逆風(fēng)距離與障礙物大小的立方成比例，并隨著距離的立方體而減小(Wyngaard, 1981, 1988)。在塔的背風(fēng)側(cè)（下游），風(fēng)速也減弱，這種效果隨著風(fēng)速的增加而減�。ㄍ牧鞯母焖僦貥�(gòu)）并且受到障礙物的長度和寬度的影響。
圖 7 展示了在高塔的迎風(fēng)側(cè)觀察到的風(fēng)向上的偏轉(zhuǎn)與加速， 圖 8則展示了高塔頂部和底部方向迥異的風(fēng)向。這是由于在背風(fēng)側(cè)下方產(chǎn)生的回流區(qū)造成的，障礙物(塔)尺寸越大，回流區(qū)就越容易發(fā)展得更大。在塔基通量觀測中，森林生態(tài)系統(tǒng)的觀測常需要10m以上的高塔作為基礎(chǔ)，容易導(dǎo)致回流區(qū)的產(chǎn)生，回流也增加了向上流動的傾向，并加強了煙囪效應(yīng)，這可能會顯著影響風(fēng)的測量和干擾混合比梯度。
圖 7 在塔的迎風(fēng)側(cè)觀察到風(fēng)向上偏轉(zhuǎn)和加速
(引自Sanuki and Tsuda, 1957)
圖 8 塔頂部的西風(fēng)流（離地面10米）和離地面2米處的東風(fēng)回流(引自Vaucher et al., 2004)
在建造塔時，盡量選擇塔身纖細(xì)、結(jié)構(gòu)較少的鐵塔，避免對風(fēng)場的影響，也要注意控制林窗的大小，避免人為形成回流區(qū)域。此外，應(yīng)該盡量減少樹木和樹枝的移除，因為它們對風(fēng)的阻力作用可以減少這些回流區(qū)域的形成。選擇纖細(xì)塔體的同時也要保證塔體足夠堅固，以確保安全的維護通道和應(yīng)對整個觀測周期中的極端環(huán)境。
當(dāng)塔架底座和結(jié)構(gòu)由于受到外界輻射而加熱引起對流循環(huán)時，可以觀察到煙囪效應(yīng)。這增強了氣流的垂直偏轉(zhuǎn)，從而使更多的空氣向上移動。煙囪效應(yīng)取決于基礎(chǔ)和塔的質(zhì)量和熱容量、塔的形狀、對樹冠的干擾程度（清理/切割塔構(gòu)造的樹木）和站點的凈輻射量等。煙囪效應(yīng)是不可避免的，應(yīng)盡量減少混凝土基礎(chǔ)和塔架結(jié)構(gòu)，塔的的橫截面也盡量不超過2 x 3 m (Munger et al., 2012)。塔體結(jié)構(gòu)對經(jīng)過氣流的扭曲變形和煙囪效應(yīng)應(yīng)該通過專業(yè)的方式或通過建模方法（Griessbaum & Schmidt，2009）進行調(diào)查（Serafimovich et al., 2011）。
3.1.2 對測量過程的影響
塔體本身隨風(fēng)速的運動會導(dǎo)致測量中的系統(tǒng)不確定性；塔的移動應(yīng)限制在0.02 m s-1（即測量風(fēng)速的精度），并且不應(yīng)具有在1到20 Hz之間與風(fēng)向共同變化的力矩（諧波效應(yīng)）；快速響應(yīng)加速度設(shè)備可用于量化塔運動，逐點校正還需要快速響應(yīng)測斜儀測量以確定旋轉(zhuǎn)速率以及加速度；由于在塔上工作的人員而導(dǎo)致的塔架運動不會隨著風(fēng)或標(biāo)量交換而變化，但可能會擾亂風(fēng)場。
3.2塔上橫臂
在1976年的國際湍流對比實驗中，一些報告顯示直徑0.05 m的水平支撐結(jié)構(gòu)造成的平均上升風(fēng)速為0.1 m/s (Dyer, 1981)，它大到足以使渦動相關(guān)測量無效。因此，風(fēng)速計安裝臂的尺寸也要盡量小，只需要提供一個安全穩(wěn)定的測量平臺就可以了。
王國華等利用成熟的計算流體軟件，對布置多個支撐觀測儀器的支架所導(dǎo)致的大氣邊界層風(fēng)場失真進行定量仿真。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支架間距小于6倍的支架直徑D或來流風(fēng)向角小于30°時支架附近流場受到明顯的相互干擾。通過對不同來流風(fēng)向及支架間距離模擬結(jié)果的對比分析，認(rèn)為使用多支架進行多點聯(lián)合觀測時，支架應(yīng)沿垂直于觀測地點常年來流主風(fēng)向的展向布置。為避免不同支架相互干擾，支架間的最小距離L應(yīng)大于9倍的支架截面直徑。
此外，橫臂本身需要足夠穩(wěn)定以支撐儀表，可以通過增加側(cè)臂和拉索的方式，以避免橫臂的扭矩和振蕩。
3.3塔下建筑物
3.1.1一節(jié)討論了塔體本身對風(fēng)速和風(fēng)向造成扭曲從而影響風(fēng)場的作用，塔下其他障礙物（如設(shè)備房間、供電小屋等）也存在這種作用，如圖 9 所示。
圖 9 從障礙物側(cè)面看的迎風(fēng)流畸變和背風(fēng)側(cè)流畸變的概念圖
（引自Davies and Miller, 1982）
回流效應(yīng)在高大的森林冠層中最為明顯，但較矮的草地和作物冠層也必須考慮，特別是在附近存放其他設(shè)備的房屋的情況下。因此，應(yīng)盡可能地減少這種流動變形源，在不可減少的情況下，障礙物應(yīng)遠離觀測塔，避免對風(fēng)場的影響。
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