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

1、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

2、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。 目目 录录 第第 1 章章 总总 则则.1 1.1 近地层通量观测系统类型.1 1.2 观测项目.1 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 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2 1.3 建站要求.2 1.3.1 观测场环境条件.2 1.3.2 观测点.2 1.3.3 观测塔.3 1.4 对观测员的要求.3 1.5 本规范适用范围.4 第第 2 章章 近地近地层层通量系通量系

3、统结统结构构.6 第第 3 章章 近地近地层层通量系通量系统仪统仪器与安装器与安装.7 3.1 近地层通量观测仪器的一般要求 .7 3.2 近地层通量观测仪器组成.7 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.7 3.2.2 按省、地、县及气象主管机构自行规定的观测仪器.7 3.3 近地层通量观测项目与可选仪器.8 3.4 近地层通量观测仪器的基本技术性能.8 3.4.1 准确度.9 3.4.2 测量范围.9 3.4.3 分辨力.10 3.5 近地层通量观测仪器安装 .10 3.5.1 近地层通量观测仪器安装基本要求 .10 3.5.2 近地层通量观测仪器安装高度要求.10 3

4、.5.3 传感器安装方法.13 3.6 外围设备.16 3.6.1 外围设备组成.16 3.6.2 系统电源.16 3.6.3 通信接口.17 3.6.4 外围设备安装与连接.17 3.6.5 采集器、电源、计算机与打印机等的安装.18 3.6.6 避雷装置.18 第第 4 章章 近地近地层层通量通量观测观测系系统软统软件和算法件和算法.19 4.1 系统软件.19 4.1.1 采集软件.19 4.1.2 业务软件.19 4.1.3 软件安装.20 4.2 采样和算法.20 4.2.1 采样顺序.20 4.2.2 采样频率和算法.20 4.2.3 运算周期.21 4.3 时制、日界和对时.21

5、 4.3.1 时制.22 4.3.2 日界.22 第第 5 章章 仪仪器器维护维护和和标标定定.23 5.1 日常工作.23 5.2 外围设备的检查维护.24 5.3 技术人员定期巡检.25 5.4 传感器的维护.25 5.4.1 红外地表温度传感器.25 5.4.2 空气温湿度传感器.25 5.4.3 风速风向传感器.26 5.4.4 辐射传感器.26 5.4.5 光合有效辐射.26 5.4.6 超声风速仪.26 5.4.7 红外 co2/h2o 分析仪.27 5.5 标定.28 5.5.1 采集器的标定.28 5.5.2 常规传感器的标定.28 5.5.3 分析仪的标定.29 第第 6 章

6、章 数据数据质质量控制量控制.30 6.1 数据的完整性检查.30 6.1.1 文件的数量检查.30 6.1.2 文件的完整性检查.30 6.2 测量值合理性检查.30 6.3 一致性检查.31 6.3.1 测量值时间一致性检查.31 6.3.2 内部一致性检查.33 6.4 数据的变化规律检测.33 6.4.1 二氧化碳通量曲线.34 6.4.2 感热与潜热通量曲线.34 6.4.3 二氧化碳与水汽浓度曲线.34 6.4.4 三维风速曲线.35 6.4.5 样本数量曲线.35 6.4.6 agc 数据曲线 .35 第第 7 章章 数据管理数据管理.36 7.1 采集数据文件标准格式.36 7

7、.2 cf 卡数据 .36 7.3 上传数据文件.36 7.4 数据文件备份管理.37 附件附件 1 通量系通量系统统的基本原理的基本原理.40 附件附件 2 通量系通量系统观测统观测数据曲数据曲线线参考参考样样例例.43 附件附件 3 通量系通量系统统常用量名常用量名词词表表.51 附件附件 4 li7500 分析分析仪标仪标定方法定方法 .52 附件附件 5 算法算法.57 附件附件 6 通量系通量系统统下下垫垫面作物面作物发发育期及相关要素育期及相关要素观测观测月月报报表表.64 附件附件 7 近地近地层层通量通量观测观测月月记录记录（ （电电子表格）子表格）.65 第 1 章 总 则

8、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

9、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.

10、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

11、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

12、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

13、 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，

14、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 rj45 rs-232 rs-485 风能采集器 三维超声风

15、温仪 红外 h2o/ co2 分析 仪 空气温湿度传感器 rj45 rs-232 rs-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 rj45 rs-232 rs-485 梯度采集器 网络路由器 图 2.1 系统结构（包括风能观测项目） r j-45 供 电 单 元 微 机 本地 局域网 rs232 通 信接 口 r s-485 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

16、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

17、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

18、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+500.10.21min 6 次/min 相对 湿度 01001 4（80）

19、 8（ 80） 1min 6 次/min 气压 5001100hpa（任 意 200hpa） 0.1hpa0.3hpa1min 6 次/min 风向 036035 风速 060m/s0.1m/s(0.3+0.03v)m/s 2min 10min 1 次/s 降水雨强 04mm/min 0.1mm 0.4mm（10mm） 4（ 10mm） 累计1 次/min 地温 -50+800.10.31min 6 次/min 总辐射 01400 w/m21w/m2 5 1min 60 次/min 净全 辐射 -2001400 w/m21w/m2 1520 1min 60 次/min 脉动风速、 温度 305

20、0 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/s 10hz 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 1055 0.1 0.3（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

21、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

22、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

23、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 表表 3.3 仪器安装要求仪器安装要求 仪器安装高度误差基准部位 空

24、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） 5cm 5 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 20

25、cm 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

26、 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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、。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

32、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

33、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

34、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

35、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

36、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

37、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

38、 （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

39、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

40、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

41、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

42、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

43、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

44、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。 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 检查镜面是否清洁和 光路无阻挡 二氧化碳。 大约需要一年左右，内部的化学物品需

45、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

46、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

47、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

48、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 -13

49、0 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 mi

50、n 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； 45 4 地表温度 510 5cm 土壤温度 0.51 10cm 土壤温度 0.51 20cm 土壤温度 0.51 50c

51、m 土壤温度 0.30.5 100cm 土壤温 度 0.10.2 相对湿度510 气压0.5hpa2hpa 2 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0.1hpa 2 分钟平均风速0.5m.s-1 风向10o 6.3.2 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

52、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 0 6.4 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

53、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

54、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

55、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

56、 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

57、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_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 每日一个风能数据 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 pbl_flux_o_iiiii_yyyymmddhh.txt 逐时高频采样数据文件，每站 每时一个 湍流数据 pbl_flux_s_iiiii_

58、yyyymm.txt 全月逐日每半小时通量数据文 件，每站每月一个 pbl_vg_m_iiiii_yyyymmdd.txt 梯度观测分钟数据文件，每站 每日一个 梯度数据 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 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

59、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 风能数据 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

60、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 标准格式下载文件cf 卡数据拷贝文件 分类 数量介绍文件名数量文件名 每月（672744）个pbl_flux_o_iiiii_y yyymmddhh.txt 每月一个 ts_data.dat 湍流 观测每月 1 个pbl_flux_s_iiiii_y yyymm.txt 每月一个 flux.dat 每月（2831）个pbl_vg_m_iiiii_yy yymmdd.txt 每月一个 tidu_min.dat