近年來，采用渦動相關(eddy-covariance，EC)方法測量溫室氣體通量的站點數(shù)量在迅速增加，但是要在科學目的、工程標準、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。從觀測結果準確性和精確度來說，選址、建塔等站點設計的環(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，一個是架設高度。
首先是確定觀測區(qū)域近幾年的主風向，可以參考近幾年的氣象數(shù)據(jù)。由于中國大部分地區(qū)是季風氣候，一般在春夏和秋冬會有兩個主風向，這時候要考慮通量儀器的架設方向，實驗觀測的主要周期等。如果儀器架設方向可以隨主風向的改變方便調(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向，這樣可以盡可能多的觀測到目標對象；如果不能改變通量儀器的架設方向，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計指導，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、足夠長的風浪區(qū)和水平均勻的下墊面等基本條件。
在渦動相關傳感器能監(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。但當渦動相關傳感器的“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向變化，在數(shù)據(jù)分析時需要做仔細考慮。
此外，光、土壤濕度、土壤結構、葉面積以及物種種類組成的空間異質(zhì)性會導致溫室氣體源／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，當風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（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構的概念模型
（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。因此應該預先計算并確保來自感興趣區(qū)域的通量貢獻至少為90％（G?ckede et al., 2004），在穩(wěn)定條件下至少50％的時間以確保適當?shù)臄?shù)據(jù)覆蓋不同的風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確：采用主要冠層的平均預期高度是合理的。
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，塔架設計必須考慮允許通過改變塔架高度（例如伸縮式塔架設計）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法測量通量假設了地形水平，這樣可以保證地形的坐標系和傳感器坐標系方向一致，避免平流、泄流效應的影響。
圖 6復雜地形對EC觀測的影響
在復雜的地形條件下，風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（Kaimail & Finnigan, 1994）。存在有局地風場影響的站點，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，斜坡地形能導致水平異質(zhì)和通量的輻散。
對于設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?，最后導致生態(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，這就需要進行坐標旋轉(zhuǎn)，以消除平流項的影響。當安裝鐵塔的斜坡坡度特別大時，可以考慮將原本應水平安裝的超聲風速計調(diào)整為與地面平行。
3、塔及塔附屬設施的影響
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計建造階段進行最小化。
在塔的迎風側（上游），風速受到影響會有所降低。受流動失真影響的逆風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)。在塔的背風側（下游），風速也減弱，這種效果隨著風速的增加而減?。ㄍ牧鞯母焖僦貥嫞┎⑶沂艿秸系K物的長度和寬度的影響。
圖 7 展示了在高塔的迎風側觀察到的風向上的偏轉(zhuǎn)與加速， 圖 8則展示了高塔頂部和底部方向迥異的風向。這是由于在背風側下方產(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，容易導致回流區(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，這可能會顯著影響風的測量和干擾混合比梯度。
圖 7 在塔的迎風側觀察到風向上偏轉(zhuǎn)和加速
(引自Sanuki and Tsuda, 1957)
圖 8 塔頂部的西風流（離地面10米）和離地面2米處的東風回流(引自Vaucher et al., 2004)
在建造塔時，盡量選擇塔身纖細、結構較少的鐵塔，避免對風場的影響，也要注意控制林窗的大小，避免人為形成回流區(qū)域。此外，應該盡量減少樹木和樹枝的移除，因為它們對風的阻力作用可以減少這些回流區(qū)域的形成。選擇纖細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對整個觀測周期中的極端環(huán)境。
當塔架底座和結構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。這增強了氣流的垂直偏轉(zhuǎn)，從而使更多的空氣向上移動。煙囪效應取決于基礎和塔的質(zhì)量和熱容量、塔的形狀、對樹冠的干擾程度（清理/切割塔構造的樹木）和站點的凈輻射量等。煙囪效應是不可避免的，應盡量減少混凝土基礎和塔架結構，塔的的橫截面也盡量不超過2 x 3 m (Munger et al., 2012)。塔體結構對經(jīng)過氣流的扭曲變形和煙囪效應應該通過專業(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
塔體本身隨風速的運動會導致測量中的系統(tǒng)不確定性；塔的移動應限制在0.02 m s-1（即測量風速的精度），并且不應具有在1到20 Hz之間與風向共同變化的力矩（諧波效應）；快速響應加速度設備可用于量化塔運動，逐點校正還需要快速響應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致的塔架運動不會隨著風或標量交換而變化，但可能會擾亂風場。
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的水平支撐結構造成的平均上升風速為0.1 m/s (Dyer, 1981)，它大到足以使渦動相關測量無效。因此，風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致的大氣邊界層風場失真進行定量仿真。他們發(fā)現(xiàn)，當支架間距小于6倍的支架直徑D或來流風向角小于30°時支架附近流場受到明顯的相互干擾。通過對不同來流風向及支架間距離模擬結果的對比分析，認為使用多支架進行多點聯(lián)合觀測時，支架應沿垂直于觀測地點常年來流主風向的展向布置。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速和風向造成扭曲從而影響風場的作用，塔下其他障礙物（如設備房間、供電小屋等）也存在這種作用，如圖 9 所示。
圖 9 從障礙物側面看的迎風流畸變和背風側流畸變的概念圖
（引自Davies and Miller, 1982）
回流效應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備的房屋的情況下。因此，應盡可能地減少這種流動變形源，在不可減少的情況下，障礙物應遠離觀測塔，避免對風場的影響。
參考文獻
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