一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔

摘要

本发明公开了一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔，该塔主体结构设计、仪器安装结构设计、数据观测系统的设计与实现，观测塔可安装多源传感器实现0‑20米大气边界层底层温度、湿度、气压、风速、风向的梯度观测，上风向2200米半径范围内的海气界面感热通量、潜热通量、动量通量和二氧化碳通量观测。本发明提供的岛礁大气边界层结构与海气通量观测塔的结构和数据采集系统设计，具有观测参数多元化、耐腐蚀和恶劣天气过程系统维护方便、观测成本低等特点，可为南海岛礁边界层结构和海气通量观测提供新的手段，同时为下一步多岛礁同步组网观测奠定基础。

说明书

技术领域

本发明属于大气边界层探测设备技术领域，尤其涉及一种岛礁大气边界层底层(0-20米)的梯度气象和上风向2200米(22米*100)半径范围内海气界面物质能量交换观测塔。

背景技术

海洋边界层海气之间的物质、能量传输通道，我国南海海区海气相互作用一方面是许多海洋气象灾害天气的诱发和影响因素，另一方面对国热量和水汽输送产生不可忽视的影响。加强南海区域海气边界层过程的观测和研究，对于揭示灾害天气的机理，认识短期气候异常的规律，改善天气和短期气候预测水平有重要的科学意义和实用价值。

过去，我国在南海海气通量及边界层结构观测仅仅通过沿海、海岛观测站以及志愿船舶提供海上测量的资料，资料参数较单一且没有长时间序列的保证，与欧美等发达国家相比，我国对海洋和海气边界层的检测水平，无论在数量上，还是在分布范围上，都难以形成真正的海洋气象监测网。

近年来，我国多家海洋研究单位在南海北部建设了多个海洋资料浮标站、石油平台观测站、以及有沿海海洋气象观测塔、海岛气象观测站、新一代天气雷达站、风廓线观测站和测风塔组成的南海海气边界层结构及海气通量监测网络系统。这一监测网络系统获取的数据才海洋气象科学研究、数值模式改变方面已经发挥了重要的作用。但由于观测节点数量不足，单站数据获取能力较单一等，仍然制约我国对以边界层为诱因的海洋气象灾害天气的预报能力。

本发明结合塔体仪器安装结构设计、梯度气象观测技术、涡动协方差通量观测技术、多源传感器数据采集技术、远程无线通讯技术、太阳能供电等技术，实现一种建立在南海某岛礁的大气边界层底层结构与海气通量交换观测塔，本观测塔具有观测参数多元化、耐腐蚀和恶劣天气过程系统维护方便、观测成本低等特点，为南海边界层结构和海气通量观测提供了新的观测手段，可为完善南海海气边界层岛礁多点组网观测打下基础。

发明内容

本发明的目的在于提供

一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔，其特征在于该观测塔包括观测塔水泥基座(1)和观测塔主体(2)，所述观测塔主体(2)位于观测塔水泥基座(1)之上，该观测塔主体(2)自下而上依次设置有第一延伸杆(2-1)，第二延伸杆(2-2)，第三延伸杆(2-3)，第四延伸杆(2-4)；

所述第一延伸杆(2-1)的一端设有5米层温湿度传感器(3)，另一端设置有5米层风速风向传感器(21)；

所述第二延伸杆(2-2)的一端设有10米层温湿度传感器(6)，另一端设置有10米层风速风向传感器(18)；

所述第三延伸杆(2-3)的一端设有15米层温湿度传感器(10)，另一端设置有15米层风速风向传感器(15)；

所述第四延伸杆(2-4)的一端设有20米层温湿度传感器(11)，另一端设置有20米层风速风向传感器(14)；

所述第一延伸杆(2-1)和第二延伸杆(2-2)之间设置有梯度气象系统数据采集记录仪(4)和涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)；

所述第二延伸杆(2-2)和第三延伸杆(2-3)之间还具有第五延伸杆(2-5)，该延伸杆的一侧依次设置有红外海表温度传感器(7)和四分量太阳辐射传感器(8)，该四分量太阳辐射传感器(8)位于第五延伸杆(2-5)的端部；

所述第五延伸杆(2-5)和第三延伸杆(2-3)之间自下而上依次设置有涡动相关通量系统太阳能板(17)，通量数据处理单元(9)和梯度气象系统太阳能板(16)；

所述第四延伸杆(2-4)的上部还具有第六延伸杆(2-6)，该第六延伸杆(2-6)的一个端部设置有22米层涡动相关通量仪(12)；

所述观测塔主体(2)的最上端设置有避雷针(13)。

2.如权利要求1所述的一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔，其特征在于所述梯度气象系统数据采集记录仪(4)由梯度气象系统供电蓄电池(5)提供能量，涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)由涡动相关通量系统供电铅酸蓄电池(19)提供能量。

3.如权利要求1所述的一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔，其特征在于观测塔主体(2)能够承受的风压为1.8KN/㎡，抗震烈度8度，塔体的钢材采用Q235B型钢材。

4.如权利要求1所述的一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔，其特征在于所述梯度气象系统数据采集记录仪(4)的型号为CR3000，通过SE1-SE10共10个模拟量通道和IX1、IXR两个电流激发通道连接四分量太阳辐射传感器(8)，四分量太阳辐射传感器的型号为NR01-15；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE11、SE12两个模拟量通道连接5米层温湿度传感器(3)，5米层温湿度传感器(3)的型号为HMP155A；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE13、SE14两个模拟量通道连接10米层温湿度传感器(6)，10米层温湿度传感器(6)的型号为HMP155A；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE19、SE20两个模拟量通道连接15米层温湿度传感器(10)，15米层温湿度传感器(10)的型号为HMP155A；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE21、SE23两个模拟量通道连接20米层温湿度传感器(11)，20米层温湿度传感器(11)的型号为HMP155A；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE15、SE16、SE17三个模拟量通道和VX1电压激发输入通道连接红外海表温度传感器(7)，红外海表温度传感器(7)的型号为SI-112；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE25模拟量通道和P1脉冲量输入通道连接5米层风速风向传感器(21)，5米层风速风向传感器(21)的型号为05106；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE26模拟量通道和P2脉冲量输入通道连接10米层风速风向传感器(18)，10米层风速风向传感器(18)的型号为05106；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE27模拟量通道和P3脉冲量输入通道连接15米层风速风向传感器(15)，15米层风速风向传感器(15)的型号为05108；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE28模拟量通道和P4脉冲量输入通道连接20米层风速风向传感器(14)，20米层风速风向传感器(14)的型号为05108；梯度气象系统太阳能板(16)的型号为80W，通过充电控制器连接到梯度气象系统供电蓄电池(5)，梯度气象系统供电蓄电池(5)型号为12V/100Ah。

5.如权利要求1所述的一种岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔，其特征在于所述涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)的型号为CR3000，通过SDM-C1、SDM-C2、SDM-C3三根信号线连接通量数据处理单元(9)，通量数据处理单元(9)的型号为EC100；22米层涡动相关通量仪(12)的型号为IRGASON一体式涡动相关通量仪，通过模拟信号通道连接通量数据处理单元(9)，通量数据处理单元(9)对三维风速信号、水汽、二氧化碳信号进行数据诊断、滤波等处理后通过SDM-C1、SDM-C2、SDM-C3信号线输出数字量到涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)进行感热通量、潜热通量、动量通量、二氧化碳通量的计算处理；涡动相关通量系统太阳能板(17)的型号为80W，通过充电控制器连接到涡动相关通量系统供电铅酸蓄电池(19)，涡动相关通量系统供电铅酸蓄电池(19)的型号为12V/120Ah。

有益效果：

本发明中，梯度气象观测系统适用于不同的下垫面和大气条件，是观测海洋大气边界层气象和环境的绝佳系统，该系统以空气动力学理论、莫宁-奥布霍夫相似理论为基础，研究近地层、垂直方向上湍流交换以及物质能量的传输规律。梯度气象观测系统观测参数包括：风速、风向、温度、湿度、海表温度、向下短波辐射、向上短波辐射、向下长波辐射、向上长波辐射、净辐射，程序1秒钟扫描计算一次所有传感器数据，分别以一分钟，十分钟，半小时，一天的数据文件记录统计数据，统计数据平均值、最大值、最小值、标准差等。涡动相关通量系统观测参数包括：感热通量、潜热通量、动量通量、二氧化碳通量、大气稳定度、湍流强度、下垫面粗糙度、莫宁-奥布霍夫长度等微气象参数。程序每秒采集10组三维风速、水汽、二氧化碳数据，每半小时进行一次湍流通量数据统计计算。

本发明中，梯度气象系统也是涡动协方差通量观测系统的重要补充，能够为涡动协方差系统提供重要的气象环境背景资料，如梯度气象观测系统得到的风、温、湿梯度数据等。梯度气象监测系统中太阳辐射四分量传感器，是测量研究区域的太阳辐射收支及净辐射能量收支情况，结合涡动通量系统的感热、潜热观测一起，可以构成一个完整的能量平衡系统，精准计算研究海区的海洋与大气之间的能量交换。

本发明中，塔结构设置专门针对岛礁环境，所有塔主体部件均采用热镀锌防辐射处理，设计风压为1.8KN/㎡，可在岛礁高温、高盐、恶劣天气环境下安全使用5年。

本发明中，系统传感器均选用科研级别传感器，观测精度非常高。其中温度观测精度达到±(0.055+0.0057*量程)℃，湿度观测精度达到±(1.2％+0.012*读数)％RH，风速观测精度达到±0.3m/s，风向观测精度达到±3°，海表温度观测精度达到±0.2℃。观测精度和数据可靠性均非常高满足科学研究及相关业务管理部门应用。

本发明中，系统采用的数据采集器接口丰富、计算功能强大、运算功能强大，包括：28个单端模拟通道，4个电压激发通道，3个电流激发通道，4个脉冲测量通道，3个SDM控制口，支持SDI-12，SDM，PakBus，Modbus等协议，最高支持100Hz的扫描频率，用户可根据自编程序灵活设置采样间隔和数据处理间隔。

本发明中，系统硬件部分方便扩展，也方便更换传感器测量其它环境参数，方便传感器升级和维护。数据采集器支持远程数据传输功能，可选用多种通讯方式(GPRS/CDMA、WIFI无线、卫星通讯、HF高频无线等)。

综上所述，本发明是一种适用于岛礁下垫面类型的海洋大气边界层观测系统，具有观测参数多元化、耐腐蚀和恶劣天气过程、系统维护方便、易扩展等特点，适合建设并投入在在南海岛礁区域使用的海气边界层观测塔，可为南海岛礁边界层结构和海气通量观测提供新的手段。同时，因目前我国南沙岛礁建设情况，各岛礁的填海工程均会影响局部海区的天气动力、水文动力、生态环境过程，在岛礁吹填完工之后，需要多岛礁组网同步观测的气象、水文观测数据来支撑岛礁生态修复工程，使岛礁形成自身可持续发展的永久性岛屿，本发明可为此奠定基础。

附图说明

图1是本发明岛礁大气边界层底层结构和海气通量交换观测塔的安装结构示意图；

图2是本发明梯度气象数据采集系统接线图；

图3是本发明涡动协方差通量数据采集系统接线图；

图4是本发明梯度气象数据采集系统程序工作流程图；

图5是本发明涡动协方差通量数据处理流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明如图所示包括：观测塔水泥基座(1)，观测塔主体不锈钢结构(2)，5米层温湿度传感器(3)，梯度气象系统数据采集记录仪(4)，梯度气象系统供电蓄电池(5)，10米层温湿度传感器(6)，红外海表温度传感器(7)，四分量太阳辐射传感器(8)，通量数据处理单元(9)，15米层温湿度传感器(10)，20米层温湿度传感器(11)，22米层涡动相关通量仪(12)，避雷针(13)，20米层风速风向传感器(14)，15米层风速风向传感器(15)，梯度气象系统太阳能板(16)，涡动相关通量系统太阳能板(17)，10米层风速风向传感器(18)，涡动相关通量系统供电铅酸蓄电池(19)，涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)，5米层风速风向传感器(21)。

观测塔水泥基座(1)，建在岛礁潮间带珊瑚礁上，基础承载力标准值按照fk＝150kPa设计，观测塔水泥基座(1)的基础采用C25混凝土，垫层采用C10混凝土，钢筋采用二级钢，施工过程中选取低潮时间窗口，基础挖至设计深度后，夯实找平做垫层，待垫层硬化后，在进行基础钢筋绑扎并安放基础螺栓骨架，浇铸基础混凝土。观测塔主体不锈钢结构(2)设计风压为1.8KN/㎡，抗震烈度8度，设计使用寿命5年，塔体钢材采用Q235B型钢材，所有螺栓采用C级六角头普通螺栓，塔体钢材均通过热镀锌防腐处理。

梯度气象系统数据采集记录仪(4)的型号为CR3000，通过SE1-SE10共10个模拟量通道和IX1、IXR两个电流激发通道连接四分量太阳辐射传感器(8)，四分量太阳辐射传感器的型号为NR01-15；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE11、SE12两个模拟量通道连接5米层温湿度传感器(3)，5米层温湿度传感器(3)的型号为HMP155A；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE13、SE14两个模拟量通道连接10米层温湿度传感器(6)，10米层温湿度传感器(6)的型号为HMP155A；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE19、SE20两个模拟量通道连接15米层温湿度传感器(10)，15米层温湿度传感器(10)的型号为HMP155A；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE21、SE23两个模拟量通道连接20米层温湿度传感器(11)，20米层温湿度传感器(11)的型号为HMP155A；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE15、SE16、SE17三个模拟量通道和VX1电压激发输入通道连接红外海表温度传感器(7)，红外海表温度传感器(7)的型号为SI-112；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE25模拟量通道和P1脉冲量输入通道连接5米层风速风向传感器(21)，5米层风速风向传感器(21)的型号为05106；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE26模拟量通道和P2脉冲量输入通道连接10米层风速风向传感器(18)，10米层风速风向传感器(18)的型号为05106；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE27模拟量通道和P3脉冲量输入通道连接15米层风速风向传感器(15)，15米层风速风向传感器(15)的型号为05108；梯度气象系统数据采集记录仪(4)，通过SE28模拟量通道和P4脉冲量输入通道连接20米层风速风向传感器(14)，20米层风速风向传感器(14)的型号为05108；梯度气象系统太阳能板(16)的型号为80W，通过充电控制器连接到梯度气象系统供电蓄电池(5)，梯度气象系统供电蓄电池(5)型号为12V/100Ah。梯度气象系统数据采集记录仪(4)与各传感器的系统接线参考附图-2。

涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)的型号为CR3000，通过SDM-C1、SDM-C2、SDM-C3三根信号线连接通量数据处理单元(9)，通量数据处理单元(9)的型号为EC100；22米层涡动相关通量仪(12)的型号为IRGASON一体式涡动相关通量仪，通过模拟信号通道连接通量数据处理单元(9)，通量数据处理单元(9)对三维风速信号、水汽、二氧化碳信号进行数据诊断、滤波等处理后通过SDM-C1、SDM-C2、SDM-C3信号线输出数字量到涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)进行感热通量、潜热通量、动量通量、二氧化碳通量的计算处理；涡动相关通量系统太阳能板(17)的型号为80W，通过充电控制器连接到涡动相关通量系统供电铅酸蓄电池(19)，涡动相关通量系统供电铅酸蓄电池(19)的型号为12V/120Ah。涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)与通量数据处理单元(9)的系统接线参考附图-3。

梯度气象系统数据采集记录仪(4)运行用CRBasic语言自主设计编写的Gradient Meteorology.CR3程序，程序首先声明常量，进一步声明程序运行变量、数组、单位等信息，进一步定义存储的数据表格如(一分钟数据统计表格，半小时数据统计表格，一小时数据统计表格，一天数据统计表格等)，进一步程序进入周期为1秒钟的循环扫描程序中，在程序中依次用VoltDiff(SR01Up,1,mV20,1,True,0,250,SR01UpCal,0)VoltDiff(SR01Dn,1,mV20,2,True,0,250,SR01DownCal,0)VoltDiff(LR01Up,1,mV20,3,True,0,250,LR01UpCal,0)VoltDiff(LR01Dn,1,mV20,4,True,0,250,LR01DownCal,0)四条差分模拟量测量指令分别测量第一差分通道(SE1-SE2)电压，第二差分通道(SE3-SE4)电压,第三差分通道(SE5-SE6)电压，第四差分通道(SE7-SE8)电压，共四个辐射分量的电压，并结合各辐射表灵敏度系数SR01UpCal＝1000/18.10，SR01DownCal＝1000/17.75，LR01UpCal＝1000/10.55，LR01DownCal＝1000/11.86,计算出向上短波辐射值SR01Up，向下短波辐射值SR01Dn，向上长波辐射值LR01Up，向下长波辐射值LR01Dn。进一步用Resistance(R_R0_NR01,1,mV200,5,Ix1,1,1675,True,True,0,250,0.01,0)指令，测得第五差分通道(SE9-SE10)所连接的PT-100电阻值R_R0_NR01，进一步用PRT(T_NR01_K,1,R_R0_NR01,1.0,273.15)指令将R_R0_NR01电阻值转换为长波辐射表自身的温度T_NR01_K，进一步用LR01UpCo＝LR01Up+5.67*10^-8*NR01TK^4和LR01DnCo＝LR01Dn+5.67*10^-8*NR01TK^4两条指令对开始测量得到的向上长波辐射值LR01Up和向下长波辐射值LR01Dn进行温度校正，得到真正的向上长波辐射值IR01UpCo和向下长波辐射值LR01DnCo；调用VoltSe(AirTC_5,1,mV1000,11,True,0,_50Hz,0.14,-80)VoltSe(AirTC_10,1,mV1000,13,True,0,_50Hz,0.14,-80)VoltSe(AirTC_15,1,mV1000,19,True,0,_50Hz,0.14,-80)VoltSe(AirTC_20,1,mV1000,21,True,0,_50Hz,0.14,-80)四条单端模拟量测量指令,分别测量5-20米四层温度传感器的电压值，结合灵敏度系数0.14和偏移量-80，最终计算出5米层温度AirTC_5，10米层温度AirTC_10，15米层温度值AirTC_15，20米层温度值AirTC_20；调用VoltSe(RH_5,1,mV1000,12,True,0,_50Hz,0.1,0)VoltSe(RH_10,1,mV1000,14,True,0,_50Hz,0.1,0)VoltSe(RH_15,1,mV1000,20,True,0,_50Hz,0.1,0)VoltSe(RH_20,1,mV1000,23,True,0,_50Hz,0.1,0)四条单端模拟量测量指令，分别测量5-20米四层湿度传感器的电压值，结合灵敏度系数0.1，最终计算出5米层湿度RH_5，10米层湿度RH_10，15米层湿度值RH_15，20米层湿度值RH_20；；调用PulseCount(WindSpeed_5,1,1,1,1,0.098,0)PulseCount(WindSpeed_10,1,2,1,1,0.098,0)PulseCount(WindSpeed_15,1,3,1,1,0.098,0)PulseCount(WindSpeed_20,1,4,1,1,0.098,0)四条脉冲量测量指令测量脉冲输入端P1-P4的脉冲数，结合风速传感器的脉冲灵敏度系数0.098,最终计算出5米层风速WindSpeed_5，10米层风速WindSpeed_10，15米层风速WindSpeed_15，20米层风速WindSpeed_20；调用BrHalf(WindDir_5,1,mv5000,25,Vx2,2,5000,True,0,_50Hz,355,0)BrHalf(WindDir_10,1,mv5000,26,Vx2,2,5000,True,0,_50Hz,355,0)BrHalf(WindDir_15,1,mv5000,27,Vx3,2,5000,True,0,_50Hz,355,0)BrHalf(WindDir_20,1,mv5000,28,Vx3,2,5000,True,0,_50Hz,355,0)四条半桥法电路测量指令测得SE26-SE28四个模拟量的输入的风向电阻值，结合风向电阻灵敏度系数355，最终计算得到5米层风向WindDir_5，10米层风向WindDir_10，15米层风向WindDir_15，20米层风向WindDir_20；

用Therm109(SBTempC,1,17,Vx1,0,_50Hz,1.0,0)指令测量SE17通道信号，得到SI-111红外海表温度传感器(7)自身温度值SBTempC,用VoltDiff(TargmV,1,mV20,8,True,0,_50Hz,1.0,0)差分模拟量测量质量测量第8差分通道(SE15-SE16)的电压值TargmV，用m＝mC2*SBTempC^2+mC1*SBTempC+mC0，b＝bC2*SBTempC^2+bC1*SBTempC+bC0两条指令计算斜率因子m和截距因子b,其中各系数由SI-111传感器使用说明书提供mC2＝83895.7，mC1＝7064750，mC0＝1402240000，bC2＝12760.8，bC1＝84212.2，bC0＝-18192700，用SBTempK＝SBTempC+273.15将传感器自身温度值转换为开尔文温度值，用TargTempK＝((SBTempK^4)+m*TargmV+b)^0.25校正得到海表目标实际开尔文温度，用TargTempC＝TargTempK-273.15将海表温度开尔文值转换为摄氏温度。进一步程序调用CallTable AWSmin，CallTable AWStenmin，CallTable AWShalfhour，CallTable AWSDay，4条指令进入调用数据存储表格，分别存储一分钟，十分钟，半小时，一天的数据统计表格，存储变量包括：平均值、最大值、最小值、标准差等，进一步程序进入下一次扫描循环，周而复始运行。Gradient Meteorology.CR1程序执行流程图参考附图-4。

涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)中运行由美国坎贝尔公司研发编写的EasyFlux-DL_v1.0XSEDDY.CR3基于涡动协方差方法的通量处理程序，涡动相关通量系统数据采集记录仪(20)对通量数据处理单元(9)的数据采样频率为10Hz，每30分钟进行一次通量数据计算处理，每次参与计算的数据量18,000组。进一步，EasyFlux-DL_v1.0XSEDDY.CR3中依次执行野点剔除、延时法找最大协方差、坐标旋转、频率修正、超声感热修正、空气密度修正、通量源区足迹特征分析、通量数据质量等级分级等一系列处理算法，最终得到30分钟一组的感热通量、潜热通量、动量通量、二氧化碳通量。EasyFlux-DL_v1.0XSEDDY.CR3程序中数据处理步骤参考附图-5。

本发明采用的都是现有硬件模块，使用现有系统自身的软件，在组装好系统结构后，只需要在数据采集记录器进行简单的参数设置，如安装地点经纬度、仪器安装高度等信息，即可实现整个功能。

以上所述仅是对本发明的较佳实施案例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。