国家标准 GB/T33696一2017 陆-气和海-气通量观测规范 Speeifieationforlandsurfaee-atmosphereandair-sealnxoservations 2017-05-12发布 2017-12-01实施中华人民共利国国家质量监督检验检疙总局发布国家标准化管理委员会国家标准
GB/33696一2017 前言本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本标准由气象局提出本标准由全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会(SAC/TC507)归口本标准起草单位:气象局气象探测中心、气象局广州热带海洋气象研究所、云南省大理市气象局、北京市气象局、广东省茂名市气象局、国家气象中心本标准主要起草人:李翠娜、黄健、徐安伦、伍永学、吕卫华、薛红喜、王柏林、张鑫
GB/33696一2017 陆-气和海-气通量观测规范范围本标准规定了陆-气和海-气通量观测的一般要求,主要观测仪器、仪器安装、,维护/校淮、数据采集与处理、数据文件归档的技术要求，本标准适用于陆-气和海-气通量的涡动相关观测方法规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T14914一2006海滨观测规范 GB/T15920海洋学术语物理海洋学 QX42015气象台(站)防雷技术规范 QX/T45一2007地面气象观测规范第1部分;总则术语和定义下列术语和定义适用于本文件 3.1 陆-气通量landsurfae-atmospherelux 近地面由于湍流而引起的能量和物质的垂直输送,包括陆-气界面的动量、感热、潜热(水汽)和二氧化碳通量等 3.2 海-气通量airseaflus 海面由于谢流而引起的能量和物质的垂直输送,包括海-气界面的动量.感热.潜热(水汽)和二氧化碳通量等 3.3 动量通量momentumflux 空气在运动过程中,单位时间内通过单位面积所传输的动量 3.4 感热通量sensibleheatnus 显热通量在不发生物体和媒质的相态变化前提下,因湍流运动引起的单位时间内通过单位面积的热量 3.5 潜热通量latentheattux 空气中水汽发生相变时,因湍流运动引起的单位时间内通过单位面积的热量 3.6 I 水汽通量 watervaporflux 陆地(海洋)-大气界面因湍流运动引起的单位时间内通过单位面积的水汽垂直输送量
GB/T33696一2017 3.7 二氧化碳通量colus 陆地(海祥)-大气界面因湍流运动引起的单位时间内通过单位面积的二氧化碳垂直输送量 3.8 涡动相关法eddyeorrelationmethodl 涡动协方差法eddycovariancemethod 通过计算大气中某物理量(如水平风速、温度、水汽密度和二氧化碳密度等)脉动量与垂直风迷脉动量的协方差,求算湍流输送通量的方法 -般要求 4.1观测项目 4.1.1湍流通量观测应利用快速响应的传感器,同步进行以下四项要素的脉动量观测: 三维风速; 超声虚温; 水汽密度; 二氧化碳密度注:利用上述四项要素的脉动量观测值,采用涡动相关法分别计算动量、感热、潜热和二氧化碳通量 4.1.2辅助观测 4.1.2.1辅助观测要素应进行以下一项或多项观测气压; 风速风向; 气温; 相对湿度; 降水量; 大气长波辐射和地面长波辐射; 太阳总辐射和地面反射辐射; 净全辐射; 光合有效辐射; 土壤温度; 土壤体积含水量; 土壤热通量; 潮高潮时波高波向; 波周期表层海水温度;
GB/33696一2017 表层海水盐度注:用于监测环境条件的变化和分析通量变化的成因等 4.1.2.2下垫面状况记录从观测塔的东,南,西,北4个方位拍摄下垫面照片,定期记录观测塔周围下垫面变化情况;记录海岸线、水下沙丘等环境地形的变化 4.2校时观测时钟采用北京时,自动观测以采集器的内部时钟为观测时钟以经过统一授时的计算机时钟为准来校对采集器时间 4.3观测场地 4.3.1陆-气通量陆-气通量观测场地应符合以下要求周边无污染源， -周围无明显建筑物和树木遮挡; 观测塔沿上风方向的距离至少大于观测高度的100倍 4.3.2海-气通量海-气通量观测场地宜符合以下要求; -海岸地势平缓,尽量避开陡岸; 海岸一侧无明显的高大地形、建筑物和树木; 上风方向的海面开阔,无岛屿、暗礁、沙洲等障碍物,或水产养殖捕捞区 4.4观测记录通量观测记录包括站址信息、仪器信息、要素观测值、通量数据处理的元数据站址信息宜包含以下内容 a 站址名称; 经度、纬度、,海拔高度; 通讯地址站址负责人; 观测人员站址周围环境; 下垫面特征; 站址信息的生成日期站址信息的记录人员站址信息的审核人员 b 仪器信息宜包括以下内容: 名称; 型号; 生产厂商; -标定项目和标定时间;
GB/T33696一2017 启用时间安装位置高度、传感器朝向); -仪器信息的生成日期; 仪器信息的记录人员; 仪器信息的审核人员要素观测值应包括以下内容观测时间设备状态标识流脉动观测数据" 辅助观测要素数据; 经数据处理和质量检验后的通量数据; 数据质量标识符号通量数据处理元数据宜包括以下内容: d 采样频率; 平均周期洲流脉动数据处理方法; 湍流通量数据质量检验方法观测仪器及其安装 5 5.1观测仪器 5.1.1 -般要求观测仪器应具备下列要求应有质量标识; 应有检定证书; 应有详细的技术及操作手册 5.1.2技术性能淌流通量观测仪器的基本技术性能参见Al,辅助观测要素仪器的基本技术性能参见A.2. 5.1.3防雷装置观测设施及附属建筑物的防雷应符合QX4一2015要求 5.2仪器安装 5.2.1 一般要求 5.2.1.1观测塔位置陆-气通量观测塔宜安装于拟观测下垫面主导风向的中央位置,符合上风方向距离与仪器安装高皮为100:1的经验法,周围无明显障碍物遮挡无明显的主导风向或风向有明显季节变化时,宜安装在场地中央,或根据其他设备综合考虑安装位置目标观测对象为农田、草地、湿地、荒漠、森林时,应安装在与观测目标对应的下垫面上海-气通量观测塔宜安装于上风方向开阔,无障碍物,靠近海岸的沙滩、浅水或浅水礁石区
GB/33696一2017 5.2.1.2安装高度陆-气通量观测应根据观测塔沿上风方向的距离与安装高度为100:1的经验法,确定湍流通量观测仪器的安装高度农田和草地等低矮冠层植被区,仪器安装高度宜高于冠层2m;高大冠层植被区仪器安装高度宜为高大冠层植被平均高度的1.5倍海-气通量观测应根据观测场地、当地潮汐和海浪状况,确定湍流通量观测仪器安装高度一般宜位于距离平均海面10m的高度上其他观测仪器的安装高度,可根据观测研究需要、,当地下垫面植被条件、平均海面高度和海浪状况等因素确定 5.2.1.3安装层次根据观测项目和观测目的进行一层或分层安装湍流通量观测仪器通常安装一层,可根据需要多层安装辅助观测要素仪器宜多层安装 5.2.2湍流通量观测仪器安装 5.2.2.1 三维超声风温仪三维超声风温仪应按以下要求安装: -选择设备专用支架牢固安装,安装完成后设备应保持水平 -有方向性选择功能的设备,探头应朝向或垂直于主导风向有主机的设备,主机应安装在探头下方 5.2.2.2红外二氧化碳/水汽分析仪红外二氧化碳/水汽分析仪应按以下要求安装选择设备专用支架牢固安装; 探头稍倾斜分离式红外二氧化碳/水汽分析仪的探头,应位于三维超声风温仪的侧后方,与三维超声风温仪探头的中心位置相距20em30 em; 有主机的设备,主机应安装在探头下方 5.2.3辅助观测要素仪器安装气压、风速、风向、气温、相对湿度、降水量,土壤温度、辐射要素的观测仪器,安装应符合QX/T452007 表3要求潮高,潮时,波高,波向,波周期、表层海水温度和盐度要索的观测仪器,安装应符合GBTl19！ -2006 要求其他观测仪器宜按照相关操作手册安装维护/校准 6 6.1维护 6.1.1总体要求定期巡视观测场地,检查观测仪器和辅助设备运行状态、观测数据和数据文件的完整性,检查观测数据是否异常;定期下载和备份数据各类观测数据文件;定期对仪器维护过程作详细记录
GB/T33696一2017 6.1.2三维超声风温仪三维超声风温仪应按以下要求进行维护: -应定期检查维护设备,保证设备符合安装技术要求 -应定期检查、清洁设备传感器,保证设备处于良好运行状态 6.1.3红外二氧化碳/水汽分析仪红外二氧化碳/水汽分析仪应按以下要求进行维护应定期检查设备镜面是否清洁,光路有无异物，镜面的尘垢和盐溃,应使用软棉签蘸取水或者酒精清除，进行清除时,注意避免划伤镜面应定期更换设备的内部干燥剂 6.1.4其他仪器和辅助设备其他仪器和辅助设备应按以下要求进行维护应定期维护设备; 应定期检查时钟误差; 应定期清洁采集器传感器检查电缆、信号线状况,检查供电设施,保证供电安全 6.2仪器校准 6.2.1 三维超声风温仪按照三维超声风温仪技术手册的有关规定,返回生产厂家进行校准 6.2.2红外二氧化碳/水汽分析仪仪器在陆地上运行,每半年标定一次;在海洋环境中运行,每3个月标定一次标定包括零点标定和跨距(SPAN)标定 6.2.3辅助观测要素仪器辅助要素观测仪器的标定应符合省级以上计量部门对该类仪器的标定规程数据采集与处理 7.1数据采集三维超声风温仪和红外二氧化碳/水汽分析仪的数据采集应同步进行,采样频率参见A.1 辅助要素观测仪器的数据采集宜根据研究目的而进行,采样频率参见A.2 7.2数据处理 7.2.1平均周期湍流通量计算的平均周期一般为30nmin60min 辅助要素观测数据平均周期宜为30min. 7.2.2计算方法动量通量、感热通量,潜热通量、二氧化碳通量的计算应符合涡动相关法
GB/33696一2017 动量通量按式(1)计算 Vw'u'2十(e'' T=P 式中动量通量,单位为千克每米二次方秒[kg/ms 空气密度,单位为千克每立方米(kg/m'); ？ u 水平风速(r轴)的脉动量,单位为米每秒(m/s) 水平风速(y轴)的脉动量,单位为米每秒(m/s); U 7c" -垂直风速(、轴)的脉动量,单位为米每秒m/s) 感热通量按式(2)计算 c,wT H= 式中: H 感热通量,单位为瓦每平方米(w/m); 空气密度,单位为千克每立方米(kg/m') p 干空气定压比热,单位为熊耳每千克开尔文[/(kgK]， C" 垂直风速(轴)的脉动量,单位为米每秒(m/s); w 气温的脉动量,单位为摄氏度(). T 潜热通量按式(3)计算 LE=L wa 3 式中: 潜热通量,单位为瓦每平方米(w/m=); LE 蒸发潜热,单位为焦耳每克J/e). L w" 垂直风速(、轴)的脉动量,单位为米每秒(m/s)1 水汽密度的脉动量,单位为克每立方米(g/m') p 二氧化碳通量按式(4)计算 F =w'o 式中二氧化碳通量,单位为毫克每平方米秒[mg/m's)]; F 垂直风速(轴)的脉动量,单位为米每秒(m/s): u 二氧化碳密度的脉动量,单位为毫克每立方米(mg/m'. o 7.2.3湍流脉动数据处理湍流脉动量观测数据处理方法参见附录B 7.2.4湍流通量数据质量检验湍流通量数据质量检验方法参见附录C 数据文件归档归档文件应包含下列数据中的一项或多项: 下垫面状况记录; 4.4要求的观测记录
GB/T33696一2017 附录 A 资料性附录) 观测仪器技术性能湍流通量观测仪器的技术性能见表A.1 A.1 表A.1湍流通量观测仪器的技术性能测量要素范围分辨力最大允许误差采样频率水平风速(.r、y轴 -60m/s一60m/s 0.01m/s 士2% 垂直风速(、轴 -8m/s~8m/s 0.01m/s 士2% c -50C50C 0.0C 主015 超声虚温 10次/s 士2% 水汽密度 0g/m'一42g/m 0.1lg/m 二氧化碳密度士1% lonmg/m一1830 0.lmg/m mg/m 辅助要素观测仪器的技术性能见表A.2 表A.2辅助要素观测仪器的技术性能测量要素范围分辨力最大允许误差采样频率 450hPa~1100hPa 0.1hPa 士0.3hPa 气压 6次/" min 风速 0m/s一60m/s 士(0.5m/s十0.03) 60次/min 0.lm/s 风向 0"360” 士5” 60次/min 气温 -50C50C 0.1C 士0.2C 6次/min 士3%(<80% 6次/min 相对湿度 5%100% 1% 士5%(>80% 士0,4mm(<10tmm) 0mmm/mmin4mmm/min 0.1mm 1次/min 0.lmm/翻斗士4%(>10mm 降水量士0.4mm(s10mm 0mm一400mm(称重) 0,lmm 1次/min 士4%(>10mm 大气长波辐射 -250w/m250w/m w/m 士5%日累计 30次/min 地面长波辐射 -250w/m250w/m 1W/m 士5%日累计 30次/min 5% 太阳总辐射 0w/m~2000w/m w/m 30次/min 地面反射辐射 5% 0W/m'一2000w/m w/m 30次/min -200w/m1400w/m 1w/ 30次/min 15% 净全辐射 D 光合有效辐射 0w/nm'一800w/nm w/nm 土5%日累计 30次/min 土壤温度 -50C80 0.1C 士0.3 6次/nmin 土壤体积含水量 0%50% 0.1% 士5% 1次/min 土壤热通量 -200W/m'200W/m 1W/m 士5% 6次/min
GB/33696一2017 表A.2(续) 采样频率测量要素范围分辨力最大允许误差潮高 0cm~l000em lcm 士5cm 1次/3s 潮时 1次/minm 1minm 士lmin 0m~10m 0.lm 士15% 2次/s 波高波向 03600 10 士100 2次/s 波周期 0s一50s 0.1s 士0.5s l次/3s 表层海水温度 50 0.1 士0.2C l次/3s 42 表层海水盐度士0.05 1次/3s 注;V是实际风速
GB/T33696一2017 附录 B (资料性附录) 湍流脉动数据处理方法本附录仅提供了常用的湍流脉动数据处理方法,应根据观测研究目的、站点的实际情况确定适宜的方法 B.1异常值剔除按以下步骤对原始时间序列进行处理检查设备状态标识(diag),如diag夭0,则为异常值; 检查各要素的瞬时值是否超出气候值,如超出,则为异常值; 方差检验,由原始时间序列r求相邻点之差Ar的总体标准差d,逐点检查,如某点满足 -般n为5),则为异常值;但当连续3点以上均超出上述范围,则不标记为异 r>nd 常值; 剔除异常值,并将该点值用其前后相邻实测值内插取代注:对30min湍流脉动资料，一般异常值数小于100,异常值数过多时,剔除该时次 B.2倾斜修正 B.2.1二次坐标旋转法对下垫面为均匀平坦情况,采用二次坐标旋转法进行修正,其方法如下: 利用每个平均周期(30min)的三维风速(uo、uo,w)资料进行旋转第一次为.ry平面绕、轴旋转,使平均水平风速(工轴)为0,其旋转角为0,旋转后的三维风速(ui、、wm)分别为式(B.1)式 B.4): 0 B.1 u=uocos/十Uosin/ 一uasin0十ucos0 B.2 U B.3 7='o B.4 =aretan(U/u) 第二次为新的.r-平面绕》轴旋转,使平均垂直风速w为0,其旋转角为中,旋转后的三维风速 u2、U、w2为式(B.5)式(B.8): u，=uicos十we'sin B.5 B.6 v=u B.7 w u1sin中十w1cos中 =aretan(zw/u1 B.8 B.2.2平面拟合法对下垫面复杂、非均匀,或设备安装在晃动平台,采用平面拟合法修正,其方法如下利用一段时间(一般选5d10d)的三维风速资料,设平均风场在一个与测站地面平行的平面(ry 平面)内,拟合该平面,然后将每一个平均周期的三维风速资料旋转到此平面上 10
GB/33696一2017 B.3频率响应修正采用式(B.9)对通量高低频损失进行修正 Co()d/ (B.9 [TF()TFa()ca.()u 式中频率,单位赫兹(H2) 垂直风速和某标量的理论协谱; Co TFn 高通转移函数; TF 低通转移函数 B.4超声虚温修正采用式(B.10)进行修正: Ra ] H H，一0,51p.C (B.10 式中 -经超声虚温修正后的感热通量,单位为瓦每平方米(w/m'); 日 H -超声虚温计算的感热通量,单位为瓦每平方米(w/m=) 空气密度,单位为千克每立方米(kg/m'); 干空气定压比热,单位为焦耳每千克开尔文[J/(kgK] 干空气气体常数,单位为焦耳每克开尔文[/gK)]; 气压,单位为百帕(hPa); LE 潜热通量,单位为瓦每平方米(w/m'); 蒸发潜热,单位为焦耳每克(/g); -气温的平均值,单位为摄氏度(C): 超声虚温的平均值,单位为摄氏度() B.5密度效应修正采用式(B.1l)和式(B.12)进行修正 B.l1 fs=4十四)(F不-导可 - 式中: LEw儿L 经空气密度效应修正后的潜热通量,单位为瓦每平方米(w/m'); 干空气与水汽分子量的比值; 水汽密度与干空气密度的比值; 垂直风速(轴)的脉动量,单位为米每秒(m/s); 7c" p 水汽密度的脉动量,单位为克每立方米(g/m=) 11
GB/T33696一2017 水汽密度的平均值,单位为克每立方米(E/mr) " 厂气温的脉动量,单位为摄氏度(C); 下气温的平均值,单位为摄氏度(C) Fwp -司十""可本a十间)"T (B.12 式中厂 -经空气密度效应修正后的二氧化碳通量,单位为毫克每平方米秒[mg/ms)]; ewPl 垂直风速(轴)的脉动量,单位为米每秒(m/s); u " 二氧化碳密度的脉动量,单位为毫克每立方米(mg/m); 氧化碳密度的平均值,单位为毫克每立方米(mg/m); 干空气的密度,单位为千克每立方米(kg/m'); 水汽密度的脉动量,单位为克每立方米(g/mi'); 干空气与水汽分子量的比值; 水汽密度与干空气密度的比值 -气温的脉动量,单位为摄氏度(C); -气温的平均值,单位为摄氏度(). 12
GB/33696一2017 附录 C (资料性附录) 湍流通量数据质量检验方法 C.1 湍流平稳性检验将每个样本时间长度为30min)的流脉动数据系列分割为几儿个短时间间隔如6个5min)的数据系列,检验整个平均周期的总体协方差与各分时段协方差的平均值的符合程度,采用湍流非平稳指数 ST来表示,见式(C.1): wC (wC 斗 IST C.1 w'.nc0 式中: 垂直风速(、轴)的脉动量,单位为米每秒(m/s); Z" 某气象要素的脉动量 C.2湍流充分发展性检验判别实测的无量纲标量方差与莫宁-奥布霍夫相似理论模拟值的符合程度,采用湍流总体特征指数 ITC 来表示,见式(C.2): (a/.r md一(a/.r ITC C.2 (o，/.rmda1 式中某气象要素的方差; G 某气象要素的特征尺度参数 C.3 数据质量标识对动量通量、感热通量、潜热通量和二氧化碳通量进行质量检验时,检验参数见表C.1 表C.1各湍流通量检验参数淌流通量湍流平稳性检验湍流充分发展性检验 /u tw'u O d wT 口/u a/u LE w？ a/u F wp 根据湍流非平稳指数和湍流总体特征指数,对湍流通量数据的质量评价可采用“O,l,2”三级划分标识(划分标准见表C.2),其中0级表示高质量数据,可用于基础研究;l级表示中等质量数据,可用于长 13
GB/T33696一2017 期观测资料处理;2级表示低质量数据,需剔除表c.2各湍流通量数据质量等级划分标准数据质量等级 IS7 1TC 30% 30% <100% <100% >100% >100% 注:表中等级划分标准为建议使用 14
GB/33696?2017 Foken2008)Mierometeor0 robogy.SpringerBerlin.(320p) L.eeetal.ed.)2004HandbookofMierometeorology:AGuideforSurfaceFluxMeas urementsKIuwerAcademicPublishersDordrecht Fokken assessmentofsurface-basedlux andwiehuraB.1996Toolforquality ForestMeteorol.7883-l05 measurementsAgric. VickersDandMahrt 1997 problemsfortower Qualitycontrolandfluxsamp uplngpr andaircraftdata.J.AtmosOceanicTechnol.14512-526. [5]WorldMeteorologiealOrganization.WMO-No.8GuidetoMeteorologiealInstrumentsand MethodsofObservation2008(Seventhedition

陆-气和海-气通量观测规范GB/T33696-2017介绍

陆地表面和海洋表面的交换通量是地球系统中非常重要的组成部分。陆-气和海-气通量观测规范GB/T33696-2017是国家标准化委员会制定的关于这一领域的规范性文件，旨在规范陆-气和海-气通量的观测方法、计算公式以及数据处理等方面的内容。

背景与目的

随着全球气候变化日益加剧，陆-气和海-气通量的观测与研究变得越来越重要。为了更好地开展这方面的工作，需要建立一套统一的观测规范，确保不同地区、不同机构之间的数据具有可比性和互操作性。

因此，GB/T33696-2017标准应运而生。该标准的主要目的是规范陆-气和海-气通量观测的技术方法、计算公式、数据处理等方面的内容，以保证不同机构之间的观测数据可比性。同时，该标准也为广大研究人员提供了一个统一的数据分析和处理框架。

内容

GB/T33696-2017标准主要包括以下内容：

术语和定义
观测设备和观测点布置
观测过程控制
观测数据处理
质量控制和评价
数据格式和共享

应用范围

GB/T33696-2017标准适用于陆地表面和海洋表面的交换通量观测。具体包括但不限于以下领域：

气候与环境变化研究
生态系统碳循环研究
水文循环研究
大气污染物输送研究
海洋生态系统研究

总结

GB/T33696-2017标准的实施为陆-气和海-气通量的观测方法、计算公式以及数据处理等方面提供了规范性指导，有助于不同机构之间的数据比较和共享。同时，该标准也为广大研究人员提供了一个统一的数据分析和处理框架，促进了相关领域的研究与合作。