一、系统概述
闭路涡动能量闭合校验系统主要应用于生态气象、农业气象、碳循环研究等领域。系统通过闭路式CO₂/H₂O分析仪、三维超声波风速风向传感器及辐射、热通量等配套传感器，进行能量通量与物质通量的精确测定。其核心是对能量闭合性的校验与通量平衡的修正，为碳汇评估与生态模型校准提供高时空分辨率数据支撑。
二、系统组成与参数配置
1. 闭路式三维超声波风速风向传感器
- 风速量程：0～60m/s，启动风速0.3m/s，精密度：Ux/ Uy为1mm/s，Uz为0.5mm/s（RMS）
- 风向量程：0～360°，精密度：0.6°
- 材料与功能：金属外壳，具备加热、防雨、防风（抗风速75m/s）功能
- 温度测量：分辨率＜±0.025℃（RMS）@25℃
- 工作环境：-40～85℃，0～99%RH
2. 闭路式CO₂/H₂O分析仪
- CO₂量程：0～1000μmol/mol，准确度＜1%
- H₂O量程：0～75mmol/mol，准确度＜2%
- 温漂：
- 零点温漂：CO₂±0.3μmol/mol/℃；H₂O±0.05mmol/mol/℃
- 增益漂移：CO₂读数的±0.1%/℃；H₂O读数的±0.3%/℃
-
3. 空气温湿度传感器（带防辐射罩）
- 温度范围：-50～120℃，精度±0.3℃
- 湿度范围：0～99%RH，精度±3%RH
- 供电与输出：DC12～24V，RS485输出
4. 四分量净辐射传感器
- 短波波段：0.3～3μm，响应时间≤13s
- 长波波段：4.5～50μm，响应时间≤18s
- 非稳定性：≤±2%/年，温度系数≤±1%
- 内置温度传感器：PT100
5. 土壤水分/温度/电导率传感器
- 水分精度：±3%，分辨率0.01%
- 电导率：0–10000μS/cm，精度±3%
- 温度：-40～80℃，精度±0.3℃
6. 土壤热通量板
- 测量范围：-1000～1000 W/m²
- 精度：＜5%
- 输出方式：RS485
7. 红外地表温度传感器
- 光谱范围：8－14μm
- 温度范围：-50～200℃
- 精度：±0.2℃，响应时间≤100ms
8. 数据采集器
- 处理器：ARM架构，带液晶屏，支持串口通信及远程升级
- 数据传输：支持U盘导出、主动/被动上报、支持XPH/MODBUS/JSON协议
- 稳定性与安全性：
- 绝缘电阻≥10MΩ
- 高压耐受：3000V，历时1min无击穿
- 环境适应：-40～85℃，0～95%RH
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9. 数采防护机箱与供电系统
- 机箱：不锈钢材质，双导管口，IP65防护等级，尺寸≥280×190×100mm
- 供电系统：太阳能/风能混合供电，支持14天续航，配置MPPT控制器、保温箱、立杆支架
10. 无线传输模块
- 传输方式：4G/WiFi/GPS，禁止使用境外数据链路
- 安全要求：不允许数据存储、转发、共享至第三方
- 服务：内置三年通信服务
11. 安装支架
- 结构规格：3米两截式镀锌钢管立杆，直径不小于76mm，含地基或膨胀螺丝
三、系统特点与应用优势
- 高精度闭路通量观测：通过闭路系统有效降低水汽凝结和干扰，提升通量数据稳定性。
- 能量闭合校验能力：联合地表辐射、热通量与风场数据，校核能量收支平衡，提高数据科学性。
- 全天候环境适应：宽温湿度工作范围，设备具备防雨、防风、防冻、远程维护等特性。
- 通信与存储灵活：支持多种数据传输协议，兼容多平台数据导出和展示，方便科研与运维。
四、系统设计规范依据与参考文献
设计规范
- 《GB/T 2423.1-2008》电工电子产品环境试验 第1部分：试验A：低温
- 《GB/T 2423.2-2008》电工电子产品环境试验 第2部分：试验B：高温
- 《GB/T 2423.3-2016》电工电子产品环境试验 第3部分：试验Cab：恒定湿热
- 《GB 4793.1-2007》测量、控制和实验室用电气设备的安全要求
- 《HJ 1010-2018》生态系统通量观测技术规范
参考文献
- Baldocchi, D. (2003). Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems: past, present and future. Global Change Biology, 9(4), 479–492.
- Aubinet, M., Vesala, T., & Papale, D. (Eds.). (2012). Eddy Covariance: A Practical Guide to Measurement and Data Analysis. Springer.
- 李栋，等. (2020). 闭路涡动通量系统CO₂通量观测精度优化研究. 气象科技, 48(4), 598-605.
- 陈立奇，等. (2018). 中国陆地生态系统碳通量观测技术体系构建. 地球科学进展, 33(6), 567-577.
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