[发明专利]一种步进式涡度协方差观测数据处理方法

说明书

本发明公开一种步进式涡度协方差观测数据处理方法，在获得的原始观测数据的基础上，采用分段移动平均的处理方式，以等长度的步进时间将整个平均时段分为时间尺度上相互叠加的多个子时段，在显著增加计算时段数量的同时，包含尽可能多的原始观测数据，从而获得更多的计算通量值；另外，在累加各个子时段内的气体交换量时，将每个子时段正中间一个步进时间内的交换量作为该子时段的交换通量进行叠加，以有效避免累加整个时段造成的叠加效应。本方案不仅显著降低了原始观测数据的弃用率、增加了获取的气体交换通量数据量，而且利用该方法处理的涡度协方差数据，能够提高涡度协方差通量的时空分辨率，为群落尺度生物地球化学过程研究和碳平衡评价提供更加详实、精确的依据。

技术领域

本发明属于环境科学与碳循环研究领域，具体涉及一种步进式涡度协方差观测数据处理方法。

背景技术

涡度协方差法是原位观测生态系统与大气温室气体交换的国际通用方法，其观测数据质量很大程度上受到气象条件(降水、强风、湍流充分性和稳定性)的限制，尽管有许多数据后处理方法能够筛选并剔除这些不理想条件下的交换通量，但是最终获得的通量数据集仍然会有数据的缺失。

传统的涡度协方差法需要利用分段平均计算一段时间内的平均交换通量，将整个观测期分为长度相同、首尾链接的时间段，在每个时间段内计算这一时间段的平均温室气体交换通量，并简单累加获得总气态碳收支量，采用该数据处理方法，虽然数据缺失部分所对应时段的气象条件并不总是不利于涡度协方差观测，但是一旦出现数据值的缺失，该段时间所对应的原始数据将被全部弃用。而且，传统的涡度协方差数据处理方法原始数据弃用率相对较高，造成了原始数据的浪费，通过处理获得的气体交换通量数据量时间、空间分辨率相对较低。

在实际条件下，生态系统环境因子随时间的变化较为迅速，传统的数据处理方法获得满足高时间分辨率的气体交换通量，因而无法准确评价温室气体交换速率对环境因子的快速响应，这也就限制了涡度协方差观测数据集在生物地球化学过程研究中的进一步应用，也限制了生态系统碳交换的精确计算和评价。

发明内容

本发明针对传统涡度协方差法存在的原始数据弃用率相对较高、所获气体交换通量数据相对较少等缺陷，提出一种步进式涡度协方差观测数据处理方法。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种步进式涡度协方差观测数据处理方法，包括以下步骤：

步骤1、将原始观测数据采用分段移动平均的方式，以等长度的步进时间平均划分为时间尺度上相互叠加的多个子时段，并分别求取每个子时段内的通量数据；

步骤2、基于步骤1所获得的每个子时段内的通量数据，选取每个子时段的中间步进时间区间作为实际交换量计算区间，计算该段步进时间内的气体交换量，累加各子时段中间步进区间内的实际交换量，得到观测时间内的气体交换总量。

进一步的，所述步骤1中在求取每个子时段内的通量数据时，具体包括以下步骤：

步骤1-1、对原始观测数据进行筛选和处理，得到校正后的气体通量：

步骤1-2、对步骤1-1校正后的气体通量进行质量评价，以选取质量较高的气体通量，剔除质量较差的气体通量；

步骤1-3、将经过步骤1-2中经过质量评价后所得气体通量数据作为研究通量与环境因子相关关系的数据集。

进一步的，所述步骤1-1包括以下步骤：

(1)在每个子时段的计算区间内，进行原始观测数据检查，以排除排出原始观测数据中形成的噪点、振幅异常、浓度异常和数据突变情况；

(2)基于二次坐标旋转方法对三维风速数据进行坐标变换，经过两次坐标轴旋转之后，垂直方向平均风速和水平方向侧向风速均为零；

(3)基于雷诺分解针对气体浓度和校正后的垂向风速进行协方差分析，得到空间某点的气体垂直通量；