[发明专利]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。

主权项

1.一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)；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；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；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，声明程序运行变量、数组、单位信息，定义存储的数据表格，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，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，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，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,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；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，程序进入下一次扫描循环，周而复始运行。