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引言
小氣候與大范圍氣候相比較具有如下特點(diǎn)：范圍小，100米以內(nèi)的范圍，常規(guī)的氣象觀測站不能反映小氣候的差異；差別大，尤其在垂直方向氣象要素的差異都很大；日變化劇烈，越接近下墊面，溫度、濕度、風(fēng)速的日變化越大；小氣候規(guī)律較穩(wěn)定，只要形成小氣候的物理性質(zhì)不變，它的小氣候差異也就不變。
小氣候是影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要環(huán)境因素。梯度小氣候自動觀測系統(tǒng)自動測量并存儲地表與大氣相互作用時近地面層的小氣候梯度，觀測地表上方多層空氣溫濕度梯度、多層風(fēng)速風(fēng)向、植物冠層內(nèi)外的太陽總輻射或光合有效輻射梯度；以及多層土壤溫濕度梯度等。根據(jù)梯度觀測數(shù)據(jù)可直接了解地表與大氣相互作用后小氣候要素形成的時間變化和空間分布規(guī)律，為利用、調(diào)節(jié)和改善各種類型的小氣候特征提供依據(jù)。
目前梯度小氣候觀測系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸是傳感器的分辨率和重復(fù)性能否真實反梯度氣象因子的變化。
2 觀測系統(tǒng)設(shè)計
2.1 目標(biāo)
AZ-M0310梯度小氣候觀測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和存儲方式符合WMO世界氣象組織和《地面氣象監(jiān)測規(guī)范》要求，易于生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化對比研究。
對降雨可通過雨滴譜分析雨滴的形態(tài)，分布，降雨強(qiáng)度，總量，能見度等性質(zhì)參數(shù)。使降雨分析得到了質(zhì)的飛躍。
數(shù)據(jù)采集器功能強(qiáng)大，通道多，可接多種傳感器。內(nèi)存可存儲多達(dá)一年的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)可保存20年。支持RS232，F(xiàn)TP，TELNET，USB等多種通訊協(xié)議。系統(tǒng)有效的解決了高精度測量的問題，同時保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。很適合長期監(jiān)測使用。
2.2觀測點(diǎn)布設(shè)
2.2.1觀測塔的布設(shè)
塔可以建造水泥底座，但底座面積必須足夠小，不會改變局部下墊面性質(zhì)，進(jìn)而影響到觀測結(jié)果。建造過程中注意保護(hù)塔周圍下墊面植被的狀態(tài)。
森林中觀測塔的位置位于觀測場地或稍偏下風(fēng)側(cè)。塔高應(yīng)高出林冠層1/2樹高。
觀測塔通常為拉線式矩形塔，塔體及其橫桿的顏色應(yīng)涂為銀白色或淺灰色，以免因吸收太陽輻射而升溫，影響輻射觀測。
觀測塔的設(shè)計要方便工作人員安裝檢修儀器，并在塔頂，林冠層上2～3m處、林冠層、林冠層下2m和灌木層各設(shè)計一個觀測平臺。
觀測場應(yīng)安裝避雷系統(tǒng)。
2.2.2 小氣候觀測系統(tǒng)的布設(shè)和安裝
按照下圖安裝傳感器。傳感器的橫桿與觀測塔的距離應(yīng)在l.5 m以上。
輻射橫桿應(yīng)該向南方伸出。北回歸線以南的站點(diǎn)，在夏至的時段可以調(diào)整輻射觀測桿的伸出方向，以避開塔身的影響。輻射傳感器要調(diào)整水平。
土壤溫度、地表溫度和土壤熱通量傳感器應(yīng)安裝在盡可能遠(yuǎn)離觀測踏的南邊。
風(fēng)速、溫度、濕度傳感器的安裝高度應(yīng)以傳感器探頭的高度為準(zhǔn)。
數(shù)據(jù)采集器放置在防水儀器箱內(nèi)，儀器箱可安裝在塔身上、便于操作的位置。數(shù)據(jù)采集器的機(jī)殼應(yīng)連接到接地裝置上，接地電阻應(yīng)小于5 Ω。連接傳感器電纜線的轉(zhuǎn)接盒要有接地裝置，接地電阻應(yīng)小于5 Ω，設(shè)備接地端要與避雷接地網(wǎng)連在一起。
為了防雷、防鼠、防水和安裝、維護(hù)方便，小氣候觀測系統(tǒng)的電纜應(yīng)穿入電纜管內(nèi)，電纜管應(yīng)妥善綁縛在觀測塔上。并在不同的高度將電纜管折出圓弧，做成滴水彎。
2.2.3 小氣候觀測系統(tǒng)傳感器的平行校驗
每次觀測之前，溫、濕、風(fēng)速傳感器架設(shè)在“Π"形橫桿上進(jìn)行平行校驗觀測，平行檢驗時間應(yīng)至少持續(xù)一個日變化周期。將觀測結(jié)果進(jìn)行平均后，經(jīng)比較選擇觀測結(jié)果接近的傳感器用于小氣候梯度觀測，并且選擇一個為基準(zhǔn)，進(jìn)行歸一化處理。
“Π"形橫桿必須足夠長，以保證傳感器之間沒有相互影響。溫、濕度傳感器相間距離0.3m。風(fēng)傳感器相間距離0.5m，“Π"形橫桿應(yīng)與主風(fēng)向垂直。
進(jìn)行平行檢驗的觀測場的下墊面狀況應(yīng)盡可能保證水平均一。
如果小氣候觀測持續(xù)時間長，應(yīng)該在觀測結(jié)束前再次進(jìn)行平行校驗觀測。
平行檢驗結(jié)果應(yīng)該與其它觀測記錄一起存檔。
2.3數(shù)據(jù)采集
2.3.1時制、日界和對時
輻射觀測和日照時間觀測采用地方平均太陽時（以下簡稱地方平時），以24時為日界，其余觀測指標(biāo)采用北京時，以20時為日界。數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)部時鐘為觀測時鐘，采用北京時，要定期/不定期進(jìn)行時鐘校準(zhǔn)。
2.3.2 采樣
小氣候觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣在數(shù)據(jù)采集器中完成，采樣順序為氣溫、濕度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、地溫、輻射、蒸發(fā)。
土壤水分、土壤熱通量采樣時間是10分鐘一次，測量20s加熱，作為瞬時值。
氣溫、濕度、氣壓的采樣速率為每分鐘6次，去掉一個值和最小值，余下的4次采樣值求算平均；1 min平均值為瞬時值。
降水、蒸發(fā)量的采樣速率為每分鐘1次。
2.4 觀測系統(tǒng)組成
觀測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、氣象傳感器、降雨強(qiáng)度和降雨類型傳感器、氣象數(shù)據(jù)報告軟件、供電裝置，支架等部件組成。
3 數(shù)據(jù)處理
3.1 數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果顯示
數(shù)據(jù)采集報告軟件功能：系統(tǒng)有設(shè)置軟件和數(shù)據(jù)報告軟件。
系統(tǒng)設(shè)置軟件用于設(shè)置系統(tǒng)的各通道及計算公式，數(shù)值平均方法，數(shù)據(jù)文件命名方式，WEB 頁設(shè)置，Ethernet 口設(shè)置。
數(shù)據(jù)報告軟件提供滑動平均值，矢量平均和分級平均。
可在計算機(jī)上采用圖標(biāo)、曲線顯示原始數(shù)據(jù)、分鐘平均值，也可通過Internet、局域網(wǎng)絡(luò)，通過服務(wù)器-客戶機(jī)的形式查 看、瀏覽數(shù)據(jù)。
WEB 頁：DL16 提供瀏覽器功能，查看各種 WEB頁內(nèi)容。
index.htm 查看原始數(shù)據(jù)；
10m_mv.htm 查看 10 分鐘平均值；
extrem.htm 查看 30 分鐘內(nèi)的極值；
datetime.htm 查看日期和時間；
system.htm 查看系統(tǒng)配置
梯度小氣候數(shù)據(jù)輸出如下：
梯度小氣候觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)報表
| 數(shù)據(jù)周期 | 每日逐時數(shù)據(jù) | 逐日數(shù)據(jù) | 逐月數(shù)據(jù) |
| 數(shù)據(jù)表內(nèi)容 | 太陽總輻射及其累計值 | 太陽總輻射及其累計值 | 太陽總輻射及其累計值 |
| 空氣溫濕度 | 空氣溫濕度 | 空氣溫濕度 | |
| 土溫 | 土溫 | 土溫 | |
| 氣壓 | 氣壓 | 氣壓 | |
| 海平面氣壓 | 海平面氣壓 | 海平面氣壓 | |
| 降水 | 降水 | 降水 | |
| 2分鐘平均風(fēng)速 | 2分鐘平均風(fēng)速 | 1小時極大風(fēng)速 | |
| 10分鐘平均風(fēng)速 | 10分鐘平均風(fēng)速 | ||
| 2分鐘平均風(fēng)向 | 2分鐘平均風(fēng)向 | ||
| 10分鐘平均風(fēng)向 | 10分鐘平均風(fēng)向 | ||
| 10分鐘極大風(fēng)速 | |||
| 1小時極大風(fēng)速 |
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