近年來(lái)，采用渦動(dòng)相關(guān)(eddy-covariance，EC)方法測量溫室氣體通量的站點(diǎn)數量在迅速增加，但是要在科學(xué)目的、工程標準、安裝運行成本和實(shí)用性之間做出平衡，尋找到最佳的解決方法，仍是一個(gè)具有挑戰的工作。從觀(guān)測結果準確性和精確度來(lái)說(shuō)，選址、建塔等站點(diǎn)設計的環(huán)節是重中之重。
1、位置選擇
站點(diǎn)選址的基本原則是，該站點(diǎn)能夠盡量觀(guān)測到全部的研究對象，這涉及到兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是方向，一個(gè)是架設高度。
首先是確定觀(guān)測區域近幾年的主風(fēng)向，可以參考近幾年的氣象數據。由于中國大部分地區是季風(fēng)氣候，一般在春夏和秋冬會(huì )有兩個(gè)主風(fēng)向，這時(shí)候要考慮通量?jì)x器的架設方向，實(shí)驗觀(guān)測的主要周期等。如果儀器架設方向可以隨主風(fēng)向的改變方便調整，或者實(shí)驗周期是明確區分了春夏或者秋冬，那么在選址時(shí)可以選在觀(guān)測對象的下風(fēng)向，這樣可以盡可能多的觀(guān)測到目標對象；如果不能改變通量?jì)x器的架設方向，且是長(cháng)期定位觀(guān)測，那盡量將觀(guān)測地點(diǎn)選址在觀(guān)測對象的中央位置，或者沿主風(fēng)向的中點(diǎn)位置，這樣可以盡可能的在不改變儀器方向和位置的前提下，觀(guān)測到盡可能多的研究對象。
確定架設高度要滿(mǎn)足通量?jì)x器的基本觀(guān)測條件， 即滿(mǎn)足湍流運動(dòng)的充分交換。一般的架設高度是下墊面冠層高度的1.5到2倍（具體確定觀(guān)測高度的經(jīng)驗法則見(jiàn)圖 1）；在相對平坦和均勻的下墊面條件下，觀(guān)測距離大約是觀(guān)測有效高度的100倍（風(fēng)浪區原理），具體范圍需要根據footprint源區計算，隨著(zhù)湍流運動(dòng)強度和下墊面情況會(huì )有所改變。
圖 1 確定觀(guān)測高度的經(jīng)驗法則
通量源區代表性分析(Footprint分析)是檢驗一個(gè)通量站質(zhì)量的重要手段，可以用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗方案的設計指導，觀(guān)測數據的質(zhì)量控制，以及通過(guò)特定傳感器的源區分布和來(lái)自感興趣下墊面(植被)的通量貢獻，從而對觀(guān)測結果進(jìn)行分析解釋。
圖 2 Footprint分析
2、下墊面的影響
2.1植被類(lèi)型
渦動(dòng)相關(guān)法測量溫室氣體通量要求儀器安裝在常通量層內，而常通量層假設要求穩態(tài)大氣、下墊面與儀器之間沒(méi)有任何源或者匯、足夠長(cháng)的風(fēng)浪區和水平均勻的下墊面等基本條件。
在渦動(dòng)相關(guān)傳感器能監測到的“源區域”內植被類(lèi)型均勻一致的情況下，其觀(guān)測到的通量結果是比較有意義的，可以用來(lái)解釋生態(tài)系統的溫室氣體收支情況。但當渦動(dòng)相關(guān)傳感器的“源區域”覆蓋到不同植被類(lèi)型時(shí)，情況就會(huì )變得復雜起來(lái)。一個(gè)極端的例子是：某站點(diǎn)周?chē)哂袃煞N不同的森林植被類(lèi)型，每天周期性地，白天，風(fēng)從一種植被類(lèi)型吹向另一種；夜間，則正好相反。那么，該站點(diǎn)觀(guān)測得到的通量資料的日平均值將毫無(wú)意義。這種極端的情況雖然極少出現，但許多站點(diǎn)都會(huì )有微妙的風(fēng)向變化，在數據分析時(shí)需要做仔細考慮。
此外，光、土壤濕度、土壤結構、葉面積以及物種種類(lèi)組成的空間異質(zhì)性會(huì )導致溫室氣體源／匯強度的水平梯度。而其植被類(lèi)型的變化也會(huì )造成表面粗糙度的變化，當風(fēng)通過(guò)不同粗糙度或者不同源/匯強度表面的區域時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生非常明顯的平流效應（Raupach & Finnigan, 1997; Baldocchi et al., 2000）。
圖 3 不同下墊面的地表粗糙度
（參考 于貴瑞&孫曉敏，2006）
地表植被類(lèi)型的突然變化會(huì )導致氣流的變化，如氣流在從高大森林向低矮草地移動(dòng)時(shí)，會(huì )在森林邊緣形成回流區(如圖 4所示)，導致近地面和上方氣流方向不一致，其水平長(cháng)度尺度(距離)等于冠層高度的2-5倍(Detto et al., 2008)。
圖 4森林邊緣附近湍流結構的概念模型
（參考Detto et al., 2008）
2.2冠層高度
通量足跡Footprint描述了EC系統能夠觀(guān)測到的“源區域”，提供了每個(gè)表面元素對測量的垂直通量的相對貢獻。Footprint取決于觀(guān)測高度、表面粗糙度和大氣穩定度等。如圖 5所示，通常來(lái)說(shuō)，傳感器的觀(guān)測高度越高，就越能觀(guān)測到更遠、更廣的區域（Horst & Weil, 1994），也便于捕捉植物冠層上方混合良好的邊界層中的通量交換。但是觀(guān)測高度也不是越高越好，在大氣層結穩定的條件下（如夜間），過(guò)高的觀(guān)測高度可能會(huì )使觀(guān)測到的“源區域”超出感興趣的研究區域。因此應該預先計算并確保來(lái)自感興趣區域的通量貢獻至少為90％（G?ckede et al., 2004），在穩定條件下至少50％的時(shí)間以確保適當的數據覆蓋不同的風(fēng)向和不同的天氣條件。
圖 5觀(guān)測高度與通量足跡
基于Munger（2012）等確定塔/測量高度（hm）的原則（如圖 1），可能存在準確測量實(shí)際觀(guān)測高度和冠層高度的困難，需要考慮后期調整高度的可能性。觀(guān)測高度必須用三維超聲風(fēng)速計測量路徑的中心來(lái)確定，其值取決于感興趣的生態(tài)系統的冠層高度（hc），冠層高度值不需要特別準確：采用主要冠層的平均預期高度是合理的。
對于冠層高度在生長(cháng)季節中快速變化的農田、草地和種植園以及同樣具有快速變化特性的冰雪下墊面，塔架設計必須考慮允許通過(guò)改變塔架高度（例如伸縮式塔架設計）或通過(guò)移動(dòng)傳感器來(lái)改變測量高度。隨著(zhù)時(shí)間的推移為了確保相同的通量觀(guān)測源區，可以考慮改變測量高度，遵循的原則是測量高度與冠層高度的0.76倍之間的差值保持在一個(gè)確定數值的±10%左右。但這種調整的頻率不用特別頻繁，最多在植被生長(cháng)期或在積雪季節每隔一周進(jìn)行。假設在植被生長(cháng)期開(kāi)始時(shí)的裸土，其測量高度為2 m，在冠層高度達到1.2 米前，不需要改變測量高度；在植被達到1.2米后（例如增加約0.5-0.8米）開(kāi)始提高測量高度，然后保持測量高度與冠層高度的0.76倍之間的差值保持在一個(gè)確定數值。改變表面高度（由于生長(cháng)和積雪）以及改變測量高度必須準確記錄，因為這必須在后期數據處理中考慮。
2.3地形影響
EC法測量通量假設了地形水平，這樣可以保證地形的坐標系和傳感器坐標系方向一致，避免平流、泄流效應的影響。
圖 6復雜地形對EC觀(guān)測的影響
在復雜的地形條件下，風(fēng)吹過(guò)小山時(shí)會(huì )引起氣流的輻合或輻散運動(dòng)，產(chǎn)生平流效應（Kaimail & Finnigan, 1994）。存在有局地風(fēng)場(chǎng)影響的站點(diǎn)，在夜間大氣穩定，垂直湍流輸送和大氣混合作用較弱，CO2的水平和垂直平流效應的影響是很重要的（于貴瑞&孫曉敏，2006）。Mordukhovish & Tsvang（1966）的研究表明，斜坡地形能導致水平異質(zhì)和通量的輻散。
對于設在地勢較高的觀(guān)測塔，在夜間對流比較弱時(shí)，通常會(huì )因CO2沿斜坡泄流而造成大氣傳輸的通量低估，最后導致生態(tài)系統凈生產(chǎn)力的估算偏高；對于在地勢較低溝谷中的觀(guān)測塔，其問(wèn)題更加復雜，如果外部的大氣平流/泄流通過(guò)觀(guān)測界面進(jìn)入生態(tài)系統，會(huì )高估光合作用吸收CO2的能力；如果外部的大氣平流/泄流不能通過(guò)觀(guān)測界面，而是從觀(guān)測界面下部直接進(jìn)入生態(tài)系統，則會(huì )在生態(tài)系統中暫時(shí)儲存，最終輸出生態(tài)系統，造成對呼吸作用的高估。
在大多數情況下，實(shí)際地形難以滿(mǎn)足地形水平的假設，這就需要進(jìn)行坐標旋轉，以消除平流項的影響。當安裝鐵塔的斜坡坡度特別大時(shí)，可以考慮將原本應水平安裝的超聲風(fēng)速計調整為與地面平行。
3、塔及塔附屬設施的影響
3.1塔體本身
塔本身對觀(guān)測的影響可分為塔本身對風(fēng)場(chǎng)的影響，以及塔的偏轉、震蕩對測量過(guò)程的影響兩種。
3.1.1 對風(fēng)場(chǎng)的影響
自然氣流無(wú)論是經(jīng)過(guò)幾十米的觀(guān)測塔，還是遇到幾毫米的儀器翼梁或電纜，各種尺度的障礙物都會(huì )使流線(xiàn)發(fā)散，從而導致用于計算通量的流線(xiàn)分離，稱(chēng)為流體失真，流動(dòng)失真以難以看見(jiàn)的方式影響測量，其影響只能在塔的設計建造階段進(jìn)行最小化。
在塔的迎風(fēng)側（上游），風(fēng)速受到影響會(huì )有所降低。受流動(dòng)失真影響的逆風(fēng)距離與障礙物大小的立方成比例，并隨著(zhù)距離的立方體而減小(Wyngaard, 1981, 1988)。在塔的背風(fēng)側（下游），風(fēng)速也減弱，這種效果隨著(zhù)風(fēng)速的增加而減?。ㄍ牧鞯母焖僦貥嫞┎⑶沂艿秸系K物的長(cháng)度和寬度的影響。
圖 7 展示了在高塔的迎風(fēng)側觀(guān)察到的風(fēng)向上的偏轉與加速， 圖 8則展示了高塔頂部和底部方向迥異的風(fēng)向。這是由于在背風(fēng)側下方產(chǎn)生的回流區造成的，障礙物(塔)尺寸越大，回流區就越容易發(fā)展得更大。在塔基通量觀(guān)測中，森林生態(tài)系統的觀(guān)測常需要10m以上的高塔作為基礎，容易導致回流區的產(chǎn)生，回流也增加了向上流動(dòng)的傾向，并加強了煙囪效應，這可能會(huì )顯著(zhù)影響風(fēng)的測量和干擾混合比梯度。
圖 7 在塔的迎風(fēng)側觀(guān)察到風(fēng)向上偏轉和加速
(引自Sanuki and Tsuda, 1957)
圖 8 塔頂部的西風(fēng)流（離地面10米）和離地面2米處的東風(fēng)回流(引自Vaucher et al., 2004)
在建造塔時(shí)，盡量選擇塔身纖細、結構較少的鐵塔，避免對風(fēng)場(chǎng)的影響，也要注意控制林窗的大小，避免人為形成回流區域。此外，應該盡量減少樹(shù)木和樹(shù)枝的移除，因為它們對風(fēng)的阻力作用可以減少這些回流區域的形成。選擇纖細塔體的同時(shí)也要保證塔體足夠堅固，以確保安全的維護通道和應對整個(gè)觀(guān)測周期中的極端環(huán)境。
當塔架底座和結構由于受到外界輻射而加熱引起對流循環(huán)時(shí)，可以觀(guān)察到煙囪效應。這增強了氣流的垂直偏轉，從而使更多的空氣向上移動(dòng)。煙囪效應取決于基礎和塔的質(zhì)量和熱容量、塔的形狀、對樹(shù)冠的干擾程度（清理/切割塔構造的樹(shù)木）和站點(diǎn)的凈輻射量等。煙囪效應是不可避免的，應盡量減少混凝土基礎和塔架結構，塔的的橫截面也盡量不超過(guò)2 x 3 m (Munger et al., 2012)。塔體結構對經(jīng)過(guò)氣流的扭曲變形和煙囪效應應該通過(guò)專(zhuān)業(yè)的方式或通過(guò)建模方法（Griessbaum & Schmidt，2009）進(jìn)行調查（Serafimovich et al., 2011）。
3.1.2 對測量過(guò)程的影響
塔體本身隨風(fēng)速的運動(dòng)會(huì )導致測量中的系統不確定性；塔的移動(dòng)應限制在0.02 m s-1（即測量風(fēng)速的精度），并且不應具有在1到20 Hz之間與風(fēng)向共同變化的力矩（諧波效應）；快速響應加速度設備可用于量化塔運動(dòng)，逐點(diǎn)校正還需要快速響應測斜儀測量以確定旋轉速率以及加速度；由于在塔上工作的人員而導致的塔架運動(dòng)不會(huì )隨著(zhù)風(fēng)或標量交換而變化，但可能會(huì )擾亂風(fēng)場(chǎng)。
3.2塔上橫臂
在1976年的國際湍流對比實(shí)驗中，一些報告顯示直徑0.05 m的水平支撐結構造成的平均上升風(fēng)速為0.1 m/s (Dyer, 1981)，它大到足以使渦動(dòng)相關(guān)測量無(wú)效。因此，風(fēng)速計安裝臂的尺寸也要盡量小，只需要提供一個(gè)安全穩定的測量平臺就可以了。
王國華等利用成熟的計算流體軟件，對布置多個(gè)支撐觀(guān)測儀器的支架所導致的大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)失真進(jìn)行定量仿真。他們發(fā)現，當支架間距小于6倍的支架直徑D或來(lái)流風(fēng)向角小于30°時(shí)支架附近流場(chǎng)受到明顯的相互干擾。通過(guò)對不同來(lái)流風(fēng)向及支架間距離模擬結果的對比分析，認為使用多支架進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)合觀(guān)測時(shí)，支架應沿垂直于觀(guān)測地點(diǎn)常年來(lái)流主風(fēng)向的展向布置。為避免不同支架相互干擾，支架間的最小距離L應大于9倍的支架截面直徑。
此外，橫臂本身需要足夠穩定以支撐儀表，可以通過(guò)增加側臂和拉索的方式，以避免橫臂的扭矩和振蕩。
3.3塔下建筑物
3.1.1一節討論了塔體本身對風(fēng)速和風(fēng)向造成扭曲從而影響風(fēng)場(chǎng)的作用，塔下其他障礙物（如設備房間、供電小屋等）也存在這種作用，如圖 9 所示。
圖 9 從障礙物側面看的迎風(fēng)流畸變和背風(fēng)側流畸變的概念圖
（引自Davies and Miller, 1982）
回流效應在高大的森林冠層中最為明顯，但較矮的草地和作物冠層也必須考慮，特別是在附近存放其他設備的房屋的情況下。因此，應盡可能地減少這種流動(dòng)變形源，在不可減少的情況下，障礙物應遠離觀(guān)測塔，避免對風(fēng)場(chǎng)的影響。
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