地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置及方法与流程

1.本发明涉及观测领域，尤其涉及一种地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置及方法。


背景技术：

2.大气边界层内的空气运动明显地受地面摩擦力的影响，其性质主要取决于地表面的热力和动力作用。该层厚度变化与外层气流的速度有关，也与其自身的气象条件有关，还与下垫面状况(如地形、地貌，建筑物、植被等)有关。通常，将大气边界层分为两层：近地层和摩擦上层(即埃克曼层)。近地气层是大气边界层中接近地面的部分，其上界离地面约数10米或100米。该层直接与地面接触，气温和风速受地面影响明显。地面向大气输送的动量、热量和水汽(或其他物质)主要通过该层进行。
3.一直以来，对大气边界层中的近地层几十米内的地气交换观测很多，主要是以10-60米的铁塔为平台进行近地面通量观测。早期的近地面通量观测主要包括近地边界层大气温度、风、湿度、辐射、气压、降水量、蒸发量、土壤温度、土壤湿度、土壤热通量、地下水位、物质通量(水汽、碳通量)观测及热量、动量通量等要素观测，以此来获取不同代表性下垫面区域上大气边界层的动力、热力结构，多圈层相互作用过程中各种能量收支、物质交换等的综合信息。
4.众所周知，在近地面层的最底部还存在着一个层叫做“贴地层”，如图1所示。贴地层的是复杂的地表生态系统，包括植被层(草地、农田、灌木、森林等)、水体、冰雪、裸土等土地利用/覆盖类型。特别是植被层和土壤根层的碳水循环及其生态系统交换对大尺度边界层的“陆-气”交换研究也非常重要。然而，现有技术中缺乏对地上4米内与土壤30公分深度包含植被层的“贴地层大气 植被 土壤”层的多元“温湿度”剖面层析观测。


技术实现要素：

5.本发明提供一种地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置及方法，用以解决现有技术中缺乏对地上4米内与土壤30公分深度包含植被层的“贴地层大气 植被 土壤”层的多元“温湿度”剖面层析观测缺陷。
6.第一方面，本发明提供一种地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，包括：宽波段红外辐射温度测量仪、第一空气温湿度传感器、地表红外辐射温度测量仪、大气红外辐射温度测量仪、植被含水量红外线快速测定仪、辐射热流传感器、第二空气温湿度传感器、地表面温度探针、土壤温湿度传感器、无线土壤热流计、l型支架、第一延伸杆和第二延伸杆；其中，所述l型支架包括垂直支柱和平行支柱，所述垂直支柱的一端垂直接入地面，所述平行支柱平行于所述地面，且所述平行支柱的一端与所述垂直支柱未接入所述地面的一端相连；所述第一延伸杆的第一端和所述第二延伸杆的第一端分别与所述垂直支柱相连；所述宽波段红外辐射温度测量仪设置于所述平行支柱中未与所述垂直支柱相连的一端，用于测量所述宽波段红外辐射温度测量仪所在位置的辐射温度；所述第一空气温湿度
传感器设置于所述第一延伸杆的第二端，用于测量所述第一空气温湿度传感器所在位置的温度和湿度；所述地表红外辐射温度测量仪设置于所述第二延伸杆的第二端，用于测量所述地表红外辐射温度测量仪所在位置的地表辐射温度；所述大气红外辐射温度测量仪设置于所述第二延伸杆的第二端，用于测量所述大气红外辐射温度测量仪所在位置的大气下行辐射量；所述植被含水量红外线快速测定仪设置于所述l型支架附近的地面上的植被的冠部，用于测量所述植被含水量红外线快速测定仪所在位置处的植被的含水量；所述植被的高度低于所述第一延伸杆和所述第二延伸杆的高度；所述辐射热流传感器设置于所述植被的内部，用于测量所述辐射热流传感器所在位置的植被的辐射热流；所述第二空气温湿度传感器设置于所述植被的内部，用于测量所述第二空气温湿度传感器所在位置的植被的温度和湿度；所述地表面温度探针设置于所述l型支架附近的地面上，用于测量所述地表面温度探针所在位置的地面温度；所述土壤温湿度传感器设置于所述l型支架附近的地面下所述植被的根系所在的土壤中，用于测量所述土壤温湿度传感器所在位置的土壤的温度和湿度；所述无线土壤热流计设置于所述l型支架附近的地面下的土壤中，用于测量所述无线土壤热流计所在位置的土壤的热流量。
7.根据本发明提供的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，还包括：雨量计，所述雨量计设置于所述垂直支柱与所述平行支柱相连处，用于测量预设时间段内的降雨量。
8.根据本发明提供的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，还包括：第三延伸杆及风向和风速传感器，所述第三延伸杆的第一端与所述垂直支柱相连；所述风向和风速传感器设置于所述第三延伸杆的第二端，用于测量所述风向和风速传感器所在位置的风速和风向。
9.根据本发明提供的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，还包括：太阳能电池板，所述太阳能电池板的第一边设置于所述垂直支柱上，所述太阳能电池板的第一边的对边设置于所述第二延伸杆上，所述太阳能电池板用于为所述地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置提供能量。
10.根据本发明提供的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，还包括：数据采集器，所述数据采集器设置于所述垂直支柱上，用于将所述地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置采集的数据向上位机传输。
11.根据本发明提供的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，在所述地面以下，距所述地面3厘米、5厘米、10厘米、20厘米和30厘米处的土壤中分别设置所述土壤温湿度传感器。
12.根据本发明提供的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，所述第一延伸杆的第一端、所述第二延伸杆的第一端和所述第三延伸杆的第一端分别接入所述垂直支柱的第一接入点，所述第一接入点与所述地面之间的距离为2米。
13.根据本发明提供的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，所述宽波段红外辐射温度测量仪倾斜向下设置于所述平行支柱的一端，且所述宽波段红外辐射温度测量仪与地面之间的夹角为45
°
；所述地表红外辐射温度测量仪与所述垂直支柱平行；所述大气红外辐射温度测量仪倾斜向上设置于所述第二延伸杆的第二端，且所述大气红外辐射温度测量仪与地面之间的夹角为45
°
。
14.根据本发明提供的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，所述平行支柱与所述地面之间的距离为3.5米。
15.第二方面，本发明还提供了一种地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测方法，根据第一方面所述的地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置进行测量，得到地-气交界贴地层的多元温湿度测量数据。
16.本发明提供一种地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置及方法，该装置包括：宽波段红外辐射温度测量仪、第一空气温湿度传感器、地表红外辐射温度测量仪、大气红外辐射温度测量仪、植被含水量红外线快速测定仪、辐射热流传感器、第二空气温湿度传感器、地表面温度探针、土壤温湿度传感器、无线土壤热流计、l型支架、第一延伸杆和第二延伸杆；其中，l型支架包括垂直支柱和平行支柱，垂直支柱的一端垂直接入地面，平行支柱平行于地面，且平行支柱的一端与垂直支柱未接入地面的一端相连；第一延伸杆的第一端和第二延伸杆的第一端分别与垂直支柱相连；宽波段红外辐射温度测量仪设置于平行支柱中未与垂直支柱相连的一端，用于测量宽波段红外辐射温度测量仪所在位置的辐射温度；第一空气温湿度传感器设置于第一延伸杆的第二端，用于测量第一空气温湿度传感器所在位置的温度和湿度；地表红外辐射温度测量仪设置于第二延伸杆的第二端，用于测量地表红外辐射温度测量仪所在位置的地表辐射温度；大气红外辐射温度测量仪设置于第二延伸杆的第二端，用于测量大气红外辐射温度测量仪所在位置的大气下行辐射量；植被含水量红外线快速测定仪设置于所述l型支架附近的地面上的植被的冠部，用于测量植被含水量红外线快速测定仪所在位置处的植被的含水量；所述植被的高度低于所述第一延伸杆和所述第二延伸杆的高度；辐射热流传感器设置于植被的内部，用于测量辐射热流传感器所在位置的植被的辐射热流；第二空气温湿度传感器设置于植被的内部，用于测量第二温湿度传感器所在位置的植被的温度和湿度；地表面温度探针设置于l型支架附近的地面上，用于测量地表面温度探针所在位置的地面温度；土壤温湿度传感器设置于l型支架附近的地面下植被的根系所在的土壤中，用于测量所述土壤温湿度传感器所在位置的土壤的温度和湿度；无线土壤热流计设置于l型支架附近的地面下的土壤中，用于测量无线土壤热流计所在位置的土壤的热流量。通过该装置，可以对“大气-植被-土壤”多元温湿度进行层析式观测，从而获得同一地点同一时间的多元温湿度剖面，对于地-气交界贴地层水分转换与热量循环研究以及不同要素之间相互影响具有重要意义。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为现有技术中“贴地层”的位置示意图；
19.图2为本发明提供的一种地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置实施例的结构示意图；
20.图3为本发明提供的植被含水量红外线快速测定仪的示意图；
21.图4为本发明提供的辐射热流传感器的示意图。
22.附图说明：
23.1：宽波段红外辐射温度测量仪；2：第一空气温湿度传感器；
24.3：地表红外辐射温度测量仪；4：大气红外辐射温度测量仪；
25.5：植被含水量红外线快速测定仪；6：辐射热流传感器；
26.7：第二空气温湿度传感器；8：地表面温度探针；
27.9：土壤温湿度传感器；10：无线土壤热流计；
28.11：l型支架；111：垂直支柱；
29.112：平行支柱；12：第一延伸杆；
30.13：第二延伸杆；14：雨量计；
31.15：第三延伸杆；16：风向和风速传感器；
32.17:太阳能电池板；18:数据采集器。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.图2为本发明提供的一种地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置实施例的结构示意图。如图2所示，该地-气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置，包括：宽波段红外辐射温度测量仪1、第一空气温湿度传感器2、地表红外辐射温度测量仪3、大气红外辐射温度测量仪4、植被含水量红外线快速测定仪5、辐射热流传感器6、第二空气温湿度传感器7、地表面温度探针8、土壤温湿度传感器9、无线土壤热流计10、l型支架11、第一延伸杆12和第二延伸杆13。
35.其中，l型支架11包括垂直支柱111和平行支柱112，垂直支柱111的一端垂直接入地面，平行支柱112平行于地面，且平行支柱112的一端与垂直支柱111未接入地面的一端相连；第一延伸杆12的第一端和第二延伸杆13的第一端分别与垂直支柱相连。l型支架11的材质可以是金属材质，如铁、合金等，或者也可以是非金属材质，本发明实施例对l型支架11的材质不作限定。垂直支柱111和平行支柱112可以是竖直杆，也可以是弯曲杆，本发明实施例对此不作限定。可选地，垂直支柱111的高度可以是3.5米。
36.宽波段红外辐射温度测量仪1设置于平行支柱112中未与垂直支柱111相连的一端，用于测量宽波段红外辐射温度测量仪1所在位置的辐射温度。可选地，宽波段红外辐射温度测量仪1可以倾斜向下设置于平行支柱112的一端，且宽波段红外辐射温度测量仪1与地面之间的夹角为45
°
；或者，宽波段红外辐射温度测量仪1可以垂直向下设置于平行支柱112的一端。宽波段红外辐射温度测量仪1的型号可以为si-111或411，本发明实施例对此不作限定。该仪器的操作温度为-50～80℃，操作湿度为0～100％rh。当操作温度在-10～65℃时，测量精度为小于或等于
±
0.2℃，测量一致性小于或等于
±
0.1℃；操作温度在-40～70℃时，测量精度为小于或等于
±
0.5℃，测量一致性小于或等于
±
0.3
°
。在测量温度发生变化时，宽波段红外辐射温度测量仪1的响应时间小于1秒。宽波段红外辐射温度测量仪1的视野为22
°
半角，光谱范围在8～14μm。
37.第一空气温湿度传感器2设置于第一延伸杆12的第二端，用于测量第一空气温湿度传感器2所在位置的温度和湿度。
38.第一空气温湿度传感器2是一种装有湿敏和热敏元件，能够用来测量温度和湿度的传感器装置。第一空气温湿度传感器2以温湿度一体式的探头作为测温元件，将温度和湿度信号采集出来，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、v/i转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度和湿度成线性关系的电流信号或电压信号输出，也可以直接通过主控芯片进行485或232等接口输出。其中，温度测量范围在-40℃～ 120℃，湿度测量范围0％～100％rh。
39.地表红外辐射温度测量仪3设置于第二延伸杆12的第二端，用于测量地表红外辐射温度测量仪3所在位置的地表辐射温度。可选地，地表红外辐射温度测量仪3与垂直支柱111平行，也就是说，地表红外辐射温度测量仪3垂直于地面，可以采集地表的辐射温度。
40.大气红外辐射温度测量仪4设置于第二延伸杆13的第二端，用于测量大气红外辐射温度测量仪所在位置的大气下行辐射量。可选地，大气红外辐射温度测量仪3倾斜向上设置于第二延伸杆13的第二端，且大气红外辐射温度测量仪3与地面之间的夹角为45
°
。大气红外辐射温度测量仪3朝向天空，可以测量大气下行辐射量。
41.植被含水量红外线快速测定仪5设置于l型支架11附近的地面上的植被的冠部，用于测量植被含水量红外线快速测定仪5所在位置处的植被的含水量；植被的高度低于第一延伸杆12和第二延伸杆13的高度。可选地，植被的高度在0至2米之间。植被含水量红外线快速测定仪5如图3所示，该仪器的型号可以为sfy-20，净重量为3.7kg，工作环境温度为-5℃－50℃，相对湿度小于或等于80％rη，供电电源的电压为220v
±
10％，频率为50hz
±
1hz，采集的试样温度为-40℃－50℃，采集的试样重量为0.5g－90g，称量最小读数为0.001g，水分含量可读性为0.01％，水分测定范围为0.01％－100％，加热温度为室温－205℃，在10分钟之内可测量完成。
42.辐射热流传感器6设置于植被的内部，用于测量辐射热流传感器6所在位置的植被的辐射热流。辐射热流传感器6可以为薄片式辐射热流传感器，型号可以为df133-ts-34c。如图4所示，辐射热流传感器6的特点可以包括：内置t型热偶；超薄型，辐射热流传感器6的厚度为0.2～0.4mm；工作温度在-30～50℃；热阻低，热阻为0.006℃/(w/m2)；广泛应用于气象与地热、建筑节能、生物医疗领域空调与制冷、航天航空领域、实验室物性测量、火灾及其防火设备试验、热传递过程控制、材料的保温性能测试和建筑物围护结构性能测试等领域。
43.第二空气温湿度传感器7设置于植被的内部，用于测量第二空气温湿度传感器7所在位置的植被的温度和湿度。对第二空气温湿度传感器的说明详见对第一空气温湿度传感器，在此不作赘述。
44.地表面温度探针8设置于l型支架11附近的地面上，用于测量地表面温度探针所在位置的地面温度。地表面温度探针由表面温度传感器和显示仪表构成，表面温度传感器可以是热电偶，也可以是热电阻，显示仪表可以是通常使用的热电偶或热电阻显示仪，或数据记录仪，或计算机数据采集系统。
45.土壤温湿度传感器9设置于l型支架附近的地面下植被的根系所在的土壤中，用于测量土壤温湿度传感器所在位置的土壤的温度和湿度。可选地，在地面以下，距地面3厘米、5厘米、10厘米、20厘米和30厘米处的土壤中分别设置土壤温湿度传感器，测量对应位置的
气交界贴地层多元温湿度剖面层析观测装置进行测量，得到地-气交界贴地层的多元温湿度测量数据。
55.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。