渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理提出了較高要求。目前微氣象領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)一批較成熟的數(shù)據(jù)處理軟件如EddyPro、EdiRE、Alteddy和TK2/3等，但水環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)軟件較少，可用的主要有SOHFEA系列程序包。一般來(lái)說(shuō)，水環(huán)境渦動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、協(xié)方差計(jì)算和數(shù)據(jù)后處理3個(gè)流程。

數(shù)據(jù)預(yù)處理

a.時(shí)段分割。為減小傳感器信號(hào)漂移及平流對(duì)通量計(jì)算結(jié)果的影響，需要選擇合適的觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度，或?qū)⒂^測(cè)數(shù)據(jù)按照合適的時(shí)段長(zhǎng)度進(jìn)行分割。時(shí)段長(zhǎng)度決定了觀測(cè)渦旋的最大尺度(最低頻率)，因此時(shí)段分割的本質(zhì)是低頻信號(hào)截止，即令待計(jì)算數(shù)據(jù)盡可能包含湍流信號(hào)但不含平流信號(hào)。水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)通常取時(shí)段長(zhǎng)度為10~20 min，可通過(guò)拱形測(cè)試或方差分析確定。

b.數(shù)據(jù)檢查。為保證數(shù)據(jù)可靠，需要進(jìn)行野點(diǎn)剔除、閾值過(guò)濾和數(shù)據(jù)插補(bǔ)等預(yù)處理工作。野點(diǎn)是儀器受到外界干擾或內(nèi)部誤差影響而記錄到的持續(xù)時(shí)間短、變化幅度大的信號(hào)，可基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法或近鄰、聚類、分類等算法進(jìn)行檢測(cè)。閾值過(guò)濾即根據(jù)儀器診斷標(biāo)志或各參量物理限值來(lái)剔除異常數(shù)據(jù)，閾值的選取需綜合考慮晝夜節(jié)律和季節(jié)更替等環(huán)境因素。剔除異常觀測(cè)值后可使用均值插補(bǔ)和多重插補(bǔ)等方法進(jìn)行補(bǔ)值，還可適當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降頻處理以過(guò)濾觀測(cè)數(shù)據(jù)中的環(huán)境噪聲。

c.坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)即將流速矢量從儀器坐標(biāo)系變換到自然坐標(biāo)系，使得垂向流速時(shí)均值為零且水流主流沿儀器布設(shè)方向，從而滿足渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的理論要求。當(dāng)ADV中軸線與下墊面不完全垂直時(shí)，湍流通量的不同分量之間會(huì)交叉干擾，即造成傾斜誤差，動(dòng)量通量對(duì)傾斜誤差尤其敏感。目前進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法包括二次旋轉(zhuǎn)法、三次旋轉(zhuǎn)法和平面擬合法，其中二次旋轉(zhuǎn)法使用較多。

協(xié)方差計(jì)算

a.湍動(dòng)計(jì)算。

湍動(dòng)序列等于觀測(cè)序列減去時(shí)均值，但時(shí)均值通常表現(xiàn)出一定的變化(傾斜)趨勢(shì)，因此需通過(guò)整體平均法、線性去傾法和滑動(dòng)平均法等方法進(jìn)行“去傾修正”。一般來(lái)說(shuō)，整體平均法易造成通量高估，而滑動(dòng)平均法在較小的滑動(dòng)窗口里取平均彌補(bǔ)了整體平均的不足，但過(guò)小的窗口則會(huì)造成通量低估。滑動(dòng)窗口需要覆蓋對(duì)湍流通量有貢獻(xiàn)的最小尺度渦旋，可以逐步增大窗口長(zhǎng)度并同步試算通量，取通量結(jié)果變化平穩(wěn)時(shí)的窗口長(zhǎng)度為正式計(jì)算的滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度。

b.時(shí)滯修正。

渦動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的傳感器之間存在安裝間距，因此它們的測(cè)量結(jié)果沿水流方向存在一定的時(shí)間滯后，各傳感器響應(yīng)時(shí)間不同也會(huì)造成類似誤差。時(shí)滯值理論上等于水流流經(jīng)傳感器安裝間距的時(shí)間與各傳感器響應(yīng)時(shí)間差之和。由于時(shí)滯修正的本質(zhì)在于將不同傳感器的觀測(cè)序列在時(shí)間上對(duì)齊，故實(shí)際計(jì)算時(shí)通常逐步移動(dòng)一觀測(cè)序列并進(jìn)行互相關(guān)分析，取最大絕對(duì)互相關(guān)值對(duì)應(yīng)的移動(dòng)時(shí)間為時(shí)滯修正值。

c.高頻修正。

部分傳感器因響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而易導(dǎo)致通量估計(jì)結(jié)果偏低，此時(shí)需要對(duì)其高頻區(qū)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。通常在頻域或波數(shù)域內(nèi)乘以函數(shù)進(jìn)行修正，例如考慮一組由快速響應(yīng)ADV(其響應(yīng)時(shí)間可以忽略)和普通濃度傳感器(其響應(yīng)時(shí)間不可忽略)組成的渦動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，一種可行的修正函數(shù)為H 2 wc(f)=[1+(2πfτc)2]-1，其中H 2 wc為傳遞函數(shù)，f為頻率，τc為濃度傳感器響應(yīng)時(shí)間的1/e倍。若考慮兩個(gè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間，修正公式將更為復(fù)雜，可通過(guò)理論推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)對(duì)比確定。

d.通量計(jì)算。

e.經(jīng)上述步驟處理后可通過(guò)計(jì)算協(xié)方差得到湍流通量隨時(shí)間的變化，通常將累積的物質(zhì)交換量對(duì)時(shí)段長(zhǎng)度取平均得到代表該時(shí)段特征的時(shí)均通量。若物質(zhì)交換量對(duì)時(shí)間表現(xiàn)出較好的線性累積趨勢(shì)，則意味著該時(shí)段內(nèi)環(huán)境條件較為穩(wěn)定，時(shí)均通量代表性較強(qiáng)。

數(shù)據(jù)后處理

a.質(zhì)量評(píng)價(jià)。

渦動(dòng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)包括湍流譜特征分析、湍流平穩(wěn)性檢驗(yàn)、湍流發(fā)展充分性檢驗(yàn)等方面以及基于部分檢驗(yàn)指標(biāo)的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)。目前水環(huán)境領(lǐng)域渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)結(jié)果的質(zhì)量評(píng)價(jià)還處于起步階段，既要考慮傳感器的測(cè)量誤差，也要考慮實(shí)際觀測(cè)對(duì)渦動(dòng)相關(guān)理論假設(shè)的滿足程度。

b.足跡分析。

渦動(dòng)相關(guān)理論要求觀測(cè)下墊面水平均勻，而足跡分析可以用來(lái)評(píng)價(jià)地形異質(zhì)性對(duì)渦動(dòng)觀測(cè)的影響，即實(shí)際觀測(cè)對(duì)假設(shè)條件的偏離程度，因此也是渦動(dòng)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)和步驟，被稱作湍流空間代表性檢驗(yàn)。進(jìn)一步地，足跡分析可以將數(shù)據(jù)質(zhì)量與地形屬性聯(lián)系起來(lái)，繪制出數(shù)據(jù)質(zhì)量的空間變化圖;理論上，渦動(dòng)足跡能將任何觀測(cè)物理量(標(biāo)量和通量)與地形相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)可視化。