渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)對觀(guān)測數據的計算處理提出了較高要求。目前微氣象領(lǐng)域已經(jīng)出現一批較成熟的數據處理軟件如EddyPro、EdiRE、Alteddy和TK2/3等，但水環(huán)境應用領(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(guān)測數據的計算包括數據預處理、協(xié)方差計算和數據后處理3個(gè)流程。

數據預處理

a.時(shí)段分割。為減小傳感器信號漂移及平流對通量計算結果的影響，需要選擇合適的觀(guān)測時(shí)段長(cháng)度，或將觀(guān)測數據按照合適的時(shí)段長(cháng)度進(jìn)行分割。時(shí)段長(cháng)度決定了觀(guān)測渦旋的最大尺度(最低頻率)，因此時(shí)段分割的本質(zhì)是低頻信號截止，即令待計算數據盡可能包含湍流信號但不含平流信號。水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)觀(guān)測通常取時(shí)段長(cháng)度為10~20 min，可通過(guò)拱形測試或方差分析確定。

b.數據檢查。為保證數據可靠，需要進(jìn)行野點(diǎn)剔除、閾值過(guò)濾和數據插補等預處理工作。野點(diǎn)是儀器受到外界干擾或內部誤差影響而記錄到的持續時(shí)間短、變化幅度大的信號，可基于統計學(xué)方法或近鄰、聚類(lèi)、分類(lèi)等算法進(jìn)行檢測。閾值過(guò)濾即根據儀器診斷標志或各參量物理限值來(lái)剔除異常數據，閾值的選取需綜合考慮晝夜節律和季節更替等環(huán)境因素。剔除異常觀(guān)測值后可使用均值插補和多重插補等方法進(jìn)行補值，還可適當對數據進(jìn)行降頻處理以過(guò)濾觀(guān)測數據中的環(huán)境噪聲。

c.坐標旋轉。坐標旋轉即將流速矢量從儀器坐標系變換到自然坐標系，使得垂向流速時(shí)均值為零且水流主流沿儀器布設方向，從而滿(mǎn)足渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的理論要求。當ADV中軸線(xiàn)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)量通量對傾斜誤差尤其敏感。目前進(jìn)行坐標旋轉的方法包括二次旋轉法、三次旋轉法和平面擬合法，其中二次旋轉法使用較多。

協(xié)方差計算

a.湍動(dòng)計算。

湍動(dòng)序列等于觀(guān)測序列減去時(shí)均值，但時(shí)均值通常表現出一定的變化(傾斜)趨勢，因此需通過(guò)整體平均法、線(xiàn)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)窗口里取平均彌補了整體平均的不足，但過(guò)小的窗口則會(huì )造成通量低估?；瑒?dòng)窗口需要覆蓋對湍流通量有貢獻的最小尺度渦旋，可以逐步增大窗口長(cháng)度并同步試算通量，取通量結果變化平穩時(shí)的窗口長(cháng)度為正式計算的滑動(dòng)窗口長(cháng)度。

b.時(shí)滯修正。

渦動(dòng)觀(guān)測系統的傳感器之間存在安裝間距，因此它們的測量結果沿水流方向存在一定的時(shí)間滯后，各傳感器響應時(shí)間不同也會(huì )造成類(lèi)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(guān)測序列在時(shí)間上對齊，故實(shí)際計算時(shí)通常逐步移動(dòng)一觀(guān)測序列并進(jìn)行互相關(guān)分析，取最大絕對互相關(guān)值對應的移動(dòng)時(shí)間為時(shí)滯修正值。

c.高頻修正。

部分傳感器因響應時(shí)間過(guò)長(cháng)而易導致通量估計結果偏低，此時(shí)需要對其高頻區觀(guān)測結果進(jìn)行補償。通常在頻域或波數域內乘以函數進(jìn)行修正，例如考慮一組由快速響應ADV(其響應時(shí)間可以忽略)和普通濃度傳感器(其響應時(shí)間不可忽略)組成的渦動(dòng)觀(guān)測系統，一種可行的修正函數為H 2 wc(f)=[1+(2πfτc)2]-1，其中H 2 wc為傳遞函數，f為頻率，τc為濃度傳感器響應時(shí)間的1/e倍。若考慮兩個(gè)傳感器的響應時(shí)間，修正公式將更為復雜，可通過(guò)理論推導或實(shí)驗對比確定。

d.通量計算。

e.經(jīng)上述步驟處理后可通過(guò)計算協(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)交換量對時(shí)段長(cháng)度取平均得到代表該時(shí)段特征的時(shí)均通量。若物質(zhì)交換量對時(shí)間表現出較好的線(xiàn)性累積趨勢，則意味著(zhù)該時(shí)段內環(huán)境條件較為穩定，時(shí)均通量代表性較強。

數據后處理

a.質(zhì)量評價(jià)。

渦動(dòng)數據的質(zhì)量評價(jià)包括湍流譜特征分析、湍流平穩性檢驗、湍流發(fā)展充分性檢驗等方面以及基于部分檢驗指標的綜合質(zhì)量評價(jià)。目前水環(huán)境領(lǐng)域渦動(dòng)相關(guān)觀(guān)測結果的質(zhì)量評價(jià)還處于起步階段，既要考慮傳感器的測量誤差，也要考慮實(shí)際觀(guān)測對渦動(dòng)相關(guān)理論假設的滿(mǎn)足程度。

b.足跡分析。

渦動(dòng)相關(guān)理論要求觀(guān)測下墊面水平均勻，而足跡分析可以用來(lái)評價(jià)地形異質(zhì)性對渦動(dòng)觀(guān)測的影響，即實(shí)際觀(guān)測對假設條件的偏離程度，因此也是渦動(dòng)數據質(zhì)量評價(jià)的重要環(huán)節和步驟，被稱(chēng)作湍流空間代表性檢驗。進(jìn)一步地，足跡分析可以將數據質(zhì)量與地形屬性聯(lián)系起來(lái)，繪制出數據質(zhì)量的空間變化圖;理論上，渦動(dòng)足跡能將任何觀(guān)測物理量(標量和通量)與地形相聯(lián)系，實(shí)現觀(guān)測數據的空間結構可視化。