渦動相關(guān)技術(shù)對觀測數(shù)據(jù)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(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。一般來說，水環(huán)境渦動觀測數(shù)據(jù)的計算包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、協(xié)方差計算和數(shù)據(jù)后處理3個流程。

數(shù)據(jù)預(yù)處理

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

b.數(shù)據(jù)檢查。為保證數(shù)據(jù)可靠，需要進(jìn)行野點剔除、閾值過濾和數(shù)據(jù)插補(bǔ)等預(yù)處理工作。野點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)時間短、變化幅度大的信號，可基于統(tǒng)計學(xué)方法或近鄰、聚類、分類等算法進(jìn)行檢測。閾值過濾即根據(jù)儀器診斷標(biāo)志或各參量物理限值來剔除異常數(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)對數(shù)據(jù)進(jìn)行降頻處理以過濾觀測數(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，使得垂向流速時均值為零且水流主流沿儀器布設(shè)方向，從而滿足渦動相關(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，湍流通量的不同分量之間會交叉干擾，即造成傾斜誤差，動量通量對傾斜誤差尤其敏感。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)方差計算

a.湍動計算。

湍動序列等于觀測序列減去時均值，但時均值通常表現(xiàn)出一定的變化(傾斜)趨勢，因此需通過整體平均法、線性去傾法和滑動平均法等方法進(jìn)行“去傾修正”。一般來說，整體平均法易造成通量高估，而滑動平均法在較小的滑動窗口里取平均彌補(bǔ)了整體平均的不足，但過小的窗口則會造成通量低估?；瑒哟翱谛枰采w對湍流通量有貢獻(xiàn)的最小尺度渦旋，可以逐步增大窗口長度并同步試算通量，取通量結(jié)果變化平穩(wěn)時的窗口長度為正式計算的滑動窗口長度。

b.時滯修正。

渦動觀測系統(tǒng)的傳感器之間存在安裝間距，因此它們的測量結(jié)果沿水流方向存在一定的時間滯后，各傳感器響應(yīng)時間不同也會造成類似誤差。時滯值理論上等于水流流經(jīng)傳感器安裝間距的時間與各傳感器響應(yīng)時間差之和。由于時滯修正的本質(zhì)在于將不同傳感器的觀測序列在時間上對齊，故實際計算時通常逐步移動一觀測序列并進(jìn)行互相關(guān)分析，取最大絕對互相關(guān)值對應(yīng)的移動時間為時滯修正值。

c.高頻修正。

部分傳感器因響應(yīng)時間過長而易導(dǎo)致通量估計結(jié)果偏低，此時需要對其高頻區(qū)觀測結(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)時間可以忽略)和普通濃度傳感器(其響應(yīng)時間不可忽略)組成的渦動觀測系統(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)時間的1/e倍。若考慮兩個傳感器的響應(yīng)時間，修正公式將更為復(fù)雜，可通過理論推導(dǎo)或?qū)嶒瀸Ρ却_定。

d.通量計算。

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

數(shù)據(jù)后處理

a.質(zhì)量評價。

渦動數(shù)據(jù)的質(zhì)量評價包括湍流譜特征分析、湍流平穩(wěn)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(biāo)的綜合質(zhì)量評價。目前水環(huán)境領(lǐng)域渦動相關(guān)觀測結(jié)果的質(zhì)量評價還處于起步階段，既要考慮傳感器的測量誤差，也要考慮實際觀測對渦動相關(guān)理論假設(shè)的滿足程度。

b.足跡分析。

渦動相關(guān)理論要求觀測下墊面水平均勻，而足跡分析可以用來評價地形異質(zhì)性對渦動觀測的影響，即實際觀測對假設(shè)條件的偏離程度，因此也是渦動數(shù)據(jù)質(zhì)量評價的重要環(huán)節(jié)和步驟，被稱作湍流空間代表性檢驗。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，繪制出數(shù)據(jù)質(zhì)量的空間變化圖;理論上，渦動足跡能將任何觀測物理量(標(biāo)量和通量)與地形相聯(lián)系，實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)可視化。