渦動相關技術對觀測數據的計算處理提出了較高要求。目前微氣象領域已經出現一批較成熟的數據處理軟件如EddyPro、EdiRE、Alteddy和TK2/3等，但水環境應用領域的相關軟件較少，可用的主要有SOHFEA系列程序包。一般來說，水環境渦動觀測數據的計算包括數據預處理、協方差計算和數據后處理3個流程。


數據預處理


a.時段分割。為減小傳感器信號漂移及平流對通量計算結果的影響，需要選擇合適的觀測時段長度，或將觀測數據按照合適的時段長度進行分割。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。水環境渦動相關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.數據檢查。為保證數據可靠，需要進行野點剔除、閾值過濾和數據插補等預處理工作。野點是儀器受到外界干擾或內部誤差影響而記錄到的持續時間短、變化幅度大的信號，可基于統計學方法或近鄰、聚類、分類等算法進行檢測。閾值過濾即根據儀器診斷標志或各參量物理限值來剔除異常數據，閾值的選取需綜合考慮晝夜節律和季節更替等環境因素。剔除異常觀測值后可使用均值插補和多重插補等方法進行補值，還可適當對數據進行降頻處理以過濾觀測數據中的環境噪聲。


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，使得垂向流速時均值為零且水流主流沿儀器布設方向，從而滿足渦動相關技術的理論要求。當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，取通量結果變化平穩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間滯后，各傳感器響應時間不同也會造成類似誤差。時滯值理論上等于水流流經傳感器安裝間距的時間與各傳感器響應時間差之和。由于時滯修正的本質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行互相關分析，取最大絕對互相關值對應的移動時間為時滯修正值。


c.高頻修正。


部分傳感器因響應時間過長而易導致通量估計結果偏低，此時需要對其高頻區觀測結果進行補償。通常在頻域或波數域內乘以函數進行修正，例如考慮一組由快速響應ADV(其響應時間可以忽略)和普通濃度傳感器(其響應時間不可忽略)組成的渦動觀測系統，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間的1/e倍。若考慮兩個傳感器的響應時間，修正公式將更為復雜，可通過理論推導或實驗對比確定。


d.通量計算。


e.經上述步驟處理后可通過計算協方差得到湍流通量隨時間的變化，通常將累積的物質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。若物質交換量對時間表現出較好的線性累積趨勢，則意味著該時段內環境條件較為穩定，時均通量代表性較強。


數據后處理


a.質量評價。


渦動數據的質量評價包括湍流譜特征分析、湍流平穩性檢驗、湍流發展充分性檢驗等方面以及基于部分檢驗指標的綜合質量評價。目前水環境領域渦動相關觀測結果的質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理論假設的滿足程度。


b.足跡分析。


渦動相關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性對渦動觀測的影響，即實際觀測對假設條件的偏離程度，因此也是渦動數據質量評價的重要環節和步驟，被稱作湍流空間代表性檢驗。進一步地，足跡分析可以將數據質量與地形屬性聯系起來，繪制出數據質量的空間變化圖;理論上，渦動足跡能將任何觀測物理量(標量和通量)與地形相聯系，實現觀測數據的空間結構可視化。