涡动相关技术对观测数据的计算处理提出了较高要求。目前微气象领域已经出现一批较成熟的数据处理软件如EddyPro、EdiRE、Alteddy和TK2/3等，但水环境应用领域的相关软件较少，可用的主要有SOHFEA系列程序包。一般来说，水环境涡动观测数据的计算包括数据预处理、协方差计算和数据后处理3个流程。


数据预处理


a.时段分割。为减小传感器信号漂移及平流对通量计算结果的影响，需要选择合适的观测时段长度，或将观测数据按照合适的时段长度进行分割。时段长度决定了观测涡旋的最大尺度(最低频率)，因此时段分割的本质是低频信号截止，即令待计算数据尽可能包含湍流信号但不含平流信号。水环境涡动相关观测通常取时段长度为10~20 min，可通过拱形测试或方差分析确定。


b.数据检查。为保证数据可靠，需要进行野点剔除、阈值过滤和数据插补等预处理工作。野点是仪器受到外界干扰或内部误差影响而记录到的持续时间短、变化幅度大的信号，可基于统计学方法或近邻、聚类、分类等算法进行检测。阈值过滤即根据仪器诊断标志或各参量物理限值来剔除异常数据，阈值的选取需综合考虑昼夜节律和季节更替等环境因素。剔除异常观测值后可使用均值插补和多重插补等方法进行补值，还可适当对数据进行降频处理以过滤观测数据中的环境噪声。


c.坐标旋转。坐标旋转即将流速矢量从仪器坐标系变换到自然坐标系，使得垂向流速时均值为零且水流主流沿仪器布设方向，从而满足涡动相关技术的理论要求。当ADV中轴线与下垫面不完全垂直时，湍流通量的不同分量之间会交叉干扰，即造成倾斜误差，动量通量对倾斜误差尤其敏感。目前进行坐标旋转的方法包括二次旋转法、三次旋转法和平面拟合法，其中二次旋转法使用较多。


协方差计算


a.湍动计算。


湍动序列等于观测序列减去时均值，但时均值通常表现出一定的变化(倾斜)趋势，因此需通过整体平均法、线性去倾法和滑动平均法等方法进行“去倾修正”。一般来说，整体平均法易造成通量高估，而滑动平均法在较小的滑动窗口里取平均弥补了整体平均的不足，但过小的窗口则会造成通量低估。滑动窗口需要覆盖对湍流通量有贡献的最小尺度涡旋，可以逐步增大窗口长度并同步试算通量，取通量结果变化平稳时的窗口长度为正式计算的滑动窗口长度。


b.时滞修正。


涡动观测系统的传感器之间存在安装间距，因此它们的测量结果沿水流方向存在一定的时间滞后，各传感器响应时间不同也会造成类似误差。时滞值理论上等于水流流经传感器安装间距的时间与各传感器响应时间差之和。由于时滞修正的本质在于将不同传感器的观测序列在时间上对齐，故实际计算时通常逐步移动一观测序列并进行互相关分析，取最大绝对互相关值对应的移动时间为时滞修正值。


c.高频修正。


部分传感器因响应时间过长而易导致通量估计结果偏低，此时需要对其高频区观测结果进行补偿。通常在频域或波数域内乘以函数进行修正，例如考虑一组由快速响应ADV(其响应时间可以忽略)和普通浓度传感器(其响应时间不可忽略)组成的涡动观测系统，一种可行的修正函数为H 2 wc(f)=[1+(2πfτc)2]-1，其中H 2 wc为传递函数，f为频率，τc为浓度传感器响应时间的1/e倍。若考虑两个传感器的响应时间，修正公式将更为复杂，可通过理论推导或实验对比确定。


d.通量计算。


e.经上述步骤处理后可通过计算协方差得到湍流通量随时间的变化，通常将累积的物质交换量对时段长度取平均得到代表该时段特征的时均通量。若物质交换量对时间表现出较好的线性累积趋势，则意味着该时段内环境条件较为稳定，时均通量代表性较强。


数据后处理


a.质量评价。


涡动数据的质量评价包括湍流谱特征分析、湍流平稳性检验、湍流发展充分性检验等方面以及基于部分检验指标的综合质量评价。目前水环境领域涡动相关观测结果的质量评价还处于起步阶段，既要考虑传感器的测量误差，也要考虑实际观测对涡动相关理论假设的满足程度。


b.足迹分析。


涡动相关理论要求观测下垫面水平均匀，而足迹分析可以用来评价地形异质性对涡动观测的影响，即实际观测对假设条件的偏离程度，因此也是涡动数据质量评价的重要环节和步骤，被称作湍流空间代表性检验。进一步地，足迹分析可以将数据质量与地形属性联系起来，绘制出数据质量的空间变化图;理论上，涡动足迹能将任何观测物理量(标量和通量)与地形相联系，实现观测数据的空间结构可视化。