地表更新是一种微气象学方法，正被越来越多地用于测定能量通量，但其技术复杂性使其难以被广泛使用。本文描述了建立和校准地表更新野外观测站、采集和处理数据以及正确解释结果所需的各个步骤。
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摘要
摘要
先进的微气象学方法在土壤、作物和环境科学中正变得越来越重要。对于许多未接受过大气科学正规培训的科学家而言，这些技术相对难以掌握。表面余热法及其他通量测量方法需要研究者理解边界层气象学，并接受仪器使用和多种数据管理程序的 extensive 培训。为了提高这些技术的可及性，本文阐述了表面余热测量的基本理论，演示了如何建立一个配备涡动协方差校准的表面余热野外观测站，并利用我们开源的一体化数据采集程序进行通量数据的获取与处理。这一新的一体化程序可向用户提供一个包含校正后通量值和质量控制参数的简洁数据表，避免了研究人员在多个处理程序之间切换以获得最终通量数据的繁琐过程。通过该技术获取的实测数据示例展示了如何利用此方法测量作物耗水量。所得信息可帮助种植者在多种农业生态系统中做出灌溉决策。目前，我们研究团队与中国加州水资源部已在以下作物中部署了多个此类观测站：水稻、酿酒和制干葡萄园、苜蓿、杏仁、核桃、桃、柠檬、牛油果和玉米。
引言
水资源短缺威胁着干旱种植区的农业可持续性。随着气候变化以及农业、市政、工业和保护部门对有限水资源的竞争日益加剧，这一状况可能会进一步恶化。为应对这一持续存在的难题，种植者不断寻求提高灌溉效率的方法，而能够实时更准确地估算作物耗水量（即蒸散量，ET）的技术以及更先进的农业气象学方法，无疑将有助于这些努力。目前种植者用于估算蒸散量（ET）的技术依赖于参考蒸散量（ET0）和经验性作物系数（Kc），但这两者都极易产生估算误差。农业气象学家还通过测量蒸散量来评估旨在提高作物水分利用效率的试验处理措施1，并为区域水资源分配策略提供参数支持2，但这些方法技术要求高且成本昂贵。目前，研究人员正致力于将基于科研的蒸散量测量方法转化为经济高效且便于种植者使用的实用技术。
表面更新（SR）是一种用于测量作物蒸散量（ET）的农业气象学方法。SR基于分析在湍流交换过程中短暂存在于作物冠层内的空气团的能量平衡。3 如使用所示设备测得 图1 并在理论上进行了图示说明 图2 以及视频1。在湍流温度时间序列数据中，空气团表现为坡道状的形态，通过坡道的幅度和周期可计算通量密度（图2 和 3）。利用SR方法，通过计算潜热通量密度来确定特定作物表....
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方案
- 在野外安装前进行风向和足迹分析；此步骤对于确保将观测塔正确安置以捕获研究田块中具有代表性的通量至关重要。
- 在建立野外观测站之前，必须评估研究样地的主导风向，并确定特定应用所需的上风向距离（即“下垫面延伸距离”或fetch）。该距离取决于被测表面的高度以及仪器安装的高度4。通常情况下，传感器每高出冠层中点1米，其下风向距离应达到100米。
- 根据具体配置需求，在前往野外前将传感器连接至数据采集器，并尽可能完成设备的准备工作。在野外部署前，将程序载入采集器，并按照以下步骤测试采集器是否正常运行。
- 使用数据采集器前面板上的RS-232电缆端口（非隔离）将笔记本电脑连接至数据采集器，打开接口程序以与数据采集器通信并建立连接。随后将即用型数据采集器程序上传至采集器。标准USB电缆和蜂窝移动电话也可用于与数据采集器通信。
- 该程序专为特定仪器组合编写，包括三维超声风速仪、两个热通量板、一个土壤热电偶、一个细丝空气热电偶和一个净辐射计。用户可针对其他传感器配置调整程序，但在任何修改后应仔细进行野外测试。若在程序中添加大量复杂的代码行，则可能导致程序无法正常运行；特别是当超声风速仪以串行模式而非模拟模式采样时。该程序可从以下网址下载：<site....
- 使用数据采集器前面板上的RS-232电缆端口（非隔离）将笔记本电脑连接至数据采集器，打开接口程序以与数据采集器通信并建立连接。随后将即用型数据采集器程序上传至采集器。标准USB电缆和蜂窝移动电话也可用于与数据采集器通信。
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结果
获取能量平衡方程中的 Rn 和 G 分量相对简单且成本较低。H 的测量更为复杂，需要使用细丝热电偶进行表面更新法或使用声学风速仪进行涡动协方差法来获取高频温度序列。图9 展示了使用细丝热电偶测得的一个典型温度序列，可以看出需要通过数学分析从这些原始数据中提取有效信号（分析细节参见3,8-13）。对该数据的目视检查显示，存在三到四个主要的温度上升阶段，分别在约 12、35、46 和 72 秒处结束（图9）。
所有能量平衡组分均呈现相似的昼夜变化规律，峰值出现在正午时分。 Rn 白天为正，因为地表接收的辐射多于散失的辐射；夜间为负，因为地表散失的辐射多于接收的辐射，呈现出美国加利福尼亚州北部春季晴朗天气下典型的日变化曲线图10). G 也遵循昼夜节律模式（图10白天，由于能量从地表传入地下，其值为正.......
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讨论
表面更新法为开发一种独立、低成本的实时量化作物耗水量的技术提供了切实可行的机遇。近年来在信号处理、数据记录仪编程、校准和数据管理方面的进展，使这一目标变得更加清晰。本论文以及我们近期开发的即用型数据记录仪程序6，使先进的微气象学方法对农业研究人员而言更加易于获取。该即用型数据程序输出的包含能量平衡项和诊断变量的表格，可通过远程或直接连接下载，极大地方便了用户在野外考察期间的使用。我们预计未来将陆续发布该程序的更新版本，因为这仍是我们在研究工作中持续推进的项目（请关注表面更新涡动协方差 Facebook 页面 图12）。
目前，SR 仍需通过涡动协方差法进行校准，而这需要使用昂贵且技术要求高的声学风速计。只有消除这一校准步骤，SR 才能成为一种独立的技术。我们目前正致力于解决这一问题，希望在不久的将来推动 SR 发展为一种自校准的技术。
用于SR分析的细丝热电偶在野外条件下使用时存在一些不便之处。热电偶上或其附近植物嫩枝上滋生的蜘蛛网可能在有风条件下导致测温接点断.......
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披露
作者声明不存在当前的竞争性财务利益。
致谢
本研究的部分支持来自 J. Lohr Vineyards & Wines、国家葡萄与葡萄酒研究所、美国农业部国家食品与农业研究所特色作物研究计划向 AJM 提供的资助，以及美国农业部农业研究局 CRIS 资金（研究项目编号 #5306-21220-004-00）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 数据记录仪 | Campbell Scientific, Inc. | CR1000 | |
| 数据记录仪外壳 | Campbell Scientific, Inc. | ENC12/14-SC | |
| 6英尺高塔架，带接地装置 &和避雷针 | Campbell Scientific, Inc. | CM6 | |
| 横臂（4 英尺） | Campbell Scientific, Inc. | CM204 | |
| Nu-rail 交叉连接件 | Campbell Scientific, Inc. | 17953 | |
| 带稳压器的电源（12 V） &和电池 | Campbell Scientific, Inc. | PS100 | |
| 充电调节器（12 V） | Campbell Scientific, Inc. | CH100 | |
| 电池延长线 | Campbell Scientific, Inc. | 6186 | |
| 热电偶延长电缆 | Campbell Scientific, Inc. | FWC-20 | |
| 热电偶 | Campbell Scientific, Inc. | FW3 | |
| 带长颈的三维超声风速仪 | RM Young 公司 | 81000 RE | |
| 风速计用8芯电缆 | RM Young 公司 | 18660 | |
| 土壤热通量板 | REBS, Inc. | HFT3.1 | |
| 土壤热电偶 | Campbell Scientific, Inc. | TCAV | |
| 带电缆的净辐射计 | Kipp and Zonen, Inc. | NR Lite 2 | |
| 用于辐射计的重型杆式安装架 | Kipp and Zonen, Inc. | L-CMB1 |
参考文献
- Moratiel, R., Martínez-Cob, A. Evapotranspiration of table grape trained to a gable trellis system under netting and black plastic mulching. Irrigation Science. 30 (3), 167-178 (2011).
- DWR (Department of Water Resources). California Water Plan Update, Bulletin 160-05. , Califo....
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