表面更新：一种用于测量和处理田间尺度能量通量密度数据的先进微气象学方法

摘要

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。

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（K_c），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面的蒸散量（ET）。LE）作为以下能量平衡方程的残差
LE=R_n- G-H,

此处， LE 是与作物表面水分相变相关的能量通量密度， R_n 是净辐射， G 是土壤热通量密度（即 能量传入或传出地面），以及 H 是感热通量密度（即 从地表到空气或反之的能流密度，导致温度变化。 R_n 当净通量向下（能量传递至表面）时，为正数。 LE 和 H 为正数，表示通量向上（能量加入空气中）时， G 当通量为正值时，表示能量向下传递（能量被添加到土壤中）。 LE （兆焦/米²秒）随后除以蒸发潜热（L=2.45 MJ/kg）以计算表面水蒸气的质量通量密度（即 ET)

对 R_n 和 G 的测量相对简单且成本较低。对 H 的直接测量则更为复杂，需要高频数据采集。确定 H 的最常用方法是涡动协方差法；然而，该方法所需的声波风速计价格昂贵、操作复杂，因此并未被农学家、园艺学家或工程师广泛用于测定 H 和 LE。相比之下，通过表面温度梯度（SR）技术推导的 H 采用一种更简单且成本更低的方法获得，该方法利用细丝热电偶在地气界面测量高频空气温度。尽管 SR 方法较为简便，但目前的测量仍需以声波风速计测得的涡动协方差 H 估算值作为校准基准，才能获得感热通量密度。

对于许多缺乏大气科学正式训练的农业研究人员而言，成功部署用于蒸散量（ET）测量的SR通量塔可能是一项艰巨的挑战。SR与涡动协方差测量不仅需要在编程数据采集器以控制复杂仪器执行任务方面具备高超的技术能力，还需要编写计算机程序将原始湍流数据后处理为有意义的通量数据。本文中，我们介绍如何建立野外观测站、安装传感器，并利用我们新开发的一体化数据采集器程序进行数据采集与后处理操作。

方案

1. 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。
   1. 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。
2. 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。
   1. 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。
      1. 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：<sites.google.com/site/tmshapland>。
   2. 检查所有传感器的数据值，确认所有设备是否正常工作。
      1. 注意：如果这些变量在采集器接口程序的状态表中显示为“NAN”，则需检查相应传感器及其与采集器的连接。在完成必要修正后，返回计算机确认信号不再输出“NAN”。
3. 下述设置适用于配备一个细丝热电偶的表面更新（SR）系统，接线方式与下文所述即用型程序中嵌入的数据采集器指令相匹配。
   1. 在研究田块中确定观测站合适位置后，安装观测塔（CM6- 图1）。使用提供的地钉固定塔脚，用小型锤子将长铜质接地棒打入土壤中（位置应避免干扰土壤热通量板的安装，详见下文），并使用粗规格导线和配套连接件将接地棒与塔体连接。
   2. 使用制造商提供的U型螺栓将数据采集器外壳固定在塔体主轴上（图1）。
   3. 将两个土壤热通量板（即 G1 和 G2）白色点朝上安装于滴灌 emitter 之间的行间空地，埋深5 cm（图4）。安装时应确保热通量板与土壤良好接触，引出的延长导线应回埋入土，以防被拉出造成损坏。
      1. 将热通量板导线作为差分输入传感器连接至数据采集器通道3和4（G1：黑线接3H，红线接3L；G2：黑线接4H，红线接4L）。本文档列出的代码与数据采集器通道标签一致，并将在全文中统一使用。所有传感器的详细信息见表1。
      2. 注意：埋设于地表热通量板内部的热电堆通过测量已知热学特性的材料上的温度梯度，从而计算能量通量密度。每块热通量板均由制造商校准。由于地表热通量板若直接置于土壤表面会截获太阳辐射，因此必须埋设于土壤表层之下。由于热通量板埋设深度处的能量通量密度与地表处不同（部分能量储存在热通量板上方的土壤层中），因此需在板上方土层中平行布设一组土壤温度传感器以补偿该热储存变化。
   4. 安装土壤热电偶（1根电缆带4个并联探头，命名为Ts），使其跨越热通量板上方的土壤体积，以反映板上方热储存的变化（图4）。
      1. 将土壤热电偶作为差分传感器连接至数据采集器通道5（Ts：紫色线接5H，红线接5L）。
      2. 注意：通过以一定角度从接近土层底部至接近顶部插入土壤温度探头来测量土壤层温度（大致位于地表以下约0.04–0.01 m处）。温度探头不应插入过近地表。若土壤出现裂缝，辐射和/或感热通量与传感器之间的交换可能导致数据失真。通常建议温度传感器距地表不少于0.01 m；在因土壤干燥而产生较大裂缝的土壤中，需更深埋设⁵。
   5. 将净辐射计（命名为Rn-图5）安装在冠层上方的横臂支架上，并朝向南方。
      1. 将净辐射计作为差分传感器连接至数据采集器通道2（Rn：白线接2H，绿线接2L，屏蔽层（裸线）接信号地）。
   6. 将细丝热电偶（命名为TC1- 图6）安装在横臂一端且位于冠层上方（高度取决于特定田块中作物的生长状况及所需fetch）；空气温度将以10 Hz频率采样。用于此类测量的热电偶直径通常为76 μm。
      1. 将细丝热电偶作为差分传感器连接至数据采集器通道1，其中紫色线接1H，红线接1L，透明线接信号地。
      2. 注意：系统运行后有关热电偶维护的详细信息见下文。
   7. 使用Nu-rail接头配件将超声风速仪（图7）安装在横臂另一端（即 与细丝热电偶相对的一端），用于以10 Hz频率测量三维风速和声温，以计算涡动协方差法所需的感热通量。安装时应使测量区域中心与细丝热电偶处于同一高度。
      1. 注意：超声风速仪在野外部署前需重新配置出厂设置，以输出所需信号（更多信息请参见RM Young Model 81000RE Reconfiguration Instructions.pdf，可从sites.google.com/site/tmshapland下载）。
      2. 通过表面更新分析获得的未校准感热通量密度，可通过涡动协方差法与SR感热通量密度之间的最小二乘线性回归斜率进行校准。
   8. 将电源连接至数据采集器。
   9. 使用数据采集器前面板的RS-232电缆端口（非隔离）将笔记本电脑连接至数据采集器。若此前未在实验室完成该步骤，则上传即用型数据采集器程序。
      1. 该程序专为特定仪器组合编写，包括超声风速仪、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：sites.google.com/site/tmshapland。有关该程序及其使用的更多细节，请参见我们近期发表的论文⁶。
   10. 检查所有传感器的数据值，确认所有设备是否正常工作。
       1. 注意：如果这些变量在采集器接口程序的状态表中显示为“NAN”，则需检查或更换相应传感器。在对传感器或其接线进行调整后，返回计算机确认信号不再输出“NAN”。
4. 观测站正常运行后，按以下步骤进行维护。
   1. 拧松Nu-Rail接头，降低支撑净辐射计的主垂直桅杆。
   2. 在绝缘热电偶导线与金属圆筒连接处将其弯曲。小心地将裸露的热电偶导线（即 热电偶最尖端）浸入柠檬汁中，注意避免导线触碰容器壁。随后将导线浸入去离子水（DI水）瓶中清洗掉柠檬汁。再将热电偶导线在金属圆筒连接处恢复平直。
   3. 用去离子水喷洒净辐射计表面，用吸水纸擦干。将垂直桅杆升回原位，重新拧紧Nu-Rail固定螺钉，并调平净辐射计。
   4. 拍摄观测塔照片，记录植物冠层随时间的变化情况。
   5. 处理采集的能量平衡通量数据；即用型数据采集器程序输出的表格中已包含转换后的R_n、G、H和LE值。有关该程序输出的更多细节，请参见我们近期的研究工作^6,7。

结果

获取能量平衡方程中的 R_n 和 G 组分相对简单且成本较低。而对 H 的测量则更为复杂，需要使用细丝热电偶测量高频温度变化以进行表面更新分析，或使用声波风速仪进行涡动协方差测量。使用细丝热电偶测得的一个温度变化示例如 图9 所示，该图表明需要通过数学分析从这些原始数据中提取有效信号（分析细节见 ^3,8-13）。对该数据的目视检查可识别出三到四个主要的上升阶段，分别结束于约 12、35、46 和 72 秒处（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。 R_n 白天为正值，因为地表接收的辐射多于其散失的辐射；夜间为负值，因为地表散失的辐射多于其接收的辐射，呈现出美国加利福尼亚州北部春季晴天所预期的日变化曲线（图10). G 也遵循昼夜节律模式（图10白天，能量从地表传向地...

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...

材料

本文使用的材料清单

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