生态学野外研究中用于空气温度传感器的紧凑型低成本辐射屏蔽罩的构建

摘要

随着小型、低成本环境传感器的出现，现在可以部署高密度传感器网络来测量高度局部化的温度变化。本文提供了一种详细的方法，用于构建先前描述的定制辐射屏蔽罩的紧凑版本，以与廉价的温湿度记录仪（thermochrons）配合使用。

摘要

低成本温度传感器正被生态学家越来越多地用于在生态学相关的尺度上评估气候变异和变化。尽管这类传感器成本较低，但如果未配备适当的太阳辐射屏蔽装置，其所记录的观测数据将存在偏差且不准确。市售的辐射屏蔽装置虽能有效减小此类偏差，但其价格相对于传感器本身而言较为昂贵。本文提供了一种详细的制作方法，用于构建此前报道过的一种定制辐射屏蔽装置的紧凑型版本，该版本在减小屏蔽装置尺寸或降低制作成本的已发表方法中具有更高的准确性。该方法所需材料极少：波纹塑料板、铝箔胶带和扎带。每个屏蔽装置需使用一块15 cm和两块10 cm见方的波纹塑料板。将塑料板裁剪、压痕、粘贴并用订书钉固定后，两块10 cm的方板构成辐射屏蔽装置的底部两层，而15 cm的方板则构成顶层。三层板通过扎带固定在一起。这种紧凑型太阳辐射屏蔽装置可悬挂，也可紧贴任意平坦表面放置。必须注意确保屏蔽装置完全与地面平行，以防止太阳直射辐射到达传感器，在上午和下午阳光直射的地点可能引起较原始较大设计更高的暖偏差。即便如此，紧凑型小尺寸屏蔽装置与原始设计之间记录的温度差异极小（日间平均偏差 = 0.06 °C）。其制作成本不足原始设计的一半，且新设计使仪器更为隐蔽，在多种野外生态学研究环境中具有优势。

引言

由于人为导致的全球变暖，人们日益关注在多种环境中记录空气温度，以理解和预测生态系统对气候变化的响应^1,2,3。随着小型、低成本环境数据记录仪（也称为数据记录器、温度记录仪或温湿度记录仪）的出现，现在可以部署高密度传感器网络，以测量高度局部化的温度变化，从而增强生态学家直接观测研究对象生物和生态系统所经历的周围环境条件的能力。与现有那些经过良好校准且严格验证但分布稀疏的永久性气象站相比，此类网络为在生态学相关尺度上评估气候变异提供了新机遇；但如果部署不一致或不当，则可能降低研究间的准确性或可比性。

近地表空气温度传感器通常需要某种形式的太阳辐射屏蔽装置，以防止传感器元件因直接受热而导致测量结果异常偏高。常用的减少传感器偏差的方法包括：1）利用树木等现有环境特征进行遮阴⁴；2）基于传感器热特性的偏差校正与传感器校准⁵；以及3）使用市售或自行制作的屏蔽装置^6,7。许多研究人员选择自行制作屏蔽装置，因其成本低、易于部署，并且在环境条件无法提供天然遮阴的情况下尤为必要。然而，对生态学文献的综述表明，不同研究中自行设计的屏蔽装置差异较大，且个别设计很少经过准确性测试。未经测试的屏蔽装置可能因材料或设计不当，导致传感器周围空气分子额外受热，或传感器本身直接吸收太阳辐射，或两者兼有，从而产生高达3 °C的平均偏差⁷。相比之下，一些结构简单且成本低廉的设计^6,7在屏蔽效果上表现良好（偏差为1 °C或更低），其性能可与商业化的辐射屏蔽装置相媲美。

本文提供了一种用于廉价Thermochron温度传感器的、此前已评估过的定制辐射屏蔽装置的详细构建方法⁷。该屏蔽设计是在先前描述并测试于开放环境下的北美黄松林中的一种设计基础上改进而来⁶。在近期对多种定制屏蔽设计的测试中，这种经过山地环境验证的屏蔽装置与小型Thermochron传感器配合使用时表现出最低的偏差⁷，但我们发现其在现场部署时操作不便且过于显眼。本文提出的改进方案将辐射屏蔽装置的尺寸缩小了50%。这种尺寸的减小带来了多项优势：1）更不显眼，因而更不易受到人为干扰；2）在空间受限的多种生态环境中更具可行性（例如，用于城市中较小的行道树）；3）相较于其他旨在减小屏蔽尺寸或降低制造成本的已发表屏蔽方法，其测量精度更高⁷；4）由于所需建筑材料数量减少，其成本低于原始的较大设计。在详细介绍构建方法后，我们利用在强向下太阳辐射条件下开展的野外试验结果，探讨了尺寸缩小对该传感器相对于原始屏蔽设计的测量准确性的影响。

方案

1. 辐射屏蔽装置的构建

1. 使用 utility knife 将波纹塑料板切割成正方形（图 1A）。每个防护罩需要一个 15 cm 的正方形和两个 10 cm 的正方形。
2. 小型辐射防护罩顶层的切割方法（图 1B；左图）：
   1. 在 15 cm 的正方形上，从一边起测量 4 cm，并用铅笔画一条线。使用直尺作为引导，沿线进行划痕切割。（此处“划痕切割”指使用刀具仅切穿波纹塑料板的一层，而非贯穿整块板材。）此后，该边将被称为“顶部”（图 1B；左图）。
   2. 从与 4 cm 线垂直的两边起，各测量 3.8 cm。使用直尺作为引导，从底部向上划痕切割至 4 cm 线处（图 1B；左图）。
   3. 从 4 cm 线上方的两个角分别向 4 cm 线与 3.8 cm 线的交点画线，并沿这些线进行切割（图 1B；左图）。
3. 小型辐射防护罩中层和底层的切割方法（图 1B；中图和右图）：
   1. 使用直尺，在每个 10 cm 正方形的中央画一个 6 cm 的正方形（图 1B；中图和右图）。
   2. 围绕 6 cm 正方形的四周进行划痕切割，并从 6 cm 正方形的每个角向 10 cm 正方形的外角进行划痕切割（图 1B；中图和右图）。
4. 使用铝箔胶带完全覆盖 15 cm 正方形的划痕面，以及其中一个 10 cm 正方形的划痕面；另一个 10 cm 正方形则覆盖其未划痕的一面。
5. 使用 1/4” 钻头，按照 图 1C 所示，在每层防护罩上钻孔。
6. 将温度传感器固定在 10 cm 正方形的底面。该正方形的划痕面已贴上胶带，且中间有两个孔。将扎带穿过传感器外壳（或其安装装置）上的环孔，并穿过 10 cm 正方形上的两个孔，以完成固定（图 1D）。
7. 折叠板材。
   1. 沿划痕线折叠 15 cm 的板材。若胶带使边缘过紧而难以折叠，可施加适当压力。
   2. 将大背板内侧的小三角形折片向内折叠。正确操作后，从上方只能看到贴有胶带的表面。背板的切边应与折叠后的侧边齐平。
   3. 使用另一层铝箔胶带将折叠后的侧边固定到背板上。也可使用重型订书机将背板订合，以增强结构强度。
   4. 取两个 10 cm 的板材，沿对角线的划痕线将两侧捏合在一起。使用重型订书机将捏合处订牢（图 1E）。最终成品呈方形碗状。
8. 使用 20 cm 扎带将各层板材绑在一起。
   1. 从贴有胶带且未划痕的一面朝下的 10 cm 板材（带三个孔）开始，将扎带穿过两个 10 cm 板材左后方的孔。两层之间保持 2 cm 的垂直间距，以确保温度传感器周围空气流通。对右后方的孔重复此步骤（图 1E；中图和右图）。
   2. 取 15 cm 的板材，将扎带穿过其左后方并列的两个孔（图 1E；左图），并将该扎带连接到 10 cm 板材上，同时保持 15 cm 板材与上方 10 cm 板材顶部之间有 2 cm 的间距。对右后方并列的两个孔重复此步骤（图 1E；左图）。
   3. 最后，将一根扎带穿过所有三层板材前方的三个孔（箭头所示；图 1E）。拉紧扎带，确保三层板材之间的间距均匀一致（图 1F）。
9. 在最终组装完成的产品后端钻设额外孔洞，以便在需要时进行安装固定。无论防护罩安装于何处，均需确保三层板材与地面平行。

图1：构建小型辐射屏蔽罩的分步说明。 (A) 从大张波纹塑料板上裁下15 cm和10 cm的正方形。 (B) 对15 cm的板材进行切割和刻痕，对10 cm的板材进行刻痕，以便将屏蔽罩弯折成正确形状。 (C) 在每块板材上钻孔。 (D) 将传感器绑在其中一块10 cm的板材上。 (E) 使用多个扎带组装屏蔽罩。 (F) 最终完成的屏蔽罩已准备就绪，可供安装。 请点击此处查看该图的放大版本。

结果

使用配备新型较小防护罩设计、原始较大防护罩设计以及无辐射防护罩的温湿度记录仪所获得的代表性结果如图2和图3所示。这些数据记录于美国北卡罗来纳州罗利市附近一个完全暴露的乡村地点（35.728°N，78.680°W），并固定在一个经过良好校准的永久性气象站上，该气象站配备了一个安装在风抽式多板辐射防护罩内的VAISALA铂电阻空气温度传感器（HMP45C）⁷。在图2a中，展示了四个使用小型辐射防护罩的传感器与永久气象站之间记录温度差异的箱线图。所有四个测试传感器均表现出正向偏差（平均偏差 = 0.56 °C），但该偏差与使用原始较大防护罩设计时的结果相似（图2b；平均值 = 0.56 °C），且明显小于无防护罩传感器的偏差（

讨论

空气温度测量的准确性和可重复性取决于是否使用了适当的太阳辐射屏蔽装置，以保护传感器免受直接和反射的太阳辐射影响。本文介绍了一种此类屏蔽装置的构建方法，其尺寸更紧凑、成本更低，或相较于此前报道的类似装置更易于快速制作⁶，且不牺牲准确性。配备较小防护罩的温湿度记录仪所记录的温度中，94%与配备原始较大辐射防护罩的表现最佳的温湿度记录仪测得的温度相差在1.0 °C以内，71%的观测值差异在0.25 °C以内。

该防护罩的设计与其较大的前代设计类似，均为广泛使用的被动式吉尔（Gill）防护罩的变体。理想的被动防护罩应具备以下特性：从各个角度为传感器遮挡太阳辐射；允许空气自由流过防护罩；以及防护罩材料本身吸收的辐射尽可能少⁸。设计通常需要在遮阳效果与空气流通之间做出权衡。那些最大限度促进被动空气流动的设计无法实现完全遮阳，存在传感器直接受热的风险；而完全屏蔽的设计则会阻碍空气流动，导致防护罩内部空气温度高于周围环境空气温度。

作为一种被动通风...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
多功能铝箔胶带	Nashua	1087671	48 mm 宽
8" 扎带	DTOL	GEN86371	NA
波纹塑料板	Highway Traffic supply	hts18X24COROW	白色板，18" 长 × 24" 宽，5片装
标准美工刀	NA	NA	NA
标准剪刀	NA	NA	NA
重型订书机	Swingline	552277715	NA