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

本实验的总体目标是安装一套地表更新系统，用于测量和处理田间尺度的能量通量密度数据。首先在田间安装塔上数据采集器外壳和太阳能电池板，以实现该目标。第二步是将传感器固定到塔上。

接下来，将传感器导线连接到数据记录仪。最后一步是使用笔记本电脑与数据记录仪连接，将程序上传至数据记录仪，并检查数据记录仪是否正在接收来自传感器的信号。最终，利用表面更新法测量生态系统的蒸散量，为农业生态系统中种植者制定灌溉决策提供有用的信息。

尽管该方法在农业和城市用水方面具有指导意义，但也适用于自然生态系统，例如林业和湿地。该技术对灌溉管理具有重要意义，因为蒸散作用是农作物生产系统中水分流失的主要原因。通常，初次接触该方法的人员会遇到困难，因为他们不知道如何安装设备或确认设备是否正常运行。

我们最初产生这一方法的想法，源于对湍流数据的观测促使我们将化学工程中的表面更新概念引入大气科学。本实验程序将由我们的团队成员 Rick Snyder、PA 以及博士后 Arturo Calderone 和 Tom Chaplin 进行演示。开始本实验时，首先确定野外观测站的位置，并按照文本方案中所述评估风向。

在前往野外之前，尽可能在实验室中准备好大部分设备。首先，将传感器连接到数据记录仪上。然后，使用 RS 232 电缆将笔记本电脑与数据记录仪端口连接。

打开与数据记录仪通信的接口程序，然后连接至数据记录仪。接着将即用型数据记录仪程序上传至数据记录仪。检查所有传感器的数据值，以确认所有设备是否正常工作。

在研究区域确定观测站的合适位置后，架设塔架，并使用提供的桩钉固定塔架底脚。用小型锤子将长铜接地棒敲入土壤中，位置应避免干扰土壤热通量板。

使用粗规格导线和提供的连接器将接地棒连接到塔架上。使用制造商提供的U型螺栓将数据记录仪外壳固定在塔架的主轴上。将两个土壤热通量板安装在滴灌 emitter 之间的行间区域，白色圆点朝上，插入深度为五厘米。

将热通量板的导线作为差分输入传感器连接到数据记录仪的第三和第四通道。安装土壤热电偶，使其跨越地面热通量板上方的土壤体积，以考虑板上方土壤热储存的变化。将土壤热电偶作为差分传感器连接到数据记录仪的第五通道。

将净辐射计安装在横臂上，支架位于冠层上方并朝向南方。将净辐射计连接到数据采集器的第二通道。

作为差分传感器，将细丝热电偶安装在横臂的一端并置于冠层上方。空气温度将通过热电偶以10赫兹的频率进行采样。

用于这些测量的通常为直径76微米的细丝。将细丝热电偶作为差分传感器连接到数据记录仪的第一通道，其中紫色导线接一个H端，红色导线接一个L端，透明导线接信号地线。使用新型导轨连接配件将超声风速计安装在横臂的另一端，以每秒10次的频率测量三维风速和超声温度。

为计算涡动协方差显热通量，安装超声风速仪，使其测量区域的中心与细丝热电偶处于同一高度。然后，将电源连接到数据采集器。

使用数据记录仪前面板上的 RS 232 电缆端口将笔记本电脑连接到数据记录仪。运行即用型数据记录仪程序，检查所有传感器的数据值，以确保所有设备正常工作。

拧开新的轨道接头，放下支撑净辐射计的主垂直桅杆。将绝缘热电偶导线在其与金属圆筒连接处弯曲。小心地将裸露的热电偶导线浸入一瓶柠檬汁中，注意不要让裸露的导线触碰到瓶壁。

将导线浸入去离子水瓶中，清除传感器上的柠檬汁残留物。重新将热电偶导线在其与金属连接处捋直。用去离子水喷洒净辐射计，并用吸水擦拭布擦干。

将垂直桅杆升至其原始位置。重新拧紧新导轨的固定螺钉，并调平净辐射计。此处展示的是使用细丝热电偶测得的典型温度变化曲线。

该曲线表明需要通过数学分析从这些原始数据中提取信号。目视检查这些数据可观察到三个或四个主要的上升阶段，分别结束于大约12、35、46和72秒。所有能量平衡组分均呈现出相似的昼夜变化模式，峰值出现在正午时分。

白天，净辐射为正值，因为地表接收的辐射多于其散失的辐射；夜间则为负值，因为地表散失的辐射多于其接收的辐射，呈现出加利福尼亚州北部春季晴朗天气下典型的昼夜变化曲线。土壤热通量密度也遵循类似的昼夜变化模式。

白天，能量从地表传入地下，因此为正值；夜间则为负值。当更多能量从地下传导至较冷的地表时，潜热通量在水分充足的作物上方呈现出预期的昼夜变化曲线。在晴好天气条件下，净辐射是蒸散作用的主要能量来源。

因此，潜热通量密度值在白天会随着活跃蒸腾作物上方净辐射的变化而变化。在净辐射为正值的条件下，大部分可利用能量预期会分配给潜热通量密度，而非显热通量密度和土壤热通量密度。在有风的夜间，潜热通量接近于零，而在无风的夜间则为负值，可能表明发生了凝结现象。

然而，白天对潜热通量的贡献远大于夜间贡献。因此，尽管夜间数值的不确定性值得关注，但相对而言并不重要。地表更新站与并排设置的称重式蒸渗仪所测得的日累计蒸散量数值吻合良好。

在小麦田中，称重式蒸渗仪被认为是估算作物表面蒸散量的黄金标准。在大多数日子里，地表更新站测得的累积蒸散量略高于蒸渗仪塔的数据。地表更新站的测量代表了比蒸渗仪更大范围区域的通量，而在进行这些测量时，蒸渗仪内小麦植株的高度比田间其余区域的植株约矮10厘米，且密度较低。

因此，在安装设备期间，预计通量塔测得的蒸散量值会较高。按照此步骤操作后，在离开现场之前，必须检查传感器是否已将数据传回记录仪。在该方法建立后，还可利用其他测量指标（如叶片水势）来回答有关植物水分状况的其他科学问题。

该技术为农业领域的研究人员探索多种作物的大田尺度用水情况铺平了道路。