Oberflächen Erneuerung: Ein Advanced Mikrometeorologische Verfahren zur Messung und Verarbeitung Feld Skala Energieflussdichte Daten

Zusammenfassung

Oberflächenerneuerung ist eine mikrometeorologische Methode, die zunehmend zur Bestimmung von Energieflüssen eingesetzt wird, aber aufgrund ihrer technischen Komplexität für ein breites Publikum unzugänglich ist. Wir beschreiben die Schritte, die erforderlich sind, um eine Feldstation für die Oberflächenerneuerung einzurichten und zu kalibrieren, Daten zu erfassen und zu verarbeiten und die Ergebnisse richtig zu interpretieren.

Zusammenfassung

Fortgeschrittene mikrometeorologische Methoden haben in den Boden-, Pflanzen- und Umweltwissenschaften zunehmend an Bedeutung gewonnen. Für viele Wissenschaftler ohne formale Ausbildung in Atmosphärenwissenschaften sind diese Techniken relativ unzugänglich. Die Oberflächenerneuerung und andere Methoden zur Messung des Flusses erfordern ein Verständnis der Grenzschichtmeteorologie und eine umfassende Ausbildung in Instrumentierung und mehreren Datenmanagementprogrammen. Um die Zugänglichkeit dieser Techniken zu verbessern, beschreiben wir die zugrundeliegende Theorie der Oberflächenerneuerungsmessungen, demonstrieren, wie eine Feldstation für die Oberflächenerneuerung mit Eddy-Kovarianz-Kalibrierung eingerichtet wird, und nutzen unser schlüsselfertiges Open-Source-Datenloggerprogramm, um die Erfassung und Verarbeitung von Flussdaten durchzuführen. Das neue schlüsselfertige Programm gibt dem Benutzer eine einfache Datentabelle mit den korrigierten Flussmitteln und Qualitätskontrollparametern zurück und macht es für Forscher überflüssig, zwischen mehreren Verarbeitungsprogrammen zu wechseln, um die endgültigen Flussdaten zu erhalten. Ein Beispiel für Daten, die aus diesen Messungen generiert werden, zeigt, wie der Wasserverbrauch von Pflanzen mit dieser Technik gemessen wird. Die Output-Informationen sind für die Landwirte nützlich, um Bewässerungsentscheidungen in einer Vielzahl von landwirtschaftlichen Ökosystemen zu treffen. Diese Stationen werden derzeit in zahlreichen Feldexperimenten von Forschern unserer Gruppe und des California Department of Water Resources in den folgenden Kulturen eingesetzt: Reis-, Wein- und Rosinenweinberge, Luzerne, Mandel, Walnuss, Pfirsich, Zitrone, Avocado und Mais.

Einleitung

Wasserknappheit bedroht die landwirtschaftliche Nachhaltigkeit in trockenen Anbauregionen. Diese Situation wird sich wahrscheinlich mit den sich ändernden klimatischen Bedingungen und dem zunehmenden Wettbewerb zwischen landwirtschaftlichen, kommunalen, industriellen und Naturschutzeinrichtungen um begrenzte Wasservorräte verschärfen. Um dieses anhaltende Dilemma zu bewältigen, suchen die Landwirte ständig nach Möglichkeiten, die Bewässerungseffizienz zu verbessern, und Technologien, die den Wasserverbrauch der Pflanzen (d. h. Evapotranspiration, ET) in Echtzeit besser abschätzen, und bessere agrarmeteorologische Methoden werden diese Bemühungen sicherlich unterstützen. Die derzeitigen Technologien, die von den Landwirten zur Schätzung der ET verwendet werden, beruhen auf der Verwendung der Referenz-Evapotranspiration (ET₀) und eines empirischen Pflanzenkoeffizienten (K_c), die beide sehr anfällig für Schätzfehler sind. Agrarmeteorologen messen ET auch, um experimentelle Behandlungen zur Verbesserung der Wassernutzungseffizienz von Pflanzen¹ und zur Parametrisierung regionaler Wasserzuteilungsstrategien² zu bewerten, aber diese Methoden sind hochtechnisch und teuer. Derzeit werden Anstrengungen unternommen, um bestehende forschungsbasierte ET-Messmethoden in kostengünstige und benutzerfreundliche Technologien für Landwirte umzusetzen.

Oberflächenerneuerung (SR) ist eine agrarmeteorologische Methode, die zur Messung der ET von Pflanzen verwendet wird. SR basiert auf der Analyse des Energiehaushalts von Luftparzellen, die sich während des turbulenten Austauschprozesses³ ephemer im Pflanzendach befinden, gemessen mit der in Abbildung 1 gezeigten Station und theoretisch veranschaulicht in Abbildung 2 und Film 1. Die Luftpakete manifestieren sich als rampenartige Formen in turbulenten Temperatur-Zeitreihendaten, und die Amplitude und Periode der Rampen werden zur Berechnung der Flussdichte verwendet (Abbildungen 2 und 3). Bei der SR-Methode wird die ET für eine gegebene Pflanzenoberfläche bestimmt, indem die latente Wärmeflussdichte (LE) als Residuum der folgenden Energiebilanzgleichung berechnet wird
LE=R n-G-H,

Hier ist LE die Energieflussdichte, die mit der Phasenänderung von Wasser von einer Pflanzenoberfläche verbunden ist, R_n ist die Nettostrahlung, G ist die Wärmeflussdichte des Bodens (d.h. Energie, die in den oder aus dem Boden geleitet wird) und H ist die sensible Wärmeflussdichte (d.h. die Energieflussdichte von der Oberfläche zur Luft oder umgekehrt, die zu einer Temperaturänderung führt). R_n ist eine positive Zahl, wenn der Nettofluss nach unten gerichtet ist (Energie, die der Oberfläche zugeführt wird), LE und H sind positive Zahlen, wenn der Fluss nach oben geht (Energie, die der Luft zugeführt wird), und G ist eine positive Zahl, wenn der Fluss nach unten gerichtet ist (Energie, die dem Boden zugeführt wird). LE (MJ/m²sec) wird dann durch die latente Verdampfungswärme (L=2,45 MJ/kg) dividiert, um die Massenflussdichte von Wasserdampf von der Oberfläche (d.h. ET) zu erhalten.

Messungen von R_{, n} und G sind relativ einfach und kostengünstig. Direkte Messungen von H sind komplexer und erfordern eine hochfrequente Datenerfassung. Die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung von H ist die Eddy-Kovarianz; Das für diese Methode erforderliche Schallanemometer ist jedoch teuer, komplex und wird daher von Agronomen, Gartenbauern oder Ingenieuren nicht häufig zur Bestimmung von H und LE verwendet. Auf der anderen Seite wird H, abgeleitet von der SR-Technik, durch eine einfachere und kostengünstigere Methode erhalten, bei der Feindraht-Thermoelemente verwendet werden, um hochfrequente Lufttemperaturen an der Grenzfläche zwischen Oberfläche und Atmosphäre zu messen. Trotz der Einfachheit des SR ist bei Strommessungen immer noch eine Kalibrierung gegen die Wirbelkovarianzschätzung eines Schallanemometers von H erforderlich, um eine sensible Wärmeflussdichte zu erhalten.

Der erfolgreiche Einsatz eines SR-Flussturms für ET-Messungen kann eine gewaltige Herausforderung sein, insbesondere für viele Agrarforscher ohne formale Ausbildung in Atmosphärenwissenschaften. SR- und Eddy-Kovarianz-Messungen erfordern ausgefeilte technische Fähigkeiten sowohl in der Programmierung von Datenloggern zur Ausführung von Aufgaben mit komplexen Instrumenten als auch in der Erstellung von Computerprogrammen, um die rohen Turbulenzdaten in aussagekräftige Flüsse nachzubearbeiten. Hier beschreiben wir, wie Sie eine Feldstation einrichten, Sensoren installieren und unser neues schlüsselfertiges Datenloggerprogramm für die Datenerfassung und Nachbearbeitung nutzen.

Protokoll

1. Führen Sie vor der Installation vor Ort eine Windrichtungs- und Fußabdruckanalyse durch. Dieser Schritt ist wichtig, um sicherzustellen, dass der Turm richtig positioniert ist, um den repräsentativen Fluss im Untersuchungsfeld zu erfassen.
   1. Bevor Sie die Feldstation einrichten, müssen Sie die vorherrschende Windrichtung auf der Untersuchungsfläche auswerten und bestimmen, wie viel Fetch (Höhelaufweite) für Ihre spezielle Anwendung erforderlich ist. Die Entfernung des Apportierens ist abhängig von der Höhe der zu messenden Fläche und der Höhe der Instrumente⁴. Im Allgemeinen erfolgt der Abruf 100 Meter in Lee für jeden Meter über dem Mittelpunkt der Baumkrone, in dem sich die Sensoren befinden.
2. Bringen Sie je nach den Anforderungen des jeweiligen Setups Sensoren an den Datenlogger an und bereiten Sie so viel wie möglich von der Ausrüstung vor, bevor Sie sich auf den Weg zum Einsatzort machen. Installieren Sie das Programm vor der Feldinstallation im Logger und testen Sie mit den unten beschriebenen Schritten, ob der Logger ordnungsgemäß funktioniert.
   1. Schließen Sie einen Laptop über den RS-232-Kabelanschluss (nicht isoliert) an der Vorderseite des Datenloggers an den Datenlogger an, öffnen Sie das Schnittstellenprogramm, um mit dem Datenlogger zu kommunizieren, und stellen Sie eine Verbindung zum Datenlogger her. Laden Sie dann das schlüsselfertige Datenlogger-Programm auf den Datenlogger hoch. Für die Kommunikation mit dem Datenlogger können auch USB-Standardkabel und Mobiltelefone verwendet werden.
      1. Das Programm wurde für eine bestimmte Reihe von Instrumenten geschrieben, nämlich ein 3-D-Schallanemometer, zwei Wärmeflussplatten, ein Bodenthermoelement, ein Feindraht-Luftthermoelement und ein Netzradiometer. Man kann das Programm für andere Sensorkonfigurationen anpassen, aber der Benutzer sollte das Logger-Programm nach allen Änderungen sorgfältig vor Ort testen. Wenn dem Programm viele neue Zeilen komplexer Code hinzugefügt werden, funktioniert es möglicherweise nicht richtig. Vor allem, wenn das Schallanemometer im seriellen und nicht im analogen Modus abgetastet wird. Das Programm steht zum Download zur Verfügung unter: <sites.google.com/site/tmshapland>.
   2. Überprüfen Sie die Datenwerte aller Sensoren, um zu sehen, ob alles korrekt funktioniert.
      1. Hinweis: Wenn eine dieser Variablen in der Statustabelle des Logger-Schnittstellenprogramms "NAN" erzeugt, muss der entsprechende Sensor und seine Verbindung zum Logger überprüft werden. Nachdem Sie die erforderlichen Korrekturen vorgenommen haben, kehren Sie zum Computer zurück und stellen Sie sicher, dass das Signal kein "NAN" mehr erzeugt.
3. Der unten beschriebene Aufbau ist für ein SR-System mit einem Feindraht-Thermoelement, und die Verkabelung wird so beschrieben, dass sie mit den Datenlogger-Befehlen übereinstimmt, die in das unten beschriebene schlüsselfertige Programm eingebettet sind.
   1. Sobald eine geeignete Position für Ihre Station im Untersuchungsfeld identifiziert wurde, richten Sie den Turm ein (CM6 - Abbildung 1). Stabilisieren Sie die Füße des Turms mit den mitgelieferten Pfählen, schlagen Sie den langen Erdungsstab aus Kupfer mit einem Mini-Vorschlaghammer an einer Stelle in den Boden, die die Erdungsplatten für den Boden nicht beeinträchtigt (siehe unten), und verbinden Sie den Erdungsstab mit dem Turm mit dem dicken Draht und den mitgelieferten Anschlüssen.
   2. Befestigen Sie das Gehäuse des Datenloggers mit den vom Hersteller bereitgestellten U-Bolzen an der Hauptachse des Turms (Abbildung 1).
   3. Die beiden Bodenwärmeflussplatten (d. h. G1 und G2) mit weißem Punkt nach oben in einer Tiefe von 5 cm im Zwischenreihenraum fern von Tropfbewässerungsstrahlern installieren (Abbildung 4). Bei der Installation sollte ein guter thermischer Kontakt mit dem Boden gewährleistet sein, und Verlängerungsdrähte, die zum Datenlogger zurückführen, sollten vergraben werden, um Schäden durch Herausreißen aus dem Boden zu vermeiden.
      1. Verbinden Sie die Drähte der Wärmestromplatte mit den Datenloggerkanälen 3 und 4 als Differenzeingangssensoren (G1: schwarzes Kabel 3H, rotes Kabel 3L - und G2: schwarzes Kabel 4H, rotes Kabel 4L). Die in diesem Dokument aufgeführten Codes stimmen mit den Beschriftungen für die Datenloggerkanäle überein und werden im gesamten Rest des Manuskripts verwendet. Details zu allen Sensoren sind in Tabelle 1 aufgeführt.
      2. Hinweis: Die Thermosäule in der Erdwärmeflussplatte misst den Temperaturgradienten über ein Material mit bekannten thermischen Eigenschaften, um die Energieflussdichte zu ermitteln. Jede Platte wird vom Hersteller kalibriert. Da Erdwärmestromplatten nicht direkt auf dem Boden platziert werden können, ohne die Sonneneinstrahlung abzufangen, müssen sie unter der Bodenoberfläche vergraben werden. Die Energieflussdichte in der Tiefe der Erdwärmeflussplatten ist nicht die gleiche wie die Energieflussdichte an der Oberfläche, da ein Teil der Energie in der Bodenschicht über der Platte gespeichert wird, so dass ein Satz parallel geschalteter Bodentemperatursensoren in der Schicht über den Platten installiert wird.
   4. Installieren Sie das Bodenthermoelement (1 Kabel mit 4 parallel verdrahteten Sonden mit der Bezeichnung Ts), um das Bodenvolumen über der Erdwärmeflussplatte zu überspannen und die Änderung der Wärmespeicherung über den Platten zu berücksichtigen (Abbildung 4).
      1. Verbinden Sie das Bodenthermoelement mit dem Datenlogger auf Kanal 5 als Differenzsensor (Ts: violettes Kabel 5H, rotes Kabel 5L).
      2. Hinweis: Die Messung der Bodenschichttemperatur erfolgt durch Einführen von Bodentemperaturfühlern in einem Winkel von nahe der Unterseite bis nahe der Oberseite der Bodenschicht (ca. 0,04-0,01 m unter der Bodenoberfläche). Wichtig ist, dass die Temperaturfühler nicht zu nah an der Oberfläche eingeführt werden. Wenn der Boden reißt, können Strahlung und/oder fühlbare Wärmeflüsse zu oder von den Sensoren zu falschen Daten führen. Im Allgemeinen ist es am besten, die Temperatursensoren nicht näher als 0,01 m von der Bodenoberfläche entfernt zu platzieren. und eine tiefere Platzierung ist in Böden erforderlich, die aufgrund der Bodentrocknung große Risse aufweisen⁵.
   5. Installieren Sie das Netzradiometer (mit der Bezeichnung Rn-Abbildung 5) am Armausleger über der Haube und zeigen Sie nach Süden.
      1. Verbinden Sie das Netzradiometer mit dem Datenlogger auf Kanal 2 als Differenzsensor (Rn: weißes Kabel 2H, grünes Kabel 2L, Schirm (blank) Signalmasse)
   6. Installieren Sie das Feindraht-Thermoelement (mit der Bezeichnung TC1 - Abbildung 6) an einem Ende des Querarms und über dem Blätterdach (die Höhe hängt von den Pflanzen ab, die auf einem bestimmten Feld wachsen, und dem erforderlichen Abruf); die Lufttemperatur wird bei 10 Hz gemessen. Die für diese Messungen verwendeten Thermoelemente haben typischerweise einen Durchmesser von 76 μm.
      1. Verbinden Sie das Feindraht-Thermoelement mit dem Datenlogger auf Kanal 1 als Differenzsensor, bei dem das violette Kabel auf 1H, das rote Kabel auf 1L und das klare Kabel auf die Signalmasse geht.
      2. Hinweis: Weitere Informationen zur Wartung des Thermoelements nach der Inbetriebnahme des Systems finden Sie weiter unten.
   7. Installieren Sie das Schallanemometer (Abbildung 7) am anderen Ende des Querarms (d. h. gegenüber dem Feindraht-Thermoelement) mit der Nu-Rail-Gelenkverschraubung, um dreidimensionale Windgeschwindigkeiten und Schalltemperatur bei 10 Hz zur Berechnung des fühlbaren Wirbelkovarianz-Wärmestroms zu messen. Installieren Sie das Schallanemometer so, dass sich die Mitte des Messbereichs auf der gleichen Höhe wie das Feindraht-Thermoelement befindet.
      1. Hinweis: Das Schallanemometer muss vor dem Einsatz vor Ort von den Werkseinstellungen neu konfiguriert werden, um die gewünschten Signale auszugeben (Weitere Informationen finden Sie unter RM Young Model 81000RE Reconfiguration Instructions.pdf verfügbar unter sites.google.com/site/tmshapland).
      2. Die nicht kalibrierte Dichte des sensiblen Wärmeflusses, die durch die Oberflächenerneuerungsanalyse erhalten wird, wird dann kalibriert, indem die Steigung der linearen Regression der Wirbelkovarianz der kleinsten Quadrate gegenüber der sensiblen Wärmeflussdichte der SR bestimmt wird.
   8. Schließen Sie das Netzteil an den Datenlogger an.
   9. Schließen Sie einen Laptop über den RS-232-Kabelanschluss (nicht isoliert) an der Vorderseite des Datenloggers an den Datenlogger an. Laden Sie das schlüsselfertige Datenlogger-Programm hoch, falls dieser Schritt nicht bereits im Labor durchgeführt wurde.
      1. Das Programm ist für eine bestimmte Reihe von Instrumenten geschrieben, nämlich ein Schallanemometer, zwei Wärmeflussplatten, ein Bodenthermoelement, ein Feindraht-Luftthermoelement und ein Nettoradiometer. Man kann das Programm für andere Sensorkonfigurationen anpassen, aber der Benutzer sollte das Logger-Programm nach allen Änderungen sorgfältig vor Ort testen. Wenn dem Programm viele neue Zeilen komplexer Code hinzugefügt werden, funktioniert es möglicherweise nicht richtig. Vor allem, wenn das Schallanemometer im seriellen und nicht im analogen Modus abgetastet wird. Das Programm steht zum Download zur Verfügung unter: sites.google.com/site/tmshapland. Weitere Details zum Programm und seiner Anwendung finden Sie in unserer aktuellen Publikation⁶.
   10. Überprüfen Sie die Datenwerte aller Sensoren, um zu sehen, ob alles korrekt funktioniert.
       1. Hinweis: Wenn eine dieser Variablen in der Statustabelle des Logger-Schnittstellenprogramms "NAN" erzeugt, muss der entsprechende Sensor überprüft oder ausgetauscht werden. Wenn Sie Anpassungen am Sensor oder seiner Verkabelung vorgenommen haben, kehren Sie zum Computer zurück und stellen Sie sicher, dass das Signal kein "NAN" mehr erzeugt.
4. Warten Sie die Station mit den folgenden Schritten, sobald die Station betriebsbereit ist.
   1. Schrauben Sie das Nu-Rail-Gelenk ab und senken Sie den vertikalen Hauptmast ab, der das Netzradiometer hält.
   2. Biegen Sie den isolierten Thermoelementdraht an der Verbindungsstelle mit dem Metallzylinder. Tauchen Sie die freiliegenden Thermoelementdrähte (d. h. die Spitze des Thermoelements) vorsichtig in den Zitronensaft und achten Sie darauf, dass die freiliegenden Drähte nicht gegen das Glas stoßen. Reinigen Sie den Sensor von dem Zitronensaft, indem Sie die Drähte in das Glas mit deionisiertem (DI) Wasser tauchen. Richten Sie den Thermoelementdraht an der Verbindungsstelle mit dem Metallzylinder wieder aus.
   3. Besprühen Sie das Netzradiometer mit DI-Wasser. Trocknen Sie es mit saugfähigen Tüchern. Heben Sie den vertikalen Mast in seine ursprüngliche Position an, ziehen Sie die Nu-Rail-Stellschrauben wieder fest und richten Sie das Netzradiometer aus.
   4. Machen Sie Fotos vom Turm, um Veränderungen im Pflanzendach im Laufe der Zeit festzuhalten.
   5. Verarbeiten Sie die gesammelten Energiebilanzflussdaten; die Ausgabetabelle des schlüsselfertigen Datenloggerprogramms enthält die bereits transformierten R_n, G, H und LE. Weitere Informationen zum schlüsselfertigen Datenlogger-Programm Ausgabe^6,7 finden Sie in unserer aktuellen Arbeit.

Ergebnisse

Die Erfassung der R-_{, n}- und G-Komponenten der Energiebilanzgleichung ist relativ einfach und kostengünstig. Messungen von H sind komplexer und erfordern hochfrequente Temperaturkurven, die mit einem Feindraht-Thermoelement zur Oberflächenerneuerung oder einem Schallanemometer für die Wirbelkovarianz gemessen werden. Ein Beispiel für eine Temperaturkurve, die mit einem Feindraht-Thermoelement gemessen wurde, ist in Abbildung 9 dargestellt und zeigt die Notwendigkeit ...

Diskussion

Die Oberflächenerneuerungsmethode bietet eine greifbare Möglichkeit, eine eigenständige und kostengünstige Technik zur Quantifizierung des Wasserverbrauchs von Pflanzen in Echtzeit zu entwickeln. Jüngste Fortschritte in der Signalverarbeitung, der Programmierung von Datenloggern, der Kalibrierung und dem Datenmanagement haben dieses Ziel klarer in den Fokus gerückt. Dieses Manuskript und unser kürzlich entwickeltes schlüsselfertiges Datenlogger-Programm⁶ machen fortschrittliche mikrometeorologische Methoden fü...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Datenlogger	Campbell Scientific, Inc.	CR1000
Datenlogger-Gehäuse	Campbell Scientific, Inc.	ENC12/14-SC
Turm (6 ft) mit Erdung & Blitzableitern	Campbell Scientific, Inc.	CM6
Querarm (4 Fuß)	Campbell Scientific, Inc.	CM204
Nu-Rail Kreuzungsverschraubung	Campbell Scientific, Inc.	17953
Netzteil (12 V) mit Regler & Batterie	Campbell Scientific, Inc.	PS100
Regler für das Ladegerät (12 V)	Campbell Scientific, Inc.	CH100
Batterie-Verlängerungskabel	Campbell Scientific, Inc.	6186
Thermoelement-Verlängerungskabel	Campbell Scientific, Inc.	FWC-20
Thermoelemente	Campbell Scientific, Inc.	FW3
3D Schall-Anemometer mit langem Hals	RM Young Company	81000 RE
8 Leiterkabel für Anemometer	RM Young Company	18660
Bodenwärmeflussplatten	REBS, Inc.	HFT3.1
Thermoelemente für den Boden	Campbell Scientific, Inc.	TCAV
Net Radiometer mit Kabel	Kipp and Zonen, Inc.	NR Lite 2
Heavy Duty Masthalterung für Radiometer	Kipp and Zonen, Inc.	L-CMB1