Name: Oberflächen Erneuerung: Ein Advanced Mikrometeorologische Verfahren zur Messung und Verarbeitung Feld Skala Energieflussdichte Daten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-12T08:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: Erfahren Sie die Installation eines Surface-Renewal-Systems zur Messung von Energieflussdichten in Agrarökosystemen. Diese Methode liefert präzise Evapotranspirationsdaten für fundierte Bewässerungsentscheidungen.

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Teilweise Unterstützung für diese Forschung wurde von J. Lohr Vineyards & Wines, dem National Grape and Wine Institute, einem Zuschuss der NIFA Specialty Crops Research Initiative an AJM und einer USDA-ARS CRIS-Finanzierung (Forschungsprojekt #5306-21220-004-00) bereitgestellt.

<ol>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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: <<a href="http://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>>.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Überprüfen Sie die Datenwerte aller Sensoren, um zu sehen, ob alles korrekt funktioniert.
		<ol>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Befestigen Sie das Gehäuse des Datenloggers mit den vom Hersteller bereitgestellten U-Bolzen an der Hauptachse des Turms (Abbildung 1).</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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).
		<ol>
			<li>Verbinden Sie das Bodenthermoelement mit dem Datenlogger auf Kanal 5 als Differenzsensor (Ts: violettes Kabel 5H, rotes Kabel 5L).</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Installieren Sie das Netzradiometer (mit der Bezeichnung Rn-Abbildung 5) am Armausleger über der Haube und zeigen Sie nach Süden.
		<ol>
			<li>Verbinden Sie das Netzradiometer mit dem Datenlogger auf Kanal 2 als Differenzsensor (Rn: weißes Kabel 2H, grünes Kabel 2L, Schirm (blank) Signalmasse)</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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.</li>
			<li>Hinweis: Weitere Informationen zur Wartung des Thermoelements nach der Inbetriebnahme des Systems finden Sie weiter unten.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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 <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>).</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Schließen Sie das Netzteil an den Datenlogger an.</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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: <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>. Weitere Details zum Programm und seiner Anwendung finden Sie in unserer aktuellen Publikation6.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Überprüfen Sie die Datenwerte aller Sensoren, um zu sehen, ob alles korrekt funktioniert.
		<ol>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Warten Sie die Station mit den folgenden Schritten, sobald die Station betriebsbereit ist.
	<ol>
		<li>Schrauben Sie das Nu-Rail-Gelenk ab und senken Sie den vertikalen Hauptmast ab, der das Netzradiometer hält.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Machen Sie Fotos vom Turm, um Veränderungen im Pflanzendach im Laufe der Zeit festzuhalten.</li>
		<li>Verarbeiten Sie die gesammelten Energiebilanzflussdaten; die Ausgabetabelle des schlüsselfertigen Datenloggerprogramms enthält die bereits transformierten Rn, G, H und LE. Weitere Informationen zum schlüsselfertigen Datenlogger-Programm Ausgabe6,7 finden Sie in unserer aktuellen Arbeit.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Moratiel, R., Martínez-Cob, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evapotranspiration+of+table+grape+trained+to+a+gable+trellis+system+under+netting+and+black+plastic+mulching%5BTitle%5D)+AND+%22Irrigation+Science%22%5BJournal%5D)">Evapotranspiration of table grape trained to a gable trellis system under netting and black plastic mulching.</a> Irrigation Science. 30 (3), 167-178 (2011).</li>
<li>DWR (Department of Water Resources). <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22California+Water+Plan+Update%2C+Bulletin+160-05%22">California Water Plan Update, Bulletin 160-05</a>. , California Department of Water Resources. Sacramento, CA, U.S.A. (2005).</li>
<li>Snyder, R. L., Spano, D., Duce, P., Paw, U. K. T., Qiu, J., Su, H. B., Watanabe, T., Brunet, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+renewal+analysis%3A+a+new+method+to+obtain+scalar+fluxes+without+velocity+data%5BTitle%5D)+AND+%22Agric.+For.+Meteorol%22%5BJournal%5D)">Surface renewal analysis: a new method to obtain scalar fluxes without velocity data.</a> Agric. For. Meteorol. 74, 119-137 (1995).</li>
<li>Rosenberg, N. J., Blad, B. L., Verma, S. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRosenberg%2C+NJ+%22Microclimate%3A+the+biological+environment%22">Microclimate: the biological environment</a>. , 2nd, John Wiley and Sons. New York, NY. USA. (1983).</li>
<li>Snyder, R. L., Spano, D., Duce, P., Paw, U. K. T., Anderson, F. E., Falk, M. Surface Renewal Manual. , (2007).</li>
<li>Shapland, T. M., McElrone, A. J., Paw, U. T. K., Snyder, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+turnkey+data+logger+program+for+field-scale+energy+flux+density+measurements+using+eddy+covariance+and+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Ital.+J.+Agrometeorol%22%5BJournal%5D)">A turnkey data logger program for field-scale energy flux density measurements using eddy covariance and surface.</a> Ital. J. Agrometeorol. , Forthcoming Forthcoming.</li>
<li>Shapland, T. M., Snyder, R. L., Paw, U. K. T., Lang, D., McElrone, A. J. New tools to improve access to micrometeorological methods for agricultural research scientists. Annual Meeting of the American Society of Agronomy, , (2011).</li>
<li>Van Atta, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+coherent+structures+on+structure+functions+of+temperature+in+the+atmospheric+boundary+layer%5BTitle%5D)+AND+%22Arch.+of+Mech%22%5BJournal%5D)">Effect of coherent structures on structure functions of temperature in the atmospheric boundary layer.</a> Arch. of Mech. 29, 161-171 (1977).</li>
<li>Snyder, R. L., Spano, D., Paw, U. K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+Renewal+analysis+for+sensible+and+latent+heat+flux+density%5BTitle%5D)+AND+%22Boundary-Layer+Meteorol%22%5BJournal%5D)">Surface Renewal analysis for sensible and latent heat flux density.</a> Boundary-Layer Meteorol. 77, 249-266 (1996).</li>
<li>Spano, D., Duce, P., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+renewal+estimates+of+evapotranspiration.+Tall+canopies%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Hort%22%5BJournal%5D)">Surface renewal estimates of evapotranspiration. Tall canopies.</a> Acta Hort. 449, 63-68 (1997).</li>
<li>Spano, D., Snyder, R. L., Duce, P., Paw, U. K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+renewal+analysis+for+sensible+heat+flux+density+using+structure+functions%5BTitle%5D)+AND+%22Agric.+For.+Meteorol%22%5BJournal%5D)">Surface renewal analysis for sensible heat flux density using structure functions.</a> Agric. For. Meteorol. 86, 259-271 (1997).</li>
<li>Shapland, T. M., McElrone, A. J., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+function+analysis+of+two-scale+scalar+ramps.+Part+I%3A+Theory+and+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Boundary+Layer+Meterology%22%5BJournal%5D)">Structure function analysis of two-scale scalar ramps. Part I: Theory and modeling.</a> Boundary Layer Meterology. , (2012).</li>
<li>Shapland, T. M., McElrone, A. J., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+function+analysis+of+two-scale+scalar+ramps.+Part+II%3A+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Boundary+Layer+Meterology%22%5BJournal%5D)">Structure function analysis of two-scale scalar ramps. Part II: Applications.</a> Boundary Layer Meterology. , (2012).</li>
</ol>

Die Autoren erklären, dass sie derzeit keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

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...

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 (Kc), 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, Rn 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). Rn 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.

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

oberflächen erneuerung: ein advanced mikrometeorologische verfahren zur messung und verarbeitung feld skala energieflussdichte daten

Surface Renewal: An Advanced Micrometeorological Method for Measuring and Processing Field-Scale Energy Flux Density Data

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.

Das Erfassen der Komponenten Rn und G der Energiebilanzgleichung ist vergleichsweise einfach und kostengünstig. Die Messung von H ist komplexer und erfordert hochfrequente Temperaturverläufe, die entweder mit einem feinen Thermoelement für die Oberflächenverjüngung oder mit einem Ultraschallanemometer für die Wirbelkorrelation erfasst werden. Ein Beispiel für einen Temperaturverlauf, gemessen mit einem feinen Thermoelement, ist in Abbildung 9 dargestellt. Dieser vera...

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.

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

Advanced micrometeorological methods have become  increasingly important in soil, crop, and environmental sciences.  For many scientists without formal ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein Surface-Renewal-System zur Messung und Verarbeitung von flächenhaften Energieflussdichtedaten zu installieren. Dies wird zunächst durch die Installation des Turm-Datenloggerschrankes und der Solarzelle im Feld erreicht. Der zweite Schritt besteht darin, die Sensoren am Turm zu befestigen.Danach werden die Sensorkabel an das Datenlogger-Gerät angeschlossen. Der letzte Schritt besteht darin, das Datenlogger-Gerät mit einem Laptop zu verbinden, das Programm auf das Datenlogger-Gerät zu übertragen und zu überprüfen, ob das Datenlogger-Gerät Signale von den Sensoren empfängt. Letztendlich wird die Oberflächenverjüngung verwendet, um die Evapotranspiration eines Ökosystems zu messen, wodurch Informationen bereitgestellt werden, die für Landwirte nützlich sind, um Bewässerungsentscheidungen in einer Vielzahl landwirtschaftlicher Ökosysteme zu treffen.Obwohl die Methode Einblicke hinsichtlich der landwirtschaftlichen und städtischen Wassernutzung ermöglicht, hat sie auch Anwendungen in natürlichen Ökosystemen, beispielsweise in der Forstwirtschaft und in Feuchtgebieten. Die Implikationen dieser Technik reichen bis zum Bewässerungsmanagement, da die Evapotranspiration die Hauptursache für Wasserverluste aus landwirtschaftlichen Produktionssystemen ist. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten, da sie nicht wissen, wie man die Ausrüstung installiert oder überprüft, ob sie ordnungsgemäß funktioniert.Die Idee zu dieser Methode entstand zunächst, als Beobachtungen von Turbulenzdaten uns veranlassten, das Konzept der Oberflächenrenewal aus der Verfahrenstechnik auf die Atmosphärenwissenschaft zu übertragen. Dieses Verfahren wird von unseren Teammitgliedern Rick Snyder und PA sowie den Postdocs Arturo Calderone und Tom Chaplin demonstriert. Beginnen Sie das Experiment, indem Sie den Standort der Feldstation festlegen und die Windrichtung wie im Textprotokoll beschrieben bewerten.Bereiten Sie so viel wie möglich der Ausrüstung im Labor vor dem Feldaufenthalt vor. Befestigen Sie zuerst die Sensoren am Datenlogger. Anschließend verbinden Sie das RS-232-Kabel zwischen einem Laptop und dem Datenlogger-Port.Öffnen Sie das Schnittstellenprogramm, um mit dem Datenlogger zu kommunizieren, und stellen Sie anschließend die Verbindung her. Laden Sie dann das fertige Datenlogger-Programm auf den Datenlogger hoch. Überprüfen Sie die Datenwerte aller Sensoren, um festzustellen, ob alles ordnungsgemäß funktioniert.Nachdem eine geeignete Position für die Station im Untersuchungsgebiet identifiziert wurde, errichten Sie den Mast und stabilisieren Sie die Mastfüße mit den bereitgestellten Heringen. Schlagen Sie den langen Kupfer-Erdungsstab mit einem kleinen Vorschlaghammer an einer Stelle in den Boden, die nicht die Bodenwärmeflussplatten beeinträchtigt.Verbinden Sie die Erdungsstange mit dem Turm unter Verwendung eines dickadrigen Drahtes und der beigefügten Verbinder. Befestigen Sie das Gehäuse des Datenloggers an der Hauptachse des Turms mit den vom Hersteller bereitgestellten U-Bolzen. Installieren Sie die beiden Bodenwärmeflussplatten mit dem weißen Punkt nach oben in einer Tiefe von fünf Zentimetern im Zwischenreihenraum, fernab von Tropfbewässerungsdüsen.Schließen Sie die Kabel der Wärmeflussplatte an die Kanäle drei und vier des Datenloggers als Differenzeingangssensoren an. Installieren Sie das Bodenthermoelement so, dass es den Bodenvolumen oberhalb der Wärmeflussplatte erfasst, um die Änderung der Wärmespeicherung oberhalb der Platten zu berücksichtigen. Schließen Sie das Bodenthermoelement als Differenzsensor an Kanal fünf des Datenloggers an.Installieren Sie das Nettostrahlungsmessgerät am Querarm. Der Ausleger befindet sich über der Vegetationskrone und weist nach Süden. Schließen Sie das Nettostrahlungsmessgerät an den Datenlogger auf Kanal zwei an.Als Differenzsensor. Bringen Sie das Feindrathochtemperaturfühler an einem Ende des Querbalkens und über der Vegetationskrone an. Die Lufttemperatur wird mit Thermoelementen mit einer Frequenz von 10 Hertz abgetastet.Üblicherweise werden für diese Messungen ein Durchmesser von 76 Mikrometer verwendet. Schließen Sie das feine Draht-Thermoelement als Differenzialsensor an den Datenlogger auf Kanal eins an, wobei der violette Draht mit einem H, der rote Draht mit einem L und der klare Draht mit dem Signal-Masse verbunden wird. Bringen Sie das Ultraschall-Anemometer am anderen Ende des Querarms mit Hilfe der neuen Schienenverbinder-Befestigung an, um die dreidimensionalen Windgeschwindigkeiten und die Schalltemperatur bei 10 Hertz zu messen.Zur Berechnung des Eddy-Kovarianz-Flusses der fühlbaren Wärme. Installieren Sie das Ultraschallanemometer so, dass sich das Zentrum des Messbereichs auf gleicher Höhe wie die feine Thermoelementleitung befindet. Anschließend schließen Sie die Stromversorgung an das Datenlogger an.Verbinden Sie einen Laptop über den RS-232-Anschluss an der Vorderseite des Datenloggers mit dem Datenlogger. Verwenden Sie das vorkonfigurierte Datenlogger-Programm. Überprüfen Sie die Datenwerte aller Sensoren, um sicherzustellen, dass alles ordnungsgemäß funktioniert.Schrauben Sie die neue Schienenverbindung ab und senken Sie den Hauptmast, der das Nettostrahlungsmessgerät hält. Biegen Sie den isolierten Thermoelementdraht an seiner Verbindungsstelle mit dem Metallzylinder. Tauchen Sie die freiliegenden Thermoelementdrähte vorsichtig in ein Glas Zitronensaft, wobei darauf zu achten ist, dass die freiliegenden Drähte nicht gegen das Glas stoßen.Reinigen Sie den Zitronensaft vom Sensor, indem Sie die Drähte in ein Gefäß mit entionisiertem Wasser tauchen. Richten Sie den Thermoelementdraht an seiner Verbindung mit dem Metall wieder gerade. Sprühen Sie den Nettoradiometer mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie ihn mit saugfähigen Tüchern.Stellen Sie den vertikalen Mast in seine ursprüngliche Position zurück. Ziehen Sie die Schrauben der neuen Schienen erneut fest und richten Sie das Nettostrahlungsmessgerät waagerecht aus. Hier ist ein Beispiel für eine Temperaturkurve dargestellt, die mit einem feinen Thermoelement gemessen wurde.Diese Kurve zeigt die Notwendigkeit einer mathematischen Analyse, um das Signal aus diesen Rohdaten zu extrahieren. Die visuelle Inspektion dieser Daten offenbart drei oder vier Hauptanstiege, die bei etwa 12, 35, 46 und 72 Sekunden enden. Alle Komponenten der Energiebilanz folgen einem ähnlichen diurnen Muster, wobei die Maximalwerte in der Tagesmitte auftreten.Die Nettostrahlung ist tagsüber positiv, da die Oberfläche mehr Strahlung empfängt als verliert, und nachts negativ, da die Oberfläche mehr Strahlung verliert als empfängt. Dies zeigt die typische Tagesgangkurve für sonnige Frühlingstage in Nordkalifornien. Auch die Bodenwärmestromdichte folgt einem täglichen Muster.Tagsüber ist er positiv, da Energie von der Oberfläche in den Boden geleitet wird, und nachts negativ. Da mehr Energie von unten an die kühlere Oberfläche abgegeben wird, folgt der latente Wärmefluss der erwarteten täglichen Kurve über einem mit ausreichend Wasser versorgten Bestand. Bei schönem Wetter ist die Nettostrahlung die dominierende Energiequelle für die Evapotranspiration.Die Werte der latenten Wärmeflussdichte verfolgen somit die Änderungen der Nettostrahlung tagsüber über einer aktiv transpirierenden Kultur. Es wird erwartet, dass der Großteil der verfügbaren Energie bei positiver Nettostrahlung in latente Wärmeflussdichte und nicht in fühlbare Wärmeflussdichte oder Bodenwärmeflussdichte aufgeteilt wird. Bei windigen Nächten lag die latente Wärmeflussdichte nahe null, während sie bei ruhigen Nächten negativ war, was möglicherweise auf Kondensation hindeutet.Trotzdem überwiegt der Beitrag des Tageslichts zur latenten Wärmefluss deutlich den Beitrag der Nacht. Unsicherheiten in den nächtlichen Werten sind daher zwar interessant, aber relativ unbedeutend. Die täglichen kumulativen Evapotranspirationswerte stimmen gut überein zwischen der Surface-Renewal-Station und einem danebenstehenden Wäge-Lysimeter.In einem Weizenfeld gelten Wäge-Lysimeter als Goldstandard für die Abschätzung der Evapotranspiration von Kulturflächen. An den meisten Tagen war die kumulative Evapotranspiration der Surface-Renewal-Station leicht höher als die Werte der Lysimeter.Tower. Die Messungen repräsentieren Flüsse aus einem größeren Bereich als die Lysimeter-Messungen, und zum Zeitpunkt dieser Messungen war der Weizen im Lysimeter etwa 10 Zentimeter kürzer und weniger dicht als die Pflanzen im übrigen Feld.Daher wurden während der Installation der Ausrüstung höhere Evapotranspirationswerte von dem Flussturm erwartet. Es ist wichtig, vor dem Verlassen der Messstelle gemäß diesem Verfahren zu überprüfen, ob die Sensoren Werte an den Logger zurücksenden. Weitere Messungen wie das Blattpotential können verwendet werden, um nach der Entwicklung weitere Fragen zum Wasserstatus der Pflanze zu beantworten.Diese Technik ebnete den Forschern auf dem Gebiet der Landwirtschaft den Weg, um die Wassernutzung im Feldmaßstab bei einer Vielzahl von Kulturpflanzen zu untersuchen.

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Forschung

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Umwelt

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