Artículo de método

Renovación de superficie: un método micrometeorológico avanzado para medir y procesar datos de densidad de flujo de energía a escala de campo

DOI:

10.3791/50666

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12 de diciembre de 2013

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1Crops Pathology and Genetics Research Unit, United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service, 2Department of Viticulture & Enology, University of California, Davis, 3Faculty of Agricultural Sciences, University of Chile, 4Atmospheric Science, University of California, Davis, 5URS Corporation Australia Pty. Ltd.

En este artículo

Resumen

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La renovación de superficies es un método micrometeorológico que se utiliza cada vez más para determinar los flujos de energía, pero su complejidad técnica lo hace inaccesible para un público amplio. Describimos los pasos necesarios para configurar y calibrar una estación de campo de renovación de superficie, para adquirir y procesar datos y para interpretar correctamente los resultados.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los métodos micrometeorológicos avanzados se han vuelto cada vez más importantes en las ciencias del suelo, los cultivos y el medio ambiente. Para muchos científicos sin formación formal en ciencias atmosféricas, estas técnicas son relativamente inaccesibles. La renovación de la superficie y otros métodos de medición de flujo requieren una comprensión de la meteorología de la capa límite y una amplia capacitación en instrumentación y múltiples programas de gestión de datos. Para mejorar la accesibilidad de estas técnicas, describimos la teoría subyacente de las mediciones de renovación de superficies, demostramos cómo configurar una estación de campo para la renovación de superficies con calibración de covarianzas de Foucault y utilizamos nuestro programa de registro de datos llave en mano de código abierto para realizar la adquisición y el procesamiento de datos de flujo. El nuevo programa llave en mano devuelve al usuario una tabla de datos simple con los flujos corregidos y los parámetros de control de calidad, y elimina la necesidad de que los investigadores viajen entre múltiples programas de procesamiento para obtener los datos finales de flujo. Un ejemplo de los datos generados a partir de estas mediciones demuestra cómo se mide el uso del agua de los cultivos con esta técnica. La información de salida es útil para los productores para tomar decisiones de riego en una variedad de ecosistemas agrícolas. Estas estaciones se encuentran actualmente desplegadas en numerosos experimentos de campo por investigadores de nuestro grupo y del Departamento de Recursos Hídricos de California en los siguientes cultivos: viñedos de arroz, vino y uva pasa, alfalfa, almendro, nogal, melocotón, limón, aguacate y maíz.

Introducción

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La escasez de agua amenaza la sostenibilidad agrícola en las regiones de cultivo seco. Es probable que esta situación empeore con el cambio de las condiciones climáticas y el aumento de la competencia entre las entidades agrícolas, municipales, industriales y de conservación por los limitados suministros de agua. Para hacer frente a este dilema continuo, los productores buscan continuamente formas de mejorar la eficiencia del riego, y la tecnología que estima mejor el uso del agua de los cultivos (es decir, la evapotranspiración, ET) en tiempo real, y mejores métodos agrometeorológicos sin duda ayudarán a estos esfuerzos. Las tecnologías actuales utilizadas por los productores para estimar la ET dependen del uso de una evapotranspiración de referencia (ET0) y un coeficiente empírico de cultivo (Kc), los cuales son altamente susceptibles a errores de estimación. Los agrometeorólogos también miden la ET para evaluar tratamientos experimentales para mejorar la eficiencia en el uso del agua de los cultivos1 y para parametrizar las estrategias regionales de asignación de agua2, pero estos métodos son altamente técnicos y costosos. Actualmente se están realizando esfuerzos para traducir los métodos de medición de ET basados en la investigación existentes en tecnologías rentables y fáciles de usar para los productores.

La renovación de la superficie (SR) es un método agrometeorológico utilizado para medir la ET de los cultivos. La SR se basa en el análisis del balance energético de las parcelas de aire que residen efímeramente dentro del dosel del cultivo durante el proceso de intercambio turbulento3 medido con la estación que se muestra en la Figura 1 y se ilustra teóricamente en la Figura 2 y la Película 1. Las parcelas de aire se manifiestan como formas de rampa en los datos de series temporales de temperaturas turbulentas, y la amplitud y el período de las rampas se utilizan para calcular la densidad de flujo (Figuras 2 y 3). Con el método SR, la ET para una superficie de cultivo dada se determina calculando la densidad de flujo de calor latente (LE) como el residuo de la siguiente ecuación de balance de energía
LE=R n-G-H,

Aquí, LE es la densidad de flujo de energía asociada con el cambio de fase del agua de la superficie de un cultivo, Rn es la radiación neta, G es la densidad de flujo de calor del suelo (es decir, la energía conducida hacia o desde el suelo), y H es la densidad de flujo de calor sensible (es decir, la densidad de flujo de energía de la superficie al aire o viceversa que resulta en un cambio de temperatura). Rn es un número positivo cuando el flujo neto es descendente (energía añadida a la superficie), LE y H son números positivos cuando el flujo es ascendente (energía añadida al aire), y G es un número positivo cuando el flujo es descendente (energía añadida al suelo). A continuación, LE (MJ/m2seg) se divide por el calor latente de evaporación (L=2,45 MJ/kg) para obtener la densidad de flujo másico del vapor de agua de la superficie (es decir, ET).

Las mediciones de Rn y G son relativamente sencillas y baratas. Las mediciones directas de H son más complejas y requieren la adquisición de datos de alta frecuencia. El método más común para determinar H es con covarianza de remolinos; sin embargo, el anemómetro sónico requerido para este método es costoso, complejo y, en consecuencia, no es ampliamente utilizado por agrónomos, horticultores o ingenieros para determinar H y LE. Por otro lado, el H derivado de la técnica SR se obtiene mediante un método más simple y menos costoso, que utiliza termopares de alambre fino para medir las temperaturas del aire de alta frecuencia en la interfaz superficie-atmósfera. A pesar de la simplicidad del SR, las mediciones de corriente aún requieren calibración contra la estimación de la covarianza de Foucault de H de un anemómetro sónico para obtener una densidad de flujo de calor sensible.

El despliegue exitoso de una torre de flujo SR para mediciones de ET puede ser un desafío desalentador, especialmente para muchos investigadores agrícolas sin capacitación formal en ciencias atmosféricas. Las mediciones de SR y covarianza de Foucault requieren habilidades técnicas sofisticadas tanto en la programación de registradores de datos para ejecutar tareas con instrumentación compleja como en la escritura de programas informáticos para procesar posteriormente los datos brutos de turbulencia en flujos significativos. Aquí, describimos cómo configurar una estación de campo, instalar sensores y utilizar nuestro nuevo programa de registro de datos llave en mano para la recopilación de datos y los procedimientos de posprocesamiento.

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Protocolo

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  1. Realice un análisis de la dirección y la huella del viento antes de la instalación en el campo; este paso es importante para asegurar que la torre esté situada correctamente para capturar el flujo representativo en el campo de estudio.
    1. Antes de establecer la estación de campo, debe evaluar la dirección del viento predominante en la parcela de estudio y determinar cuánta recuperación (distancia de barlovento) se necesita para su aplicación en particular. La distancia de la búsqueda depende de la altura de la superficie a medir y de la altura de los instrumentos4. Generalmente, el fetch es de 100 metros a sotavento por cada metro por encima del punto medio del dosel en el que se encuentran los sensores.
  2. En función de las necesidades de la configuración específica, conecte los sensores al registrador de datos y prepare la mayor cantidad posible de equipo antes de dirigirse al campo. Instale el programa en el registrador antes de la implementación en el campo y pruebe que el registrador funcione correctamente siguiendo los pasos que se describen a continuación.
    1. Conecte una computadora portátil al registrador de datos usando el puerto de cable RS-232 (no aislado) en la parte frontal del registrador de datos, abra el programa de interfaz para comunicarse con el registrador de datos y conéctese al registrador de datos. A continuación, cargue el programa de registro de datos llave en mano en el registrador de datos. Los cables USB estándar y los teléfonos celulares también se pueden usar para comunicarse con el registrador de datos.
      1. El programa está escrito para un conjunto específico de instrumentos, a saber, un anemómetro sónico 3D, dos placas de flujo de calor, un termopar de suelo, un termopar de aire de alambre fino y un radiómetro de red. Se puede adaptar el programa para otras configuraciones de sensores, pero el usuario debe probar cuidadosamente el programa del registrador después de cualquier modificación. Si se agregan muchas líneas nuevas de código complejo al programa, es posible que no funcione correctamente; Especialmente cuando el anemómetro sónico se muestrea en modo serie en lugar de analógico. El programa está disponible para su descarga en: <sites.google.com/site/tmshapland>.
    2. Compruebe los valores de datos de todos los sensores para ver si todo funciona correctamente.
      1. Nota: Si alguna de estas variables está produciendo 'NAN' en la tabla de estado del programa de interfaz del registrador, entonces es necesario verificar el sensor correspondiente y su conexión al registrador. Después de realizar las correcciones necesarias, regrese a la computadora y asegúrese de que la señal ya no esté produciendo 'NAN'.
  3. La configuración que se describe a continuación es para un sistema SR con un termopar de cable fino, y el cableado se describe para que coincida con los comandos del registrador de datos incorporados en el programa llave en mano que se describe a continuación.
    1. Una vez que se identifique una posición apropiada para su estación en el campo de estudio, configure la torre (CM6- Figura 1). Estabilice los pies de la torre con las estacas provistas, golpee la varilla de conexión a tierra de cobre larga en el suelo con un mini mazo en un lugar que no interfiera con las placas de flujo de calor del suelo (ver más abajo) y conecte la varilla de conexión a tierra a la torre usando el cable de calibre grueso y los conectores provistos.
    2. Fije la carcasa del registrador de datos al eje principal de la torre utilizando los pernos en U proporcionados por el fabricante (Figura 1).
    3. Instale las dos placas de flujo de calor del suelo (es decir, G1 y G2) con punto blanco hacia arriba a una profundidad de 5 cm en el espacio entre hileras, lejos de los emisores de riego por goteo (Figura 4). La instalación debe garantizar un buen contacto térmico con el suelo y los cables de extensión que conducen al registrador de datos deben estar enterrados para evitar daños al ser arrancados del suelo.
      1. Conecte los cables de la placa de flujo de calor a los canales 3 y 4 del registrador de datos como sensores de entrada diferencial (G1: cable negro 3H, cable rojo 3L - y G2: cable negro 4H, cable rojo 4L). Los códigos enumerados en este documento coinciden con las etiquetas de los canales del registrador de datos y se utilizarán en el resto del manuscrito. Los detalles de todos los sensores se enumeran en la Tabla 1.
      2. Nota: La termopila dentro de la placa de flujo de calor del suelo mide el gradiente de temperatura a través de un material con propiedades térmicas conocidas para llegar a la densidad de flujo de energía. Cada placa está calibrada por el fabricante. Debido a que las placas de flujo de calor del suelo no se pueden colocar directamente sobre el suelo sin interceptar la radiación solar, deben enterrarse debajo de la superficie del suelo. La densidad de flujo de energía a la profundidad de las placas de flujo de calor del suelo no es la misma que la densidad de flujo de energía en la superficie porque parte de la energía se almacena en la capa del suelo por encima de la placa, por lo que se instala un conjunto de sensores de temperatura del suelo conectados en paralelo en la capa por encima de las placas.
    4. Instale el termopar de suelo (1 cable con 4 sondas conectadas en paralelo, llamadas Ts) para abarcar el volumen de suelo por encima de la placa de flujo de calor del suelo para tener en cuenta el cambio en el almacenamiento de calor por encima de las placas (Figura 4).
      1. Conecte el termopar de suelo al registrador de datos en el canal 5 como sensor diferencial (Ts: cable púrpura 5H, cable rojo 5L).
      2. Nota: La temperatura de la capa del suelo se mide insertando sondas de temperatura del suelo en un ángulo desde cerca de la parte inferior hasta cerca de la parte superior de la capa del suelo (aproximadamente 0,04-0,01 m por debajo de la superficie del suelo). Es importante que las sondas de temperatura no se inserten demasiado cerca de la superficie. Si el suelo se agrieta, la radiación y/o el flujo de calor sensible hacia o desde los sensores pueden causar datos falsos. En general, es mejor no colocar los sensores de temperatura a menos de 0,01 m de la superficie del suelo; y se necesita una colocación más profunda en suelos que tienen grandes grietas debido al secado del suelo5.
    5. Instale el radiómetro de red (llamado Rn-Figura 5) en la pluma del brazo transversal sobre el dosel y apuntando hacia el sur.
      1. Conecte el radiómetro de red al registrador de datos en el canal 2 como sensor diferencial (Rn: cable blanco 2H, cable verde 2L, tierra de señal de blindaje (desnuda))
    6. Instale el termopar de alambre fino (llamado TC1- Figura 6) en un extremo del brazo transversal y por encima del dosel (la altura dependerá de las plantas que crezcan en un campo en particular y de la extracción requerida); la temperatura del aire se muestreará a 10 Hz. Los termopares utilizados para estas mediciones suelen tener un diámetro de 76 μm.
      1. Conecte el termopar de cable fino al registrador de datos en el canal 1 como un sensor diferencial donde el cable púrpura va a 1H, el cable rojo a 1L, el cable transparente a la señal de tierra.
      2. Nota: Consulte los detalles a continuación sobre el mantenimiento del termopar una vez que el sistema está en funcionamiento.
    7. Instale el anemómetro sónico (Figura 7) en el otro extremo del brazo transversal (es decir, frente al termopar de alambre fino) utilizando el accesorio de unión Nu-rail para medir las velocidades tridimensionales del viento y la temperatura sónica a 10 Hz para calcular el flujo de calor sensible a la covarianza de Foucault. Instale el anemómetro sónico de modo que el centro del área de medición esté ubicado a la misma altura que el termopar de alambre fino.
      1. Nota: el anemómetro sónico requiere una reconfiguración de los ajustes de fábrica antes de la implementación en campo para emitir las señales deseadas (para obtener más información, consulte el Instructions.pdf de reconfiguración RM Young Model 81000RE disponible en sites.google.com/site/tmshapland).
      2. La densidad de flujo de calor sensible no calibrada obtenida por el análisis de renovación de superficie se calibra determinando la pendiente de la regresión lineal de mínimos cuadrados de la covarianza de Foucault frente a la densidad de flujo de calor sensible SR.
    8. Conecte la fuente de alimentación al registrador de datos.
    9. Conecte una computadora portátil al registrador de datos usando el puerto de cable RS-232 (no aislado) en la parte frontal del registrador de datos. Cargue el programa de registro de datos llave en mano si este paso aún no se ha realizado en el laboratorio.
      1. El programa está escrito para un conjunto específico de instrumentos, a saber, un anemómetro sónico, dos placas de flujo de calor, un termopar de suelo, un termopar de aire de alambre fino y un radiómetro de red. Se puede adaptar el programa para otras configuraciones de sensores, pero el usuario debe probar cuidadosamente el programa del registrador después de cualquier modificación. Si se agregan muchas líneas nuevas de código complejo al programa, es posible que no funcione correctamente; Especialmente cuando el anemómetro sónico se muestrea en modo serie en lugar de analógico. El programa está disponible para su descarga en: sites.google.com/site/tmshapland. Más detalles sobre el programa y su uso se pueden encontrar en nuestra reciente publicación6.
    10. Compruebe los valores de datos de todos los sensores para ver si todo funciona correctamente.
      1. Nota: Si alguna de estas variables está produciendo 'NAN' en la tabla de estado del programa de interfaz del registrador, entonces el sensor correspondiente debe ser verificado o reemplazado. Después de realizar ajustes en el sensor o su cableado, regrese a la computadora y asegúrese de que la señal ya no esté produciendo un 'NAN'.
  4. Mantenga la estación siguiendo los siguientes pasos una vez que la estación esté en funcionamiento.
    1. Desatornille la junta Nu-Rail y baje el mástil vertical principal que sostiene el radiómetro de red.
    2. Doble el cable de termopar aislado en su unión con el cilindro de metal. Sumerja con cuidado los cables del termopar expuestos (es decir, la punta del termopar) en el jugo de limón, asegurándose de no golpear los cables expuestos contra el frasco. Limpie el jugo de limón del sensor sumergiendo los cables en el frasco de agua desionizada (DI). Vuelva a enderezar el cable del termopar en su unión con el cilindro de metal.
    3. Rocíe el radiómetro de red con agua desionizada. Sécalo con toallitas absorbentes. Levante el mástil vertical hasta su posición original, vuelva a apretar los tornillos de fijación Nu-Rail y nivele el radiómetro de red.
    4. Tome fotografías de la torre para registrar cualquier cambio en el dosel de la planta a lo largo del tiempo.
    5. Procese los datos de flujo de balance de energía recopilados; la tabla de salida del programa de registro de datos llave en mano contiene los Rn, G, H y LE, ya transformados. Consulte nuestro trabajo reciente para obtener más detalles sobre la salida del programa de registro de datos llave en mano6,7.

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Resultados

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Adquirir los componentes Rn y G de la ecuación de balance de energía es relativamente sencillo y económico. Las mediciones de H son más complejas y requieren trazas de temperatura de alta frecuencia medidas con un termopar de alambre fino para la renovación de la superficie o un anemómetro sónico para la covarianza de Foucault. En la Figura 9 se representa un ejemplo de traza de temperatura medida con un termopar de alambre fino, y muestra la necesidad de un análisis...

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Discusión

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El método de renovación de la superficie presenta una oportunidad tangible para desarrollar una técnica independiente y económica para cuantificar el uso de agua de los cultivos en tiempo real. Los avances recientes en el procesamiento de señales, la programación del registrador de datos, la calibración y la gestión de datos han puesto este objetivo en un enfoque más claro. Este manuscrito y nuestro programa de registro de datos llave en mano6 recientemente desarrollado hacen que los métodos micrometeorológico...

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Divulgaciones

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Los autores declaran que actualmente no tienen intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

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El apoyo parcial para esta investigación fue proporcionado por J. Lohr Vineyards & Wines, el Instituto Nacional de la Uva y el Vino, una subvención de la Iniciativa de Investigación de Cultivos Especializados de NIFA a AJM, y fondos CRIS USDA-ARS (Proyecto de Investigación #5306-21220-004-00).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Registrador de datosCampbell Scientific, Inc.CR1000
Campbell Scientific, Inc.ENC12/14-SC
(6 pies) con conexión a tierra y pararrayosCampbell Scientific, Inc.CM6
Brazo transversal (4 pies)Campbell Scientific, Inc.CM204
Accesorio de cruce Nu-railCampbell Scientific, Inc.17953
Fuente de alimentación (12 V) con regulador y bateríaCampbell Scientific, Inc.PS100
(12 V)Campbell Scientific, Inc.CH100
Campbell Scientific, Inc.6186
Cable de extensión de termoparCampbell Scientific, Inc.Termopares FWC-20
Campbell Scientific, Inc.FW3
Anemómetro sónico 3D con cuello largoRM Young Company81000 RE
8 cable conductor para anemómetroRM Young Company18660
Placas de flujo de calor del sueloREBS, Inc.HFT3.1
Termopares de sueloCampbell Scientific, Inc.Radiómetro TCAV
Net con cableKipp y Zonen, Inc.NR Lite 2
Soporte de poste de alta resistencia para radiómetroKipp and Zonen, Inc.L-CMB1
Caja del registrador de datos Torre Regulador de cargador Cable de extensión de batería

Referencias

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  1. Moratiel, R., Martínez-Cob, A. Evapotranspiration of table grape trained to a gable trellis system under netting and black plastic mulching. Irrigation Science. 30 (3), 167-178 (2011).
  2. DWR (Department of Water Resources). California Water Plan Update, Bulletin 160-05. , California Department of Water Resources. Sacramento, CA, U.S.A. (2005).
  3. Snyder, R. L., Spano, D., Duce, P., Paw, U. K. T., Qiu, J., Su, H. B., Watanabe, T., Brunet, Y. Surface renewal analysis: a new method to obtain scalar fluxes without velocity data. Agric. For. Meteorol. 74, 119-137 (1995).
  4. Rosenberg, N. J., Blad, B. L., Verma, S. B. Microclimate: the biological environment. , 2nd, John Wiley and Sons. New York, NY. USA. (1983).
  5. Snyder, R. L., Spano, D., Duce, P., Paw, U. K. T., Anderson, F. E., Falk, M. Surface Renewal Manual. , (2007).
  6. Shapland, T. M., McElrone, A. J., Paw, U. T. K., Snyder, R. L. A turnkey data logger program for field-scale energy flux density measurements using eddy covariance and surface. Ital. J. Agrometeorol. , Forthcoming Forthcoming.
  7. 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).
  8. Van Atta, C. W. Effect of coherent structures on structure functions of temperature in the atmospheric boundary layer. Arch. of Mech. 29, 161-171 (1977).
  9. Snyder, R. L., Spano, D., Paw, U. K. T. Surface Renewal analysis for sensible and latent heat flux density. Boundary-Layer Meteorol. 77, 249-266 (1996).
  10. Spano, D., Duce, P., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. Surface renewal estimates of evapotranspiration. Tall canopies. Acta Hort. 449, 63-68 (1997).
  11. Spano, D., Snyder, R. L., Duce, P., Paw, U. K. T. Surface renewal analysis for sensible heat flux density using structure functions. Agric. For. Meteorol. 86, 259-271 (1997).
  12. Shapland, T. M., McElrone, A. J., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. Structure function analysis of two-scale scalar ramps. Part I: Theory and modeling. Boundary Layer Meterology. , (2012).
  13. Shapland, T. M., McElrone, A. J., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. Structure function analysis of two-scale scalar ramps. Part II: Applications. Boundary Layer Meterology. , (2012).

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