Article de méthode

Renouvellement de surface : une méthode micrométéorologique avancée pour mesurer et traiter les données de densité de flux d’énergie à l’échelle du champ

DOI :

10.3791/50666

⸱

12 décembre 2013

 ,  ,  ,  ,  , 
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.

Dans cet article

Résumé

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

Le renouvellement de surface est une méthode micrométéorologique de plus en plus utilisée pour déterminer les flux d’énergie, mais sa complexité technique la rend inaccessible à un large public. Nous décrivons les étapes nécessaires à la mise en place et à l’étalonnage d’une station de terrain de renouvellement de surface, à l’acquisition et au traitement des données, ainsi qu’à l’interprétation correcte des résultats.

Résumé

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

Les méthodes micrométéorologiques avancées sont devenues de plus en plus importantes dans les sciences des sols, des cultures et de l’environnement. Pour de nombreux scientifiques sans formation formelle en sciences de l’atmosphère, ces techniques sont relativement inaccessibles. Le renouvellement de surface et d’autres méthodes de mesure des flux nécessitent une compréhension de la météorologie de la couche limite et une formation approfondie en instrumentation et de multiples programmes de gestion des données. Pour améliorer l’accessibilité de ces techniques, nous décrivons la théorie sous-jacente des mesures de renouvellement de surface, montrons comment configurer une station de terrain pour le renouvellement de surface avec étalonnage de la covariance de Foucault et utilisons notre programme d’enregistreur de données clé en main open source pour effectuer l’acquisition et le traitement des données de flux. Le nouveau programme clé en main renvoie à l’utilisateur une simple table de données avec les flux corrigés et les paramètres de contrôle de la qualité, et élimine le besoin pour les chercheurs de faire la navette entre plusieurs programmes de traitement pour obtenir les données de flux finales. Un exemple de données générées à partir de ces mesures montre comment l’utilisation de l’eau par les cultures est mesurée avec cette technique. Les informations sur les résultats sont utiles aux producteurs pour prendre des décisions en matière d’irrigation dans divers écosystèmes agricoles. Ces stations sont actuellement déployées dans de nombreuses expériences sur le terrain par les chercheurs de notre groupe et du California Department of Water Resources dans les cultures suivantes : riz, vignobles de raisins secs et de raisins secs, luzerne, amande, noix, pêche, citron, avocat et maïs.

Introduction

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La pénurie d’eau menace la durabilité agricole dans les régions sèches. Cette situation s’aggravera probablement avec l’évolution des conditions climatiques et la concurrence accrue entre les entités agricoles, municipales, industrielles et de conservation pour un approvisionnement en eau limité. Pour faire face à ce dilemme permanent, les producteurs recherchent continuellement des moyens d’améliorer l’efficacité de l’irrigation, et la technologie qui estime mieux l’utilisation de l’eau des cultures (c’est-à-dire l’évapotranspiration, ET) en temps réel, et de meilleures méthodes agrométéorologiques contribueront certainement à ces efforts. Les technologies actuelles utilisées par les producteurs pour estimer l’ET dépendent de l’utilisation de l’évapotranspiration de référence (ET0) et d’un coefficient empirique de la culture (Kc), qui sont tous deux très susceptibles d’être compensés par des erreurs d’estimation. Les agrométéorologues mesurent également l’ET pour évaluer les traitements expérimentaux permettant d’améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’eau par les cultures1 et de paramétrer les stratégies régionales d’allocation de l’eau2, mais ces méthodes sont très techniques et coûteuses. Des efforts sont actuellement en cours pour transformer les méthodes existantes de mesure de l’ET fondées sur la recherche en technologies rentables et conviviales pour les producteurs.

Le renouvellement de surface (RS) est une méthode agrométéorologique utilisée pour mesurer l’ET. La RS est basée sur l’analyse du bilan énergétique des parcelles d’air qui résident de manière éphémère dans le couvert végétal pendant le processus d’échange turbulent3 tel que mesuré avec la station montrée à la figure 1 et illustré théoriquement à la figure 2 et à la vidéo 1. Les parcelles d’air se manifestent sous la forme de rampes dans les données de séries chronologiques de température turbulente, et l’amplitude et la période des rampes sont utilisées pour calculer la densité de flux (figures 2 et 3). Avec la méthode SR, l’ET pour une surface de culture donnée est déterminée en calculant la densité de flux de chaleur latente (LE) comme le résidu de l’équation de bilan énergétique suivante
LE=R n-G-H,

Ici, LE est la densité de flux d’énergie associée au changement de phase de l’eau à partir de la surface d’une culture, Rn est le rayonnement net, G est la densité de flux de chaleur du sol (c’est-à-dire l’énergie conduite dans ou hors du sol), et H est la densité de flux de chaleur sensible (c’est-à-dire la densité de flux d’énergie de la surface vers l’air ou vice-versa qui entraîne un changement de température). Rn est un nombre positif lorsque le flux net est vers le bas (énergie ajoutée à la surface), LE et H sont des nombres positifs lorsque le flux est vers le haut (énergie ajoutée à l’air), et G est un nombre positif lorsque le flux est vers le bas (énergie ajoutée au sol). LE (MJ/m2sec) est ensuite divisé par la chaleur latente d’évaporation (L = 2,45 MJ/kg) pour obtenir la masse volumique de vapeur d’eau de la surface (c’est-à-dire ET).

Les mesures de R,n et G sont relativement simples et peu coûteuses. Les mesures directes de H sont plus complexes et nécessitent une acquisition de données à haute fréquence. La méthode la plus courante pour déterminer H est la covariance des tourbillons ; cependant, l’anémomètre sonique requis pour cette méthode est coûteux, complexe et, par conséquent, peu utilisé par les agronomes, les horticulteurs ou les ingénieurs pour déterminer H et LE. D’autre part, l’H dérivé de la technique SR est obtenu par une méthode plus simple et moins coûteuse, qui utilise des thermocouples à fil fin pour mesurer les températures de l’air à haute fréquence à l’interface surface-atmosphère. Malgré la simplicité du SR, les mesures de courant nécessitent toujours un étalonnage par rapport à l'estimation de la covariance des Foucault d'un anémomètre sonique de H pour obtenir une densité de flux de chaleur sensible.

Le déploiement réussi d’une tour de flux SR pour les mesures ET peut être un défi de taille, en particulier pour de nombreux chercheurs agricoles sans formation formelle en sciences atmosphériques. Les mesures de RS et de covariance des Foucault nécessitent des compétences techniques sophistiquées à la fois dans la programmation d’enregistreurs de données pour exécuter des tâches avec des instruments complexes et dans l’écriture de programmes informatiques pour post-traiter les données brutes de turbulence en flux significatifs. Nous décrivons ici comment configurer une station de terrain, installer des capteurs et utiliser notre nouveau programme d’enregistreur de données clé en main pour la collecte de données et les procédures de post-traitement.

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Protocole

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  1. Effectuez une analyse de la direction et de l’empreinte du vent avant l’installation sur le terrain ; cette étape est importante pour s’assurer que la tour est correctement située pour capturer le flux représentatif dans le champ d’étude.
    1. Avant d’établir la station de terrain, vous devez évaluer la direction du vent dominant dans le graphique d’étude et déterminer la quantité de fetch (distance au près) nécessaire pour votre application particulière. La distance du fetch dépend de la hauteur de la surface à mesurer et de la hauteur des instruments4. Généralement, le fetch se fait à 100 mètres sous le vent pour chaque mètre au-dessus du point médian de la canopée où se trouvent les capteurs.
  2. En fonction des besoins de la configuration spécifique, fixez des capteurs à l’enregistreur de données et préparez autant d’équipement que possible avant de vous rendre sur le terrain. Installez le programme dans l’enregistreur d’enregistrement avant de le déployer sur le terrain et vérifiez que l’enregistreur fonctionne correctement en suivant les étapes décrites ci-dessous.
    1. Connectez un ordinateur portable à l’enregistreur de données à l’aide du port de câble RS-232 (non isolé) situé à l’avant de l’enregistreur de données, ouvrez le programme d’interface pour communiquer avec l’enregistreur de données et connectez-vous à l’enregistreur de données. Téléchargez ensuite le programme d’enregistreur de données clé en main sur l’enregistreur de données. Des câbles standard USB et des téléphones cellulaires peuvent également être utilisés pour communiquer avec l’enregistreur de données.
      1. Le programme est écrit pour une suite spécifique d’instruments, à savoir un anémomètre sonique 3D, deux plaques de flux de chaleur, un thermocouple de sol, un thermocouple d’air à fil fin et un radiomètre net. Il est possible d’adapter le programme à d’autres configurations de capteurs, mais l’utilisateur doit soigneusement tester le programme de l’enregistreur sur le terrain après toute modification. Si de nombreuses nouvelles lignes de code complexe sont ajoutées au programme, il se peut qu’il ne fonctionne pas correctement ; Surtout lorsque l’anémomètre sonique est échantillonné en mode série plutôt qu’analogique. Le programme peut être téléchargé à l’adresse suivante : <sites.google.com/site/tmshapland>.
    2. Vérifiez les valeurs de données de tous les capteurs pour voir si tout fonctionne correctement.
      1. Remarque : Si l'une de ces variables produit « NAN » sur la table d'état du programme d'interface de l'enregistreur, le capteur correspondant et sa connexion à l'enregistreur doivent être vérifiés. Après avoir effectué les corrections nécessaires, retournez à l'ordinateur et assurez-vous que le signal ne produit plus de 'NAN'.
  3. La configuration décrite ci-dessous est pour un système SR avec un thermocouple à fil fin, et le câblage est décrit pour correspondre aux commandes de l’enregistreur de données intégrées dans le programme clé en main décrit ci-dessous.
    1. Une fois qu’une position appropriée est identifiée pour votre station dans le champ d’étude, installez la tour (CM6 - Figure 1). Stabilisez les pieds de la tour à l’aide des piquets fournis, enfoncez la longue tige de mise à la terre en cuivre dans le sol avec un mini-marteau à un endroit qui n’interférera pas avec les plaques de flux de chaleur du sol - voir ci-dessous), et connectez la tige de mise à la terre à la tour à l’aide du fil de calibre épais et des connecteurs fournis.
    2. Fixez le boîtier de l’enregistreur de données à l’axe principal de la tour à l’aide des boulons en U fournis par le fabricant (Figure 1).
    3. Installez les deux plaques de flux de chaleur du sol (c.-à-d. G1 et G2) avec un point blanc vers le haut à une profondeur de 5 cm dans l’inter-rang, loin des émetteurs d’irrigation goutte à goutte (figure 4). L’installation doit assurer un bon contact thermique avec le sol et les fils d’extension menant à l’enregistreur de données doivent être enterrés pour éviter les dommages en étant arrachés du sol.
      1. Connectez les fils de la plaque de flux thermique aux canaux 3 et 4 de l’enregistreur de données en tant que capteurs d’entrée différentiels (G1 : fil noir 3H, fil rouge 3L - et G2 : fil noir 4H, fil rouge 4L). Les codes répertoriés dans ce document correspondent aux étiquettes des canaux de l’enregistreur de données et seront utilisés dans le reste du manuscrit. Les détails de tous les capteurs sont répertoriés dans le tableau 1.
      2. Remarque : La thermopile à l’intérieur de la plaque de flux de chaleur du sol mesure le gradient de température à travers un matériau dont les propriétés thermiques sont connues pour arriver à la densité de flux d’énergie. Chaque plaque est calibrée par le fabricant. Étant donné que les plaques de flux de chaleur du sol ne peuvent pas être placées directement sur le sol sans intercepter le rayonnement solaire, elles doivent être enterrées sous la surface du sol. La densité de flux d’énergie à la profondeur des plaques de flux de chaleur du sol n’est pas la même à la densité de flux d’énergie à la surface, car une partie de l’énergie est stockée dans la couche de sol au-dessus de la plaque, de sorte qu’un ensemble de capteurs de température du sol câblés en parallèle sont installés dans la couche au-dessus des plaques.
    4. Installez le thermocouple de sol (1 câble avec 4 sondes câblées en parallèle, appelées Ts) pour couvrir le volume de sol au-dessus de la plaque de flux de chaleur du sol afin de tenir compte de la variation du stockage de chaleur au-dessus des plaques (Figure 4).
      1. Connectez le thermocouple de sol à l’enregistreur de données sur le canal 5 en tant que capteur différentiel (Ts : fil violet 5H, fil rouge 5L).
      2. Remarque : La température de la couche de sol est mesurée en insérant des sondes de température du sol à un angle allant du bas au sommet de la couche de sol (environ 0,04 à 0,01 m sous la surface du sol). Il est important que les sondes de température ne soient pas insérées trop près de la surface. Si le sol se fissure, le rayonnement et/ou le flux de chaleur sensible vers ou depuis les capteurs peuvent provoquer de fausses données. En règle générale, il est préférable de ne pas placer les capteurs de température à moins de 0,01 m de la surface du sol ; et un placement plus profond est nécessaire dans les sols qui ont de grandes fissures en raison de l’assèchement du sol5.
    5. Installez le radiomètre à filet (nommé Rn-Figure 5) sur la perche du bras transversal au-dessus de la verrière et pointant vers le sud.
      1. Connectez le radiomètre net à l’enregistreur de données sur le canal 2 en tant que capteur différentiel (Rn : fil blanc 2H, fil vert 2L, masse du signal de blindage (nu))
    6. Installez le thermocouple à fil fin (TC1- Figure 6) à une extrémité du bras transversal et au-dessus du couvert forestier (la hauteur dépendra des plantes qui poussent dans un champ particulier et de la portée requise) ; la température de l’air sera échantillonnée à 10 Hz. Les thermocouples utilisés pour ces mesures ont généralement un diamètre de 76 μm.
      1. Connectez le thermocouple à fil fin à l’enregistreur de données sur le canal 1 en tant que capteur différentiel où le fil violet va à 1H, le fil rouge à 1L, le fil clair à la terre du signal.
      2. Remarque : Voir les détails ci-dessous sur l’entretien du thermocouple une fois que le système est en marche.
    7. Installez l’anémomètre sonique (figure 7) à l’autre extrémité du bras transversal (c’est-à-dire en face du thermocouple à fil fin) à l’aide du raccord de joint Nu-rail pour mesurer les vitesses du vent tridimensionnelles et la température sonique à 10 Hz pour calculer le flux de chaleur sensible à la covariance des foucaults. Installez l’anémomètre sonique de manière à ce que le centre de la zone de mesure soit situé à la même hauteur que le thermocouple à fil fin.
      1. Remarque : l’anémomètre sonique nécessite une reconfiguration à partir des paramètres d’usine avant le déploiement sur le terrain pour émettre les signaux souhaités (pour plus d’informations, voir la Instructions.pdf de reconfiguration du modèle RM Young 81000RE disponible à l’adresse sites.google.com/site/tmshapland).
      2. La densité de flux de chaleur sensible non calibrée obtenue par l’analyse de renouvellement de surface est ensuite calibrée en déterminant la pente de la régression linéaire des moindres carrés de la covariance de Foucault en fonction de la densité de flux de chaleur sensible SR.
    8. Branchez l’alimentation électrique à l’enregistreur de données.
    9. Connectez un ordinateur portable à l’enregistreur de données à l’aide du port de câble RS-232 (non isolé) situé à l’avant de l’enregistreur de données. Téléchargez le programme d’enregistreur de données clé en main si cette étape n’a pas déjà été réalisée en laboratoire.
      1. Le programme est écrit pour une suite spécifique d’instruments, à savoir un anémomètre sonique, deux plaques de flux de chaleur, un thermocouple de sol, un thermocouple d’air à fil fin et un radiomètre net. Il est possible d’adapter le programme à d’autres configurations de capteurs, mais l’utilisateur doit soigneusement tester le programme de l’enregistreur sur le terrain après toute modification. Si de nombreuses nouvelles lignes de code complexe sont ajoutées au programme, il se peut qu’il ne fonctionne pas correctement ; Surtout lorsque l’anémomètre sonique est échantillonné en mode série plutôt qu’analogique. Le programme peut être téléchargé à l’adresse suivante : sites.google.com/site/tmshapland. De plus amples détails sur le programme et son utilisation se trouvent dans notre récente publication6.
    10. Vérifiez les valeurs de données de tous les capteurs pour voir si tout fonctionne correctement.
      1. Remarque : Si l'une de ces variables produit « NAN » sur la table d'état du programme d'interface de l'enregistreur, le capteur correspondant doit être vérifié ou remplacé. Après avoir réglé le capteur ou son câblage, retournez à l'ordinateur et assurez-vous que le signal ne produit plus de « NAN ».
  4. Entretenez la station en suivant les étapes suivantes une fois qu’elle est fonctionnelle.
    1. Dévissez le joint Nu-Rail et abaissez le mât vertical principal qui maintient le radiomètre net.
    2. Pliez le fil isolé du thermocouple à sa jonction avec le cylindre métallique. Trempez soigneusement les fils exposés du thermocouple (c’est-à-dire la pointe du thermocouple) dans le jus de citron, en veillant à ne pas heurter les fils exposés contre le pot. Nettoyez le jus de citron du capteur en trempant les fils dans le pot d’eau déminéralisée (DI). Redressez le fil du thermocouple à sa jonction avec le cylindre métallique.
    3. Vaporisez le radiomètre net avec de l’eau DI. Séchez-le avec des lingettes absorbantes. Soulevez le mât vertical jusqu’à sa position d’origine, resserrez les vis de réglage Nu-Rail et mettez à niveau le radiomètre net.
    4. Prenez des photos de la tour pour noter tout changement dans le couvert végétal au fil du temps.
    5. Traitez les données de flux de bilan énergétique collectées ; la table de sortie du programme d’enregistrement de données clé en main contient les Rn, G, H et LE déjà transformés. Voir nos travaux récents pour plus de détails sur le programme d’enregistreur de données clé en mainsortie 6,7.

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Résultats

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L’acquisition des composantes R,n et G de l’équation du bilan énergétique est relativement simple et peu coûteuse. Les mesures de H sont plus complexes et nécessitent des traces de température à haute fréquence mesurées avec un thermocouple à fil fin pour le renouvellement de surface ou un anémomètre sonique pour la covariance des turbulences. Un exemple de trace de température mesurée avec un thermocouple à fil fin est représenté à la figure 9, et il montre la néces...

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Discussion

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La méthode de renouvellement de surface offre une occasion concrète de mettre au point une technique autonome et peu coûteuse pour quantifier l’utilisation de l’eau des cultures en temps réel. Les progrès récents dans le traitement du signal, la programmation des enregistreurs de données, l’étalonnage et la gestion des données ont permis de mieux cerner cet objectif. Ce manuscrit et notre programme d’enregistrement de données clé en main récemment mis au point6 rendent les méthodes micrométéorologiques avancée...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs déclarent qu’ils n’ont actuellement aucun intérêt financier concurrent.

Remerciements

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Un soutien partiel pour cette recherche a été fourni par J. Lohr Vineyards & Wines, le National Grape and Wine Institute, une subvention de l’initiative de recherche sur les cultures spéciales de la NIFA à AJM et un financement USDA-ARS CRIS (Projet de recherche #5306-21220-004-00).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Enregistreur de donnéesCampbell Scientific, Inc.CR1000
Campbell Scientific, Inc.ENC12/14-SC
Tour (6 pieds) avec mise à la terre et paratonnerresCampbell Scientific, Inc.Bras transversal CM6
(4 pi)Campbell Scientific, Inc.CM204
Raccord de liaison Nu-railCampbell Scientific, Inc.17953
Alimentation (12 V) avec régulateur et batterieCampbell Scientific, Inc.PS100
(12 V)Campbell Scientific, Inc.CH100
Campbell Scientific, Inc.6186
Câble d’extension de thermocoupleCampbell Scientific, Inc.FWC-20
Campbell Scientific, Inc.3D FW3
avec col longRM Young Company81000 RE
Câble à 8 conducteurs pour anémomètreRM Young Company18660
Plaques de flux de chaleur du solREBS, Inc.HFT3.1
Thermocouples de solCampbell Scientific, Inc.TCAV
Net avec câbleKipp and Zonen, Inc.NR Lite 2
Support de poteau robuste pour radiomètreKipp and Zonen, Inc.L-CMB1
Boîtier d’enregistrement de données Régulateur de chargeur Câble d’extension de batterie Thermocouples Anémomètre sonique Radiomètre

Références

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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).
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  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).
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  5. Snyder, R. L., Spano, D., Duce, P., Paw, U. K. T., Anderson, F. E., Falk, M. Surface Renewal Manual. , (2007).
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  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).
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Mots-clés

Covariance des tourbillonsAcquisition de donn es de fluxProgramme d enregistreur de donn esInstallation de station de terrainInstallation de capteursMesure de l vapotranspirationGestion de l irrigationcosyst mes agricoles

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