Name: Renouvellement de surface : une méthode micrométéorologique avancée pour mesurer et traiter les données de densité de flux d’énergie à l’échelle du champ (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-12T08:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: Découvrez la méthode de renouvellement de surface pour mesurer la densité de flux d'énergie à l'échelle du champ. Cette technique micrométéorologique permet d'évaluer l'évapotranspiration et d'optimiser les décisions d'irrigation en agriculture.

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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).

<ol>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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 : <<a href="http://sites.google.com/site/tmshapland » target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>>.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Vérifiez les valeurs de données de tous les capteurs pour voir si tout fonctionne correctement.
		<ol>
			<li>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'.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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).
		<ol>
			<li>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).</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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))</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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.</li>
			<li>Remarque : Voir les détails ci-dessous sur l’entretien du thermocouple une fois que le système est en marche.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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 <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland » target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>).</li>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Branchez l’alimentation électrique à l’enregistreur de données.</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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 : <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland » target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>. De plus amples détails sur le programme et son utilisation se trouvent dans notre récente publication6.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Vérifiez les valeurs de données de tous les capteurs pour voir si tout fonctionne correctement.
		<ol>
			<li>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 ».</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Entretenez la station en suivant les étapes suivantes une fois qu’elle est fonctionnelle.
	<ol>
		<li>Dévissez le joint Nu-Rail et abaissez le mât vertical principal qui maintient le radiomètre net.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Prenez des photos de la tour pour noter tout changement dans le couvert végétal au fil du temps.</li>
		<li>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.</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>

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

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Enregistreur de données</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Boîtier d’enregistrement de données <td>CR1000</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>ENC12/14-SC</td><td></td></tr><tr><td>Tour (6 pieds) avec mise à la terre et paratonnerres</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>Bras transversal CM6</td><td></td></tr><tr><td>(4 pi)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM204</td><td></td></tr><tr><td>Raccord de liaison Nu-rail</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>17953</td><td></td></tr><tr><td>Alimentation (12 V) avec régulateur et batterie</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Régulateur de chargeur <td>PS100</td><td></td></tr><tr><td>(12 V)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Câble d’extension de batterie <td>CH100</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>6186</td><td></td></tr><tr><td>Câble d’extension de thermocouple</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Thermocouples <td>FWC-20</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Anémomètre sonique <td>3D FW3</td><td></td></tr><tr><td>avec col long</td><td>RM Young Company</td><td>81000 RE</td><td></td></tr><tr><td>Câble à 8 conducteurs pour anémomètre</td><td>RM Young Company</td><td>18660</td><td></td></tr><tr><td>Plaques de flux de chaleur du sol</td><td>REBS, Inc.</td><td>HFT3.1</td><td></td></tr><tr><td>Thermocouples de sol</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Radiomètre <td>TCAV</td><td></td></tr><tr><td>Net avec câble</td><td>Kipp and Zonen, Inc.</td><td>NR Lite 2</td><td></td></tr><tr><td>Support de poteau robuste pour radiomètre</td><td>Kipp and Zonen, Inc.</td><td>L-CMB1</td><td></td></tr></tbody></table>

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

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

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.

L'acquisition des composantes Rn et G de l'équation du bilan énergétique est relativement simple et peu coûteuse. Les mesures de H sont plus complexes et nécessitent des enregistrements de température à haute fréquence, effectués à l’aide d’un thermocouple à fil fin pour le renouvellement de surface ou d’un anémomètre à effet Doppler sonique pour la covariance des tourbillons. Un exemple d’enregistrement de température obtenu avec un thermocouple à fil fin est présenté dans la <stron...

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.

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

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

L'objectif général de cette procédure est d'installer un système de renouvellement de surface afin de mesurer et de traiter des données de densité de flux énergétique à l'échelle du terrain. Cela est réalisé en installant d'abord l'enceinte de l'enregistreur de données et le panneau solaire sur le terrain. La deuxième étape consiste à fixer les capteurs sur le mât.Ensuite, les fils du capteur sont raccordés à l'enregistreur de données. La dernière étape consiste à connecter l'enregistreur de données à un ordinateur portable, à transférer le programme vers l'enregistreur de données et à vérifier que celui-ci reçoit bien les signaux provenant des capteurs. En fin de compte, la méthode du renouvellement de surface permet de mesurer l'évapotranspiration d'un écosystème, fournissant ainsi des informations utiles aux agriculteurs pour prendre des décisions d'irrigation dans divers écosystèmes agricoles.Bien que la méthode fournisse des informations sur l'utilisation agricole et urbaine de l'eau, elle présente également des applications dans les écosystèmes naturels, par exemple en sylviculture et dans les zones humides. Les implications de cette technique s'étendent à la gestion de l'irrigation, car l'évapotranspiration est la principale cause de perte d'eau dans les systèmes de production agricole. En général, les personnes novices dans cette méthode éprouvent des difficultés, car elles ne savent pas comment installer l'équipement ni vérifier son bon fonctionnement.L'idée de cette méthode est née de l'observation de données de turbulence, ce qui nous a amenés à adapter le concept de renouvellement de surface, utilisé en génie chimique, aux sciences atmosphériques. Cette procédure sera démontrée par les membres de notre équipe, Rick Snyder et PA, ainsi que par les postdoctorants Arturo Calderone et Tom Chaplin. Commencez cette expérience en déterminant l'emplacement de la station de terrain et en évaluant la direction du vent, comme décrit dans le protocole écrit.Préparez autant d'équipements que possible en laboratoire avant de vous rendre sur le terrain. Commencez par raccorder les capteurs à l'enregistreur de données. Ensuite, reliez le câble RS 232 entre un ordinateur portable et le port de l'enregistreur de données.Ouvrez le programme d'interface pour communiquer avec l'enregistreur de données, puis établissez la connexion. Ensuite, téléversez le programme clé en main vers l'enregistreur de données. Vérifiez les valeurs des données provenant de tous les capteurs afin de s'assurer que tout fonctionne correctement.Une fois qu'une position appropriée a été identifiée pour la station dans le site d'étude, installer la tour et stabiliser ses pieds à l'aide des piquets fournis. Enfoncer la longue tige de mise à la terre en cuivre dans le sol à l'aide d'un maillet miniature, à un endroit qui n'interférera pas avec les plaques de flux thermique.Reliez la tige de mise à la terre au mât à l’aide d’un câble de fort calibre et des connecteurs fournis. Fixez l’enceinte de l’enregistreur de données à l’axe principal du mât à l’aide des colliers en U fournis par le fabricant. Installez les deux plaques de flux de chaleur du sol, le point blanc orienté vers le haut, à une profondeur de cinq centimètres dans l’espace inter-rang, à l’écart des émetteurs de l’irrigation goutte à goutte.Connectez les fils de la plaque de flux thermique aux canaux trois et quatre du dispositif d’enregistrement de données en tant que capteurs d'entrée différentielle. Installez le thermocouple du sol afin qu'il couvre le volume de sol situé au-dessus de la plaque de flux thermique, afin de tenir compte de la variation du stockage de chaleur au-dessus des plaques. Connectez le thermocouple du sol au dispositif d’enregistrement de données sur le canal cinq en tant que capteur différentiel.Installez le radiomètre net sur le bras transversal. Bras au-dessus de la canopée et orienté vers le sud. Connectez le radiomètre net à l'enregistreur de données sur le canal deux.En tant que capteur différentiel. Installez le thermocouple à fil fin à une extrémité du bras transversal et au-dessus de la canopée. La température de l'air sera échantillonnée à 10 hertz par les thermocouples.Le diamètre utilisé pour ces mesures est typiquement de 76 microns. Connectez le thermocouple en fil fin à l'enregistreur de données sur le canal un en tant que capteur différentiel, où le fil violet est relié à un H, le fil rouge à un L et le fil transparent à la masse du signal. Installez l'anémomètre à effet sonique à l'autre extrémité du bras transversal à l'aide du raccord de rail neuf afin de mesurer les vitesses tridimensionnelles du vent et la température sonique à 10 hertz.Pour le calcul du flux de chaleur sensible par covariance des tourbillons, installez l'anémomètre à effet sonique de sorte que le centre de la zone de mesure soit situé à la même hauteur que le thermocouple à fil fin. Ensuite, reliez l'alimentation électrique au système d'enregistrement des données.Connectez un ordinateur portable au enregistreur de données à l'aide du port de câble RS 232 situé à l'avant de l'appareil. À l'aide du logiciel préconfiguré pour l'enregistreur de données, vérifiez les valeurs mesurées par tous les capteurs afin de vous assurer que tout fonctionne correctement.Dévissez le nouveau raccord de rail et abaissez le mât vertical principal qui supporte le radiomètre net. Courbez le fil de thermocouple isolé à son point de jonction avec le cylindre métallique. Plongez soigneusement les fils de thermocouple exposés dans un bocal de jus de citron, en prenant soin de ne pas heurter les fils exposés contre le récipient.Nettoyer le jus de citron du capteur en trempant les fils dans un bocal d'eau déionisée. Redresser à nouveau le fil thermocouple à son point de jonction avec le métal. Pulvériser l'eau déionisée sur le radiomètre net et l'essuyer avec des lingettes absorbantes.Relever le mât vertical jusqu'à sa position initiale. Resserrer à nouveau les vis de fixation de la nouvelle glissière et niveler le radiomètre net. Un exemple d'enregistrement de température mesuré à l'aide d'un thermocouple à fil fin est représenté ici.Cet enregistrement illustre la nécessité d'une analyse mathématique pour extraire le signal à partir de ces données brutes. L'inspection visuelle de ces données révèle trois ou quatre rampes principales se terminant à environ 12, 35, 46 et 72 secondes. Tous les composants du bilan énergétique suivent un profil diurne similaire, avec des valeurs maximales atteintes en milieu de journée.Le rayonnement net est positif pendant la journée, car la surface reçoit plus de rayonnement qu'elle n'en perd, et négatif la nuit, car la surface perd plus de rayonnement qu'elle n'en reçoit. On observe la courbe diurne attendue pour les journées ensoleillées du printemps en Californie du Nord. La densité du flux de chaleur du sol suit également un modèle diurne.Il est positif pendant la journée, car l'énergie est transférée de la surface vers le sol, et négatif la nuit, lorsque davantage d'énergie est transférée du sol vers la surface plus froide. Le flux de chaleur latente suit la courbe diurne attendue au-dessus d'une culture disposant d'une eau suffisante. Par temps clair, le rayonnement net constitue la source d'énergie dominante pour l'évapotranspiration.Ainsi, les valeurs de densité du flux de chaleur latente suivent les variations du rayonnement net en journée, au-dessus d'une culture en cours de transpiration active. On s'attend à ce qu'une grande partie de l'énergie disponible en conditions de rayonnement net positif soit répartie en densité de flux de chaleur latente plutôt qu'en densité de flux de chaleur sensible ou en densité de flux de chaleur du sol. Pendant les nuits venteuses, le flux de chaleur latente était proche de zéro, tandis qu'il était négatif durant les nuits calmes, indiquant possiblement un phénomène de condensation.Néanmoins, la contribution diurne au flux de chaleur latente est nettement supérieure à la contribution nocturne. Ainsi, les incertitudes liées aux valeurs nocturnes sont intéressantes, mais relativement peu importantes. Les valeurs quotidiennes cumulées d'évapotranspiration concordent bien entre la station de renouvellement de surface et un lysimètre à pesage installé juste à côté.Dans un champ de blé, les lysimètres pesants sont considérés comme une référence pour l'estimation de l'évapotranspiration à partir de surfaces cultivées. La plupart des jours, l'évapotranspiration cumulée enregistrée par la station de renouvellement de surface était légèrement supérieure aux valeurs obtenues par le Lysimètre.Tour. Les mesures représentent des flux provenant d'une zone plus vaste que celle couverte par les mesures au lysimètre, et au moment de ces relevés, le blé présent dans le lysimètre était d'environ 10 centimètres plus court et moins dense que les plantes du reste du champ.Ainsi, des valeurs plus élevées d'évapotranspiration provenant de la tour de flux étaient attendues lors de l'installation du matériel. Il est important de vérifier que les capteurs transmettent bien des valeurs à l'enregistreur avant de quitter le site, en suivant cette procédure. D'autres mesures, telles que le potentiel hydrique foliaire, peuvent être utilisées afin de répondre à d'autres questions, comme l'état hydrique de la plante, après son développement.Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de l'agriculture pour explorer l'utilisation de l'eau à l'échelle des champs dans une grande variété de cultures.

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