Name: Rinnovo di superficie: un metodo avanzato micrometeorologici per la misurazione e lelaborazione del campo scala dellenergia densità di flusso di dati (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-12T08:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: Scopri come installare e calibrare un sistema di rinnovo di superficie per misurare la densità di flusso energetico a scala di campo. Questo metodo micrometeorologico fornisce dati affidabili sull'evapotraspirazione per ottimizzare le decisioni di irrigazione agricola.

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Il supporto parziale per questa ricerca è stato fornito da J. Lohr Vineyards & Wines, dal National Grape and Wine Institute, da una sovvenzione NIFA Specialty Crops Research Initiative ad AJM e dal finanziamento USDA-ARS CRIS (Research Project #5306-21220-004-00).

<ol>
	<li>Eseguire un'analisi della direzione del vento e dell'impronta prima dell'installazione sul campo; questo passaggio è importante per assicurarsi che la torre sia posizionata correttamente per catturare il flusso rappresentativo nel campo di studio.
	<ol>
		<li>Prima di stabilire la stazione di campo, è necessario valutare la direzione del vento prevalente nel grafico di studio e determinare la quantità di recupero (distanza di bolina) necessaria per la propria particolare applicazione. La distanza del recupero dipende dall'altezza della superficie da misurare e dall'altezza degli strumenti4. Generalmente, il recupero è di 100 metri sottovento per ogni metro sopra il punto medio del baldacchino in cui si trovano i sensori.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>In base alle esigenze della configurazione specifica, collegare i sensori al data logger e preparare il più possibile l'attrezzatura prima di recarsi sul campo. Installare il programma nel logger prima dell'implementazione sul campo e verificare che il logger funzioni correttamente utilizzando i passaggi descritti di seguito.
	<ol>
		<li>Collegare un laptop al data logger utilizzando la porta del cavo RS-232 (non isolata) sulla parte anteriore del datalogger, aprire il programma di interfaccia per comunicare con il data logger e connettersi al data logger. Quindi caricare il programma di registrazione dati chiavi in mano sul registratore di dati. I cavi standard USB e i telefoni cellulari possono essere utilizzati anche per comunicare con il datalogger.
		<ol>
			<li>Il programma è scritto per una specifica suite di strumenti, vale a dire un anemometro sonico 3D, due piastre di flusso di calore, una termocoppia per terreno, una termocoppia per aria a filo sottile e un radiometro a rete. È possibile adattare il programma ad altre configurazioni di sensori, ma l'utente deve testare attentamente sul campo il programma del logger dopo qualsiasi modifica. Se al programma vengono aggiunte molte nuove righe di codice complesso, potrebbe non funzionare correttamente; Soprattutto quando l'anemometro sonico viene campionato in modalità seriale piuttosto che analogica. Il programma è disponibile per il download all'indirizzo: <<a href="http://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>>.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Controlla i valori dei dati per tutti i sensori per vedere se tutto funziona correttamente.
		<ol>
			<li>NOTA: Se una di queste variabili produce 'NAN' nella tabella di stato del programma di interfaccia del logger, è necessario controllare il sensore corrispondente e la sua connessione al logger. Dopo aver apportato le correzioni necessarie, tornare al computer e assicurarsi che il segnale non produca più 'NAN'.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>La configurazione descritta di seguito è per un sistema SR con una termocoppia a filo sottile e il cablaggio è descritto in modo che corrisponda ai comandi del registratore di dati incorporati nel programma chiavi in mano descritto di seguito.
	<ol>
		<li>Una volta identificata una posizione appropriata per la tua stazione nel campo di studio, installa la torre (CM6- Figura 1). Stabilizzare i piedi della torre utilizzando i picchetti forniti, piantare la lunga asta di messa a terra in rame nel terreno con una mini-mazza in una posizione che non interferisca con le piastre di flusso di calore per il suolo - vedi sotto) e collegare l'asta di messa a terra alla torre utilizzando il cavo di calibro spesso e i connettori forniti.</li>
		<li>Fissare l'involucro del data logger all'asse principale della torre utilizzando i bulloni a U forniti dal produttore (Figura 1).</li>
		<li>Installare le due piastre di flusso di calore del terreno (cioè G1 e G2) con punto bianco a una profondità di 5 cm nello spazio interfilare lontano dagli emettitori di irrigazione a goccia (Figura 4). L'installazione deve garantire un buon contatto termico con il terreno e i cavi di prolunga che riportano al datalogger devono essere interrati per evitare danni dovuti allo strappo dal terreno.
		<ol>
			<li>Collegare i fili della piastra di flusso termico ai canali 3 e 4 del data logger come sensori di ingresso differenziali (G1: filo nero 3H, filo rosso 3L - e G2: filo nero 4H, filo rosso 4L). I codici elencati in questo documento corrispondono alle etichette per i canali del data logger e verranno utilizzati in tutto il resto del manoscritto. I dettagli per tutti i sensori sono elencati nella Tabella 1.</li>
			<li>Nota: La termopila all'interno della piastra di flusso di calore del terreno misura il gradiente di temperatura attraverso un materiale con proprietà termiche note per arrivare alla densità del flusso di energia. Ogni piastra è calibrata dal produttore. Poiché le piastre di flusso di calore del suolo non possono essere posizionate direttamente sopra il terreno senza intercettare la radiazione solare, devono essere sepolte sotto la superficie del suolo. La densità del flusso di energia alla profondità delle piastre di flusso di calore del terreno non è la stessa alla densità del flusso di energia in superficie perché una parte dell'energia è immagazzinata nello strato di terreno sopra la piastra, quindi una serie di sensori di temperatura del suolo cablati in parallelo sono installati nello strato sopra le piastre.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Installare la termocoppia del terreno (1 cavo con 4 sonde cablate in parallelo, denominate Ts) per coprire il volume del terreno sopra la piastra di flusso di calore del suolo per tenere conto della variazione dell'accumulo di calore sopra le piastre (Figura 4).
		<ol>
			<li>Collegare la termocoppia del terreno al datalogger sul canale 5 come sensore differenziale (Ts: filo viola 5H, filo rosso 5L).</li>
			<li>Nota: La temperatura dello strato del suolo viene misurata inserendo sonde di temperatura del suolo con un angolo che va dal basso verso la parte superiore dello strato del suolo (circa 0,04-0,01 m sotto la superficie del suolo). È importante che le sonde di temperatura non siano inserite troppo vicino alla superficie. Se il terreno si rompe, le radiazioni e/o il flusso di calore sensibile da o verso i sensori possono causare dati falsi. In generale, è meglio non posizionare i sensori di temperatura a una distanza inferiore a 0,01 m dalla superficie del suolo; E un posizionamento più profondo è necessario in terreni che presentano grandi crepe a causa dell'essiccazione del suolo5.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Installare il radiometro a rete (denominato Rn-Figura 5) sul braccio trasversale sopra il tettuccio e rivolto a sud.
		<ol>
			<li>Collegare il radiometro di rete al data logger sul canale 2 come sensore differenziale (Rn: filo bianco 2H, filo verde 2L, schermo (nudo) segnale di massa)</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Installare la termocoppia a filo sottile (denominata TC1- Figura 6) a un'estremità del braccio trasversale e sopra la chioma (l'altezza dipenderà dalle piante che crescono in un particolare campo e dal recupero richiesto); la temperatura dell'aria sarà campionata a 10 Hz. Le termocoppie utilizzate per queste misurazioni hanno tipicamente un diametro di 76 μm.
		<ol>
			<li>Collegare la termocoppia a filo sottile al registratore di dati sul canale 1 come sensore differenziale in cui il filo viola va a 1H, il filo rosso a 1L, il filo libero a massa del segnale.</li>
			<li>NOTA: Vedere i dettagli di seguito sulla manutenzione della termocoppia una volta che il sistema è attivo e funzionante.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Installare l'anemometro sonico (Figura 7) all'altra estremità del braccio trasversale (cioè di fronte alla termocoppia a filo sottile) utilizzando il raccordo di giunzione Nu-rail per misurare le velocità del vento tridimensionali e la temperatura sonica a 10 Hz per calcolare il flusso di calore sensibile alla covarianza parassita. Installare l'anemometro sonico in modo che il centro dell'area di misurazione si trovi alla stessa altezza della termocoppia a filo sottile.
		<ol>
			<li>Nota: l'anemometro sonico richiede la riconfigurazione dalle impostazioni di fabbrica prima dell'implementazione sul campo per emettere i segnali desiderati (per ulteriori informazioni, vedere il Instructions.pdf di riconfigurazione RM Young Model 81000RE disponibile all'indirizzo <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>).</li>
			<li>La densità del flusso di calore sensibile non calibrata ottenuta dall'analisi del rinnovamento superficiale viene quindi calibrata determinando la pendenza della regressione lineare dei minimi quadrati della covarianza parassita rispetto alla densità del flusso di calore sensibile SR.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Collegare l'alimentatore al data logger.</li>
		<li>Collegare un laptop al data logger utilizzando la porta del cavo RS-232 (non isolata) sulla parte anteriore del data logger. Caricare il programma di data logger chiavi in mano se questo passaggio non è già stato eseguito in laboratorio.
		<ol>
			<li>Il programma è scritto per una specifica suite di strumenti, vale a dire un anemometro sonico, due piastre di flusso di calore, una termocoppia per terreno, una termocoppia per aria a filo sottile e un radiometro a rete. È possibile adattare il programma ad altre configurazioni di sensori, ma l'utente deve testare attentamente sul campo il programma del logger dopo qualsiasi modifica. Se al programma vengono aggiunte molte nuove righe di codice complesso, potrebbe non funzionare correttamente; Soprattutto quando l'anemometro sonico viene campionato in modalità seriale piuttosto che analogica. Il programma è disponibile per il download all'indirizzo: <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>. Ulteriori dettagli sul programma e sul suo utilizzo sono disponibili nella nostra recente pubblicazione6.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Controlla i valori dei dati per tutti i sensori per vedere se tutto funziona correttamente.
		<ol>
			<li>NOTA: Se una di queste variabili produce 'NAN' nella tabella di stato del programma di interfaccia del logger, è necessario controllare o sostituire il sensore corrispondente. Dopo aver effettuato le regolazioni del sensore o del suo cablaggio, tornare al computer e assicurarsi che il segnale non produca più un "NAN".</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Mantenere la stazione utilizzando i seguenti passaggi una volta che la stazione è funzionante.
	<ol>
		<li>Svitare il giunto Nu-Rail e abbassare il palo verticale principale che contiene il radiometro di rete.</li>
		<li>Piegare il filo isolato della termocoppia alla sua giunzione con il cilindro metallico. Immergi con cura i fili della termocoppia esposti (cioè la punta della termocoppia) nel succo di limone, facendo attenzione a non urtare i fili scoperti contro il barattolo. Pulisci il succo di limone dal sensore immergendo i fili nel barattolo di acqua deionizzata (DI). Raddrizzare nuovamente il filo della termocoppia alla sua giunzione con il cilindro metallico.</li>
		<li>Spruzzare il radiometro a rete con acqua deionizzata. Asciugalo con salviette assorbenti. Sollevare il montante verticale fino alla posizione originale, serrare nuovamente le viti di fermo Nu-Rail e livellare il radiometro netto.</li>
		<li>Scatta fotografie della torre per registrare eventuali cambiamenti nella chioma delle piante nel tempo.</li>
		<li>Elaborare i dati di flusso del bilancio energetico raccolti; la tabella di output del programma di data logger chiavi in mano contiene i già trasformati Rn, G, H e LE. Consulta il nostro recente lavoro per maggiori dettagli sull'uscita6,7 del programma di registrazione dati chiavi in mano.</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>

Gli autori dichiarano di non avere attualmente interessi finanziari concorrenti.

Il metodo di rinnovamento della superficie rappresenta un'opportunità tangibile per sviluppare una tecnica autonoma ed economica per quantificare l'uso dell'acqua delle colture in tempo reale. I recenti progressi nell'elaborazione dei segnali, nella programmazione dei data logger, nella calibrazione e nella gestione dei dati hanno messo a fuoco questo obiettivo in modo più chiaro. Questo manoscritto e il nostro programma di registrazione dati chiavi in mano6 sviluppato di recente rendono i metodi micrometeorol...

La scarsità d'acqua minaccia la sostenibilità agricola nelle regioni aride. Questa situazione probabilmente peggiorerà con il cambiamento delle condizioni climatiche e la crescente competizione tra gli enti agricoli, municipali, industriali e di conservazione per le limitate riserve idriche. Per affrontare questo dilemma in corso, i coltivatori sono alla continua ricerca di modi per migliorare l'efficienza dell'irrigazione e la tecnologia che stima meglio l'uso dell'acqua delle colture (ad esempio l'evapotraspirazione, ET) in tempo reale e migliori metodi agrometeorologici aiuteranno sicuramente questi sforzi. Le attuali tecnologie utilizzate dai coltivatori per stimare l'ET dipendono dall'uso dell'evapotraspirazione di riferimento (ET0) e di un coefficiente empirico della coltura (Kc), entrambi altamente suscettibili di errori di stima. Gli agrometeorologi misurano anche l'ET per valutare i trattamenti sperimentali per migliorare l'efficienza dell'uso dell'acqua delle colture1 e per parametrizzare le strategie regionali di allocazione dell'acqua2, ma questi metodi sono altamente tecnici e costosi. Sono attualmente in corso sforzi per tradurre gli attuali metodi di misurazione ET basati sulla ricerca in tecnologie convenienti e di facile utilizzo per i coltivatori.
Il rinnovamento della superficie (SR) è un metodo agrometeorologico utilizzato per misurare l'ET delle colture. La SR si basa sull'analisi del bilancio energetico delle particelle d'aria che risiedono in modo effimero all'interno della chioma della coltura durante il turbolento processo di scambio3, misurato con la stazione mostrata in Figura 1 e illustrato teoricamente in Figura 2 e nel Filmato 1. Le particelle d'aria si manifestano come forme simili a rampe nei dati delle serie temporali di temperatura turbolenta e l'ampiezza e il periodo delle rampe vengono utilizzati per calcolare la densità del flusso (Figure 2 e 3). Con il metodo SR, l'ET per una data superficie di coltura è determinato calcolando la densità del flusso di calore latente (LE) come residuo della seguente equazione del bilancio energetico 
LE=R n-G-H,
Qui, LE è la densità del flusso di energia associata al cambiamento di fase dell'acqua dalla superficie di una coltura, Rn è la radiazione netta, G è la densità del flusso di calore del suolo (cioè l'energia condotta dentro o fuori dal terreno) e H è la densità del flusso di calore sensibile (cioè la densità del flusso di energia dalla superficie all'aria o viceversa che provoca un cambiamento di temperatura). Rn è un numero positivo quando il flusso netto è verso il basso (energia aggiunta alla superficie), LE e H sono numeri positivi quando il flusso è verso l'alto (energia aggiunta all'aria) e G è un numero positivo quando il flusso è verso il basso (energia aggiunta al suolo). LE (MJ/m2sec) viene quindi diviso per il calore latente di evaporazione (L=2,45 MJ/kg) per ottenere la densità di flusso di massa del vapore acqueo dalla superficie (cioè ET).
Le misurazioni di R, n e G sono relativamente semplici e poco costose. Le misure dirette di H sono più complesse e richiedono l'acquisizione di dati ad alta frequenza. Il metodo più comune per determinare H è con la covarianza parassita; tuttavia, l'anemometro sonico richiesto per questo metodo è costoso, complesso e, di conseguenza, non ampiamente utilizzato da agronomi, orticoltori o ingegneri per determinare H e LE. D'altra parte, l'H derivato dalla tecnica SR è ottenuto con un metodo più semplice e meno costoso, che utilizza termocoppie a filo sottile per misurare le temperature dell'aria ad alta frequenza all'interfaccia superficie-atmosfera. Nonostante la semplicità dell'SR, le misure di corrente richiedono ancora la calibrazione rispetto alla stima della covarianza parassita di H di un anemometro sonico per ottenere una densità di flusso di calore ragionevole.
Il successo dell'implementazione di una torre di flusso SR per le misure ET può essere una sfida scoraggiante, specialmente per molti ricercatori agricoli senza una formazione formale in scienze atmosferiche. Le misure di SR e eddy covariance richiedono competenze tecniche sofisticate sia nella programmazione di data logger per eseguire attività con strumentazione complessa sia nella scrittura di programmi informatici per post-elaborare i dati grezzi di turbolenza in flussi significativi. Qui descriviamo come configurare una stazione di campo, installare i sensori e utilizzare il nostro nuovo programma di registrazione dati chiavi in mano per le procedure di raccolta e post-elaborazione dei dati.

<table><tbody><tr><td>Registratore di dati</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Custodia per datalogger <td>CR1000</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>ENC12/14-SC</td><td></td></tr><tr><td>Torre (6 piedi) con messa a terra e parafulmini</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM6</td><td></td></tr><tr><td>Braccio trasversale (4 piedi)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM204</td><td></td></tr><tr><td>Raccordo incrociato Nu-rail</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>17953</td><td></td></tr><tr><td>Alimentatore (12 V) con regolatore e batteria</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Regolatore del caricabatterie <td>PS100</td><td></td></tr><tr><td>(12 V)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Cavo di prolunga della batteria <td>CH100</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>6186</td><td></td></tr><tr><td>Cavo di prolunga per termocoppia</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>Termocoppie FWC-20</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Anemometro sonico <td>FW3</td><td></td></tr><tr><td>3D con collo lungo</td><td>RM Young Company</td><td>81000 RE</td><td></td></tr><tr><td>8 cavo conduttore per anemometro</td><td>RM Young Company</td><td>18660</td><td></td></tr><tr><td>Piastre di flusso di calore del suolo</td><td>REBS, Inc.</td><td>HFT3.1</td><td></td></tr><tr><td>Termocoppie per terreno</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>Radiometro TCAV</td><td></td></tr><tr><td>Net con cavo</td><td>Kipp and Zonen, Inc.</td><td>NR Lite 2</td><td></td></tr><tr><td>Supporto da palo per radiometro</td><td>Kipp and Zonen, Inc.</td><td>L-CMB1</td><td></td></tr></tbody></table>

rinnovo di superficie: un metodo avanzato micrometeorologici per la misurazione e l&#39;elaborazione del campo scala dell&#39;energia densità di flusso di dati

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

I metodi micrometeorologici avanzati sono diventati sempre più importanti nelle scienze del suolo, delle colture e dell'ambiente. Per molti scienziati senza una formazione formale in scienze atmosferiche, queste tecniche sono relativamente inaccessibili. Il rinnovo della superficie e altri metodi di misurazione del flusso richiedono una comprensione della meteorologia dello strato limite e una formazione approfondita nella strumentazione e nei molteplici programmi di gestione dei dati. Per migliorare l'accessibilità di queste tecniche, descriviamo la teoria alla base delle misure di rinnovo della superficie, dimostriamo come configurare una stazione di campo per il rinnovo della superficie con calibrazione della covarianza parassita e utilizziamo il nostro programma di data logger chiavi in mano open source per eseguire l'acquisizione e l'elaborazione dei dati di flusso. Il nuovo programma chiavi in mano restituisce all'utente una semplice tabella di dati con i flussi corretti e i parametri di controllo della qualità ed elimina la necessità per i ricercatori di spostarsi tra più programmi di elaborazione per ottenere i dati finali del flusso. Un esempio di dati generati da queste misurazioni dimostra come viene misurato l'uso dell'acqua delle colture con questa tecnica. Le informazioni di output sono utili ai coltivatori per prendere decisioni di irrigazione in una varietà di ecosistemi agricoli. Queste stazioni sono attualmente impiegate in numerosi esperimenti sul campo da parte dei ricercatori del nostro gruppo e del California Department of Water Resources nelle seguenti colture: riso, vino e uva passa, erba medica, mandorlo, noce, pesca, limone, avocado e mais.

L'acquisizione delle componenti Rn e G dell'equazione del bilancio energetico è relativamente semplice ed economica. Le misurazioni di H sono più complesse e richiedono tracce di temperatura ad alta frequenza, misurate con una termocoppia a filo sottile per il rinnovo superficiale o con un anemometro a suono per la covarianza di vortici. Un esempio di traccia di temperatura misurata con una termocoppia a filo sottile è rappresentato nella Figura 9, e mostra la necess...

Il rinnovo della superficie è un metodo micrometeorologico che viene utilizzato sempre più spesso per determinare i flussi di energia, ma la sua complessità tecnica lo rende inaccessibile a un vasto pubblico. Descriviamo i passaggi necessari per impostare e calibrare una stazione di campo di rinnovo della superficie, per acquisire ed elaborare i dati e per interpretare correttamente i risultati.

Rinnovo di superficie: un metodo avanzato micrometeorologici per la misurazione e l&#39;elaborazione del campo scala dell&#39;energia densità di flusso di dati

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

L'obiettivo generale di questa procedura è installare un sistema di rinnovo superficiale per misurare ed elaborare dati di densità del flusso energetico su scala campionaria. Questo viene realizzato innanzitutto installando nel campo l'involucro del datalogger della torre e il pannello solare. Il secondo passaggio consiste nel fissare i sensori alla torre.Successivamente, i cavi del sensore vengono collegati al datalogger. L'ultimo passaggio consiste nell'interfacciare il datalogger con un laptop, caricare il programma sul datalogger e verificare che il datalogger stia ricevendo i segnali dai sensori. In definitiva, il metodo del ricambio superficiale viene utilizzato per misurare l'evapotraspirazione di un ecosistema, fornendo informazioni utili agli agricoltori per prendere decisioni riguardo all'irrigazione in diversi tipi di ecosistemi agricoli.Sebbene il metodo fornisca informazioni per quanto riguarda l'uso agricolo e urbano dell'acqua, ha anche applicazioni negli ecosistemi naturali, ad esempio nella silvicoltura e nelle zone umide. Le implicazioni di questa tecnica riguardano la gestione dell'irrigazione poiché l'evapotraspirazione è la principale causa di perdita di acqua nei sistemi di produzione agricola. In generale, le persone nuove rispetto a questo metodo incontreranno difficoltà perché non sanno come installare l'equipaggiamento o verificarne il corretto funzionamento.L'idea per questo metodo è nata inizialmente dall'osservazione di dati sulla turbolenza, che ci ha portato ad adattare il concetto di rinnovo superficiale dall'ingegneria chimica alla scienza atmosferica. Questa procedura sarà dimostrata dai membri del nostro team, Rick Snyder e PA, e dai postdoc Arturo Calderone e Tom Chaplin. Iniziare questo esperimento stabilendo la posizione della stazione di rilevamento e valutando la direzione del vento come descritto nel protocollo del testo.Preparare in laboratorio il più possibile dell'equipaggiamento prima di recarsi sul campo. In primo luogo, collegare i sensori al registratore di dati. Successivamente, collegare il cavo RS 232 tra un laptop e la porta del registratore di dati.Aprire il programma interfaccia per comunicare con il data logger e quindi connettersi ad esso. Successivamente, caricare il programma del data logger preconfigurato sul dispositivo. Verificare i valori dei dati di tutti i sensori per accertarsi che tutto funzioni correttamente.Dopo aver identificato una posizione adeguata per la stazione nell'area di studio, montare la torre e stabilizzare i piedi della torre utilizzando i paletti forniti. Piantare la lunga barra di messa a terra in rame nel terreno con un piccolo martello nel punto in cui non interferirà con il flusso di calore nel suolo. Piastre di flusso termico.Collegare la barra di messa a terra alla torre utilizzando un cavo di grosso calibro e i connettori forniti. Fissare l'involucro del datalogger all'asse principale della torre utilizzando i bulloni ad U forniti dal produttore. Installare le due piastre di flusso termico del suolo con il punto bianco rivolto verso l'alto, a una profondità di cinque centimetri, nello spazio interfilare lontano dagli emettitori dell'irrigazione a goccia.Collegare i cavi della piastra di flusso termico ai canali tre e quattro del datalogger come sensori di ingresso differenziale. Installare il termocoppia per il suolo in modo da coprire il volume di suolo al di sopra della piastra di flusso termico verso il terreno, per tenere conto della variazione di accumulo di calore al di sopra delle piastre. Collegare il termocoppia per il suolo al datalogger sul canale cinque come sensore differenziale.Installare il radiometro netto sul braccio trasversale. Braccio sopra la chioma e orientato a sud. Collegare il radiometro netto al datalogger sul canale due.Come sensore differenziale. Installare il termocoppia a filo sottile a un'estremità del braccio trasversale e sopra la chioma. La temperatura dell'aria verrà campionata a 10 hertz mediante termocoppie.Per queste misurazioni si utilizza tipicamente un filo di diametro di 76 micron. Collegare il termocoppia a filo sottile al registratore dati sul canale uno come sensore differenziale, dove il filo viola va a un H, il filo rosso a un L e il filo trasparente al contatto di massa del segnale. Installare l’anemometro a ultrasuoni all’altra estremità del braccio trasversale utilizzando il nuovo raccordo a rotaia per misurare le velocità del vento tridimensionali e la temperatura sonica a 10 hertz.Per il calcolo del flusso di calore sensibile mediante covarianza di Eddy, installare l'anemometro a ultrasuoni in modo che il centro dell'area di misura si trovi alla stessa altezza del termocoppia a filo sottile. Successivamente, collegare l'alimentatore al datalogger.Collegare un laptop al registratore di dati utilizzando la porta del cavo RS 232 situata sul lato anteriore del registratore. Utilizzando il programma preconfigurato per il registratore di dati, verificare i valori registrati da tutti i sensori per assicurarsi che tutto funzioni correttamente.Svitare il nuovo giunto del binario e abbassare il palo verticale principale che sostiene il radiometro netto. Piegate il cavo del termocoppia isolato nel punto in cui si innesta sul cilindro metallico. Immergete con attenzione i fili della termocoppia esposti in un barattolo di succo di limone, avendo cura di non farli urtare contro il contenitore.Pulire il succo di limone dal sensore immergendo i fili in un barattolo di acqua deionizzata. Raddrizzare nuovamente il filo del termocoppia nel punto di giunzione con il metallo. Spruzzare il radiometro netto con acqua deionizzata e asciugarlo con salviette assorbenti.Sollevare il palo verticale fino alla sua posizione originale. Ri serrare le viti di bloccaggio del nuovo binario e livellare il radiometro a rete. Qui è rappresentato un esempio di traccia di temperatura misurata con una termocoppia a filo sottile.Questo andamento evidenzia la necessità di un'analisi matematica per estrarre il segnale da questi dati grezzi. L'ispezione visiva di questi dati rivela tre o quattro rampe principali che terminano rispettivamente a circa 12, 35, 46 e 72 secondi. Tutti i componenti del bilancio energetico seguono un andamento diurno simile, con valori massimi che si verificano a metà giornata.La radiazione netta è positiva durante il giorno poiché la superficie riceve più radiazione di quanta ne perda, ed è negativa di notte poiché la superficie perde più radiazione di quanta ne riceva. Mostra l'andamento diurno atteso per giornate di sole in primavera nell'California settentrionale. Anche la densità del flusso di calore nel suolo segue un andamento diurno.È positivo durante il giorno poiché l'energia viene condotta dalla superficie al suolo e negativo durante la notte. Quando maggiore energia viene condotta dal basso verso la superficie più fredda, il flusso di calore latente segue l'andamento diurno previsto su una coltura con disponibilità idrica adeguata. In condizioni di tempo sereno, la radiazione netta è la fonte energetica predominante per l'evapotraspirazione.Pertanto, i valori della densità del flusso di calore latente seguono le variazioni della radiazione netta durante il giorno su una coltura attivamente traspirante. Si prevede che la maggior parte dell'energia disponibile in condizioni di radiazione netta positiva venga ripartita nella densità del flusso di calore latente piuttosto che nella densità del flusso di calore sensibile e nella densità del flusso di calore del suolo. Durante le notti ventose, il flusso di calore latente era prossimo a zero, mentre risultava negativo durante le notti calme, indicando probabilmente la condensazione.Tuttavia, il contributo diurno al flusso di calore latente supera di gran lunga quello notturno. Le incertezze nei valori notturni sono quindi interessanti, ma relativamente poco importanti. I valori giornalieri cumulativi di evapotraspirazione concordano bene tra la stazione di rinnovo superficiale e un lisimetro a pesata posizionato a fianco.In un campo di grano, i lisimetri a pesata sono considerati uno standard di riferimento per le stime dell'evapotraspirazione da superfici coltivate. Nella maggior parte dei giorni, l'evapotraspirazione cumulativa registrata dalla stazione di rinnovo della superficie è risultata leggermente superiore ai valori ottenuti dal Lysimeter.Tower. Le misurazioni rappresentano flussi provenienti da un'area più ampia rispetto a quelle dei lisimetri, e al momento di tali misurazioni, il grano presente nel lisimetro era circa 10 centimetri più basso e meno denso rispetto alle piante del resto del campo.Pertanto, era previsto un valore più elevato di evapotraspirazione dalla torre di flusso durante l'installazione dell'equipaggiamento. È importante verificare che i sensori stiano trasmettendo i valori al datalogger prima di lasciare il sito seguendo questa procedura. Altre misurazioni, come il potenziale idrico fogliare, possono essere utilizzate per rispondere ad altre domande, come lo stato idrico della pianta, dopo il suo sviluppo.Questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'agricoltura per esplorare l'uso dell'acqua su scala aziendale in una varietà di colture.

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