方法論記事

Surface Renewal:フィールドスケールのエネルギーフラックス密度データの測定と処理のための高度な微気象学的手法

DOI：

10.3791/50666

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2013年12月12日

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

この記事について

サマリー

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地表リニューアルは、エネルギーフラックスを決定するためにますます使用されるようになった微気象学的な方法ですが、その技術的な複雑さにより、幅広い視聴者がアクセスできません。サーフェスリニューアルフィールドステーションのセットアップとキャリブレーション、データの取得と処理、および結果を正しく解釈するために必要な手順について説明します。

要約

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高度な微気象学的手法は、土壌、作物、環境科学においてますます重要になっています。 大気科学の正式な訓練を受けていない多くの科学者にとって、これらの技術は比較的アクセスしにくいものです。 地表リニューアルやその他のフラックス測定方法には、境界層の気象学の理解と、計装および複数のデータ管理プログラムに関する広範なトレーニングが必要です。これらの手法のアクセシビリティを向上させるために、表面更新測定の基礎となる理論を説明し、渦共分散キャリブレーションによる表面更新のためのフィールドステーションの設定方法を示し、オープンソースのターンキーデータロガープログラムを利用してフラックスデータの取得と処理を実行します。新しいターンキープログラムは、補正されたフラックスと品質管理パラメータを含む単純なデータテーブルをユーザーに返し、研究者が最終的なフラックスデータを取得するために複数の処理プログラム間を行き来する必要をなくします。 これらの測定から生成されたデータの例は、この手法で作物の水使用量がどのように測定されるかを示しています。出力情報は、生産者がさまざまな農業生態系で灌漑を決定するのに役立ちます。 これらのステーションは現在、私たちのグループの研究者とカリフォルニア州水資源局の研究者によって、米、ワイン、レーズンのブドウ園、アルファルファ、アーモンド、クルミ、ピーチ、レモン、アボカド、トウモロコシの多数のフィールド実験に展開されています。

概要

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水不足は、乾燥した栽培地域の農業の持続可能性を脅かしています。この状況は、気候条件の変化や、限られた水供給をめぐる農業、地方自治体、工業、保全団体間の競争の激化により悪化する可能性があります。このジレンマに対処するために、生産者は灌漑効率を改善する方法を常に模索しており、作物の水使用量(蒸発散量、ET)をリアルタイムでより正確に推定する技術、およびより優れた農業気象学的方法がこれらの取り組みを確実に助けます。生産者がETを推定するために使用している現在の技術は、参照蒸発散量(ET0)と経験的作物係数(Kc)の使用に依存しており、どちらも推定誤差の影響を非常に受けやすいです。農業気象学者は、作物の水利用効率を改善するための実験的処理を評価し1、地域の水配分戦略2をパラメータ化するためにもETを測定しますが、これらの方法は非常に技術的で高価です。現在、既存の研究ベースのET測定方法を、生産者にとって費用対効果が高くユーザーフレンドリーな技術に変換する取り組みが進行中です。

地表更新(SR)は、作物ETを測定するために使用される農業気象学的方法の1つです。SRは、乱流交換プロセス3中に作物キャノピー内に一時的に存在する空気パーセルのエネルギー収支を、図1に示すステーションで測定し、図2と動....

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プロトコル

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  1. 現場に設置する前に、風向とフットプリントの解析を実行します。この手順は、タワーが調査フィールドの代表的なフラックスを捕捉するために適切に配置されていることを確認するために重要です。
    1. フィールド ステーションを設定する前に、スタディ プロットの卓越風向を評価し、特定のアプリケーションに必要なフェッチ(風上距離)の量を決定する必要があります。フェッチの距離は、測定する表面の高さと機器の高さ4に依存します。一般に、フェッチは、センサーが配置されているキャノピーの中点より上のメートルごとに風下 100 メートルです。
  2. 特定のセットアップのニーズに基づいて、データロガーにセンサーを取り付け、現場に向かう前にできるだけ多くの機器を準備します。フィールド展開の前にロガーにプログラムをインストールし、以下で説明する手順を使用してロガーが適切に機能していることをテストします。
    1. データロガーの前面にあるRS-232ケーブルポート(絶縁されていない)を使用してラップトップをデータロガーに接続し、インターフェースプログラムを開いてデータロガーと通信し、データロガーに接続します。次に、ターンキーデータロガープログラムをデータロガーにアップロードします。USB標準ケーブルや携帯電話もデータロガーとの通信に使用できます。
      1. このプログラムは、3D音響風速計、2つの熱流束プレート、土壌熱電対、細....

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結果

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エネルギー収支方程式のRn、G成分の取得は比較的簡単で安価です。Hの測定はより複雑で、表面の更新には細いワイヤー熱電対で測定する高周波温度トレース、または渦共分散には音響風速計が必要です。細いワイヤ熱電対で測定した温度トレースの例を図9に示しますが、この生データから信号を抽出するための数学的解析の必要性を示しています(解析の詳細については、3,8-13を参照)。このデータを目視で見ると、約 12 秒、35 秒、46 秒、72 秒で終わる 3 つまたは 4 つの主要なランプが見つかります(図 9)。

すべてのエネルギーバランスコンポーネントは、日中にピーク値が発生する同様の日周パターンに従います。Rnは、日中は地表が失う放射線よりも多くの放射線を受けるため正になり、夜間は地表が受ける放射線よりも多くの放射線を受けるため負となり、北カリフォルニアの晴れた春の日に予想される日周曲線を示.......

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ディスカッション

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表面更新法は、作物の水使用量をリアルタイムで定量化するためのスタンドアロンの安価な技術を開発する具体的な機会を提供します。信号処理、データロガーのプログラミング、校正、データ管理における最近の進歩により、この目標に焦点が当てられるようになりました。この原稿と最近開発されたターンキーデータロガープログラム6 は、農業研究者にとって高度な微気象学的手法をより利用しやすくします。エネルギー収支項と診断変数を含むターンキーデータプログラムからの出力テーブルは、リモートまたは直接接続を使用してダウンロードできるため、プログラムユーザーは現場訪問時に非常に便利になります。これは私たちの研究活動の進行中のプロジェクトであるため、プログラムの更新バージョンの将来のリリースを期待しています (Surface Renewal Eddy Covariance Facebook ページ図 12 にご期待ください)。

現在の状態では、SRは依然として渦共分散による校正を必要としており、これには高価で高度な技術を持つ音波風速計の使用が含まれます。SRは、.......

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開示事項

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著者らは、現在競合する金銭的利益は存在しないと宣言する。

謝辞

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この研究に対する部分的な支援は、J. Lohr Vineyards & Wines、National Grape and Wine Institute、AJMへのNIFA Specialty Crops Research Initiative助成金、およびUSDA-ARS CRISの資金提供(研究プロジェクト#5306-21220-004-00)によって提供されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
データロガーCampbell Scientific, Inc.CR1000
データロガー筐体キャンベルサイエンティフィック社ENC12/14-SC
タワー(6フィート)、接地&避雷針付きCampbell Scientific, Inc.CM6
クロスアーム (4 ft)Campbell Scientific, Inc.CM204
ニューレールクロスオーバーフィッティングキャンベルサイエンティフィック社17953
レギュレーター&バッテリー付き電源(12 V)Campbell Scientific, Inc.PS100
チャージャーレギュレータ (12V)Campbell Scientific, Inc.CH100
バッテリー延長ケーブルCampbell Scientific, Inc.6186
熱電対延長ケーブルCampbell Scientific, Inc.FWC-20
熱電対キャンベル・サイエンティフィック社FW3
ロングネック付き3D音波風速計RM Young Company81000 RE
8 風速計用導体ケーブルRM Young Company18660
土壌熱流束プレートREBS, Inc.HFT3.1
土壌熱電対Campbell Scientific, Inc.TCAV
ケーブル付きネット放射計Kipp and Zonen, Inc.NR Lite 2
Kipp and Zonen, Inc.ラジオメーター用ヘビーデューティーポールマウントL-CMB1

参考文献

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  1. Moratiel, R., Martínez-Cob, A. Evapotranspiration of table grape trained to a gable trellis system under netting and black plastic mulching. Irrigation Science. 30 (3), 167-178 (2011).
  2. DWR (Department of Water Resources). California Water Plan Update, Bulletin 160-05. , Califo....

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