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

サマリー

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

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

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(K_c)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と動画1に理論的に示されているように分析することに基づいています。空気パーセルは、乱流温度時系列データではランプのような形状として現れ、ランプの振幅と周期を使用して磁束密度を計算します(図2および3)。SR法では、特定の作物表面のETは、次のエネルギーバランス方程式
の残差として潜熱流束密度(LE)を計算することによって決定されます。 LE=R n-G-H、

ここで、LEは作物表面からの水の相変化に関連するエネルギーフラックス密度、_Rnは正味放射、Gは土壌熱フラックス密度(つまり、地面に出入りするエネルギー)、Hは顕熱フラックス密度(つまり、表面から空気へ、またはその逆のエネルギーフラックス密度で温度変化をもたらす)です。R_n は正味のフラックスが下向き (表面に追加されるエネルギー) のときは正の数、LE と H はフラックスが上向き (空気にエネルギーが追加される) のときは正の数、G はフラックスが下向き (土壌に追加されるエネルギー) のときに正の数です。次に、LE(MJ / m²秒)を蒸発潜熱(L = 2.45 MJ / kg)で除算して、表面からの水蒸気の質量フラックス密度(ET)を求めます。

R_n と G の測定は比較的簡単で安価です。Hの直接測定はより複雑で、高周波のデータ集録が必要です。Hを決定する最も一般的な方法は、渦共分散を使用することです。ただし、この方法に必要な音波風速計は高価で複雑であるため、農学者、園芸家、またはエンジニアがHとLEを決定するために広く使用されていません。一方、SR技術から得られるHは、細線熱電対を使用して表面大気界面の高周波空気温度を測定する、より簡単で安価な方法によって得られます。SRはシンプルですが、電流測定では、顕熱流束密度を得るためには、音波風速計の渦共分散推定値Hに対するキャリブレーションが必要です。

ET測定用のSRフラックスタワーを成功裏に展開することは、特に大気科学の正式な訓練を受けていない多くの農業研究者にとって困難な課題になる可能性があります。SRおよび渦共分散測定には、複雑な計装を使用してタスクを実行するためのデータロガーのプログラミングと、生の乱流データを意味のあるフラックスに後処理するコンピュータープログラムの作成の両方で高度な技術スキルが必要です。ここでは、フィールドステーションのセットアップ方法、センサーの設置方法、データ収集と後処理手順のための新しいターンキーデータロガープログラムの利用方法について説明します。

プロトコル

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、細線空気熱電対、および正味放射計という特定の機器スイート用に作成されています。プログラムを他のセンサー構成に適合させることができますが、ユーザーは、変更後にロガープログラムを慎重にフィールドテストする必要があります。複雑なコードの多くの新しい行がプログラムに追加されると、プログラムが正しく機能しない可能性があります。特に、ソニック風速計がアナログモードではなくシリアルモードでサンプリングされる場合。このプログラムは、<sites.google.com/site/tmshapland> からダウンロードできます。
   2. すべてのセンサーのデータ値を確認して、すべてが正しく機能しているかどうかを確認します。
      1. 注:これらの変数のいずれかがロガーインターフェースプログラムのステータステーブルで「NAN」を生成している場合は、対応するセンサーとロガーへの接続を確認する必要があります。必要な修正を行った後、コンピューターに戻り、信号が「NAN」を生成していないことを確認します。
3. 以下で説明するセットアップは、1本の細いワイヤ熱電対を備えたSRシステム用であり、配線は以下で説明するターンキープログラムに組み込まれたデータロガーコマンドと一致するように説明されています。
   1. スタディフィールドでステーションの適切な位置が特定されたら、タワーをセットアップします(CM6-図1)。付属の杭を使用してタワーの足を安定させ、長い銅の接地棒をミニスレッジハンマーで土に打ち込み、土壌熱流束プレートの邪魔にならない位置で-以下を参照)、太いゲージワイヤーと付属のコネクタを使用して接地ロッドをタワーに接続します。
   2. データロガーエンクロージャーを、製造元が提供するUボルトを使用してタワーの主軸に取り付けます(図1)。
   3. 点滴灌漑エミッターから離れた列間スペースに5cmの深さに白い点を付けた2つの土壌熱フラックスプレート(つまり、G1とG2)を取り付けます(図4)。設置は、土壌との良好な熱接触を確保し、データロガーに戻る延長ワイヤーを埋めて、土壌から引き裂かれることによる損傷を防ぐ必要があります。
      1. 熱流束板のワイヤーを差動入力センサー(G1:黒線3H、赤線3L-、G2:黒線4H、赤線4L)としてデータロガーチャネル4および4に接続します。このドキュメントに記載されているコードは、データロガーチャンネルのラベルと一致し、原稿の残りの部分で使用されます。すべてのセンサーの詳細を表 1 に示します。
      2. 注:地中熱流束プレート内のサーモパイルは、既知の熱特性を持つ材料全体の温度勾配を測定して、エネルギー流束密度に到達します。各プレートはメーカーによって校正されています。地中熱流束プレートは、日射を遮らずに土壌の真上に設置できないため、地表の下に埋める必要があります。地中熱流束プレートの深さでのエネルギーフラックス密度は、プレートの上の土壌層にエネルギーが蓄積されているため、表面のエネルギーフラックス密度と同じではないため、プレートの上の層には並列に配線された土壌温度センサーのセットが設置されています。
   4. 土壌熱電対(1つのプローブが並列に配線された4つのプローブを備えたTsという名前のケーブル)を、プレートの上の蓄熱量の変化を考慮して、地盤の上の土壌の体積にまたがるように取り付けます(図4)。
      1. 土壌熱電対を差動センサー(Ts:紫線5H、赤線5L)としてチャネル5のデータロガーに接続します。
      2. (注)土壌層温度は、土壌層の底部付近から上部付近(土壌表面下約0.04〜0.01m)に角度を付けて土壌温度プローブを挿入して測定します。温度プローブが表面に近すぎないようにすることが重要です。土壌に亀裂が入ると、センサーとの間で放射や顕熱流束が流入し、誤ったデータが発生する可能性があります。一般に、温度センサーを土壌表面から0.01m以上近づけないのが最善です。また、土壌の乾燥により大きな亀裂が生じている土壌では、より深い配置が必要です⁵。
   5. ネット放射計(Rn-Figure 5)をキャノピーの上の南向きのクロスアームブームに取り付けます。
      1. ネット放射計をチャネル2のデータロガーに差動センサーとして接続します(Rn:白線2H、緑線2L、シールド(裸)信号グランド)
   6. 細いワイヤー熱電対(TC1 - 図6と命名)をクロスアームの一端とキャノピーの上に取り付けます(高さは特定のフィールドで成長する植物と必要なフェッチによって異なります)。気温は10Hzでサンプリングされます。これらの測定に使用される熱電対は通常、直径76μmです。
      1. 細いワイヤーの熱電対をチャンネル1のデータロガーにチャンネル1のデータロガーとして接続し、紫のワイヤーが1Hに、赤いワイヤーが1Lに、クリアワイヤーがアースに信号を送る差動センサーとして
      接続します。
      2. 注:システムが稼働した後の熱電対のメンテナンスについては、以下の詳細を参照してください。
   7. クロスアームのもう一方の端(つまり、細いワイヤー熱電対の反対側)に音波風速計(図7)を取り付け、Nuレールジョイントフィッティングを使用して3次元の風速と10Hzの音波温度を測定し、渦共分散顕熱束を計算します。音波風速計は、測定エリアの中心が細線熱電対と同じ高さになるように設置します。
      1. 注:ソニック風速計は、必要な信号を出力するために、フィールド展開の前に工場出荷時の設定から再構成する必要があります(詳細については、sites.google.com/site/tmshapland で入手可能なRM Young Model 81000RE再構成Instructions.pdfを参照してください)。
      2. 次に、表面更新解析によって得られた未校正の顕熱流束密度を、渦共分散とSR顕熱流束密度の最小二乗線形回帰の傾きを決定することによって較正します。
   8. 電源をデータロガーに取り付けます。
   9. 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ます。この手順がラボでまだ実行されていない場合は、ターンキーデータロガープログラムをアップロードします。
      1. このプログラムは、音波風速計、2つの熱流束プレート、土壌熱電対、細線空気熱電対、およびネット放射計という特定の機器スイート用に書かれています。プログラムを他のセンサー構成に適合させることができますが、ユーザーは、変更後にロガープログラムを慎重にフィールドテストする必要があります。複雑なコードの多くの新しい行がプログラムに追加されると、プログラムが正しく機能しない可能性があります。特に、ソニック風速計がアナログモードではなくシリアルモードでサンプリングされる場合。このプログラムは、sites.google.com/site/tmshapland からダウンロードできます。プログラムとその使用に関する詳細は、最近の出版物⁶で見つけることができます。
   10. すべてのセンサーのデータ値を確認して、すべてが正しく機能しているかどうかを確認します。
       1. 注:これらの変数のいずれかがロガーインターフェースプログラムのステータステーブルで「NAN」を生成している場合は、対応するセンサーをチェックまたは交換する必要があります。センサーまたはその配線を調整したら、コンピューターに戻り、信号が「NAN」を生成していないことを確認します。
4. ステーションが機能したら、次の手順を使用してステーションを保守します。
   1. Nu-Railジョイントを緩め、ネット放射計を保持しているメイン垂直マストを下げます。
   2. 絶縁熱電対線を金属シリンダーとの接合部で曲げます。露出した熱電対ワイヤー(つまり、熱電対の先端)をレモンジュースに慎重に浸し、露出したワイヤーを瓶にぶつけないようにします。ワイヤーを脱イオン(DI)水の瓶に浸して、センサーからレモンジュースを取り除きます。熱電対線を金属シリンダーとの接合部で再度まっすぐにします。
   3. ネット放射計にDI水を噴霧します。吸収性ウェットティッシュで乾かします。垂直マストを元の位置まで持ち上げ、Nu-Railの止めネジを締め直し、ネット放射計を水平にします。
   4. タワーの写真を撮って、植物のキャノピーの経時的な変化を記録します。
   5. 収集したエネルギーバランス磁束データを処理します。ターンキーデータロガープログラムからの出力テーブルには、すでに変換された R_N、G、H、LE が含まれています。ターンキーデータロガープログラムの出力^6,7の詳細については、最近の作業を参照してください。

結果

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...

ディスカッション

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、...

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 Company	81000 RE
8 風速計用導体ケーブル	RM Young Company	18660
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