Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-12T08:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: 学ぶ表面更新法による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。タワー、データロガー、センサーの設置と校正により、生態系の蒸発散を正確に測定し、農業の灌漑意思決定に有用な情報を提供します。

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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。

<ol>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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、<<a href="http://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>> からダウンロードできます。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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)。</li>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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)。
		<ol>
			<li>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。</li>
			<li>(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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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)</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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</li>接続します。
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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、<a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland で入手可能なRM Young Model 81000RE再構成Instructions.pdf</a>を参照してください)。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>電源をデータロガーに取り付けます。</li>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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、<a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland からダウンロードできます</a>。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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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。
		<ol>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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 RN、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。</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>
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<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>
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<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>

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。

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、...

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。Rn 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。
Rn 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。

<table><tbody><tr><td>データロガー</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CR1000</td><td></td></tr><tr><td>データロガー筐体</td><td>キャンベルサイエンティフィック社</td><td>ENC12/14-SC</td><td></td></tr><tr><td>タワー(6フィート)、接地&避雷針付き</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM6</td><td></td></tr><tr><td>クロスアーム (4 ft)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM204</td><td></td></tr><tr><td>ニューレールクロスオーバーフィッティング</td><td>キャンベルサイエンティフィック社</td><td>17953</td><td></td></tr><tr><td>レギュレーター&バッテリー付き電源(12 V)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>PS100</td><td></td></tr><tr><td>チャージャーレギュレータ (12V)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CH100</td><td></td></tr><tr><td>バッテリー延長ケーブル</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>6186</td><td></td></tr><tr><td>熱電対延長ケーブル</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>FWC-20</td><td></td></tr><tr><td>熱電対</td><td>キャンベル・サイエンティフィック社</td><td>FW3</td><td></td></tr><tr><td>ロングネック付き3D音波風速計</td><td>RM Young Company</td><td>81000 RE</td><td></td></tr><tr><td>8 風速計用導体ケーブル</td><td>RM Young Company</td><td>18660</td><td></td></tr><tr><td>土壌熱流束プレート</td><td>REBS, Inc.</td><td>HFT3.1</td><td></td></tr><tr><td>土壌熱電対</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>TCAV</td><td></td></tr><tr><td>ケーブル付きネット放射計</td><td>Kipp and Zonen, Inc.</td><td>NR Lite 2</td><td></td></tr><tr><td>Kipp and Zonen, Inc.</td><td>ラジオメーター用ヘビーデューティーポールマウント</td><td>L-CMB1</td><td></td></tr></tbody></table>

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

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

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。

エネルギー収支式のRnおよびG成分の取得は、比較的容易で低コストです。一方、Hの測定はより複雑であり、表面更新法では細線熱電対を用いた高周波温度トレースを、エディ共分散法では超音波風速計を用いた測定を必要とします。細線熱電卓で測定された温度トレースの例をFigure 9に示します。この図から、生データから信号を抽出するために数学的な解析が必要であることがわかります（解析の詳細については3,8-13を参照してください）。このデータを視覚的に確認すると、約12、35、46、および72秒で終了する3つまたは4つの主要なランプ（上昇・下降曲線）が見て取れます（Figure 9）。
エネルギー収支のすべての構成要素は同様の日周パターンを示し、日中にピーク値となります。Rnは、表面が失うよりも多くの放射を受け取るため日中は正となり、受け取るよりも多くの放射を失うため夜間は負となり、北カリフォ...

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。

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

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

この手順の全体的な目的は、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を測定および処理するための、表面更新システムを設置することです。まず、タワーのデータロガー用エンクロージャとソーラーパネルをフィールドに設置します。次に、センサーをタワーに固定します。次に、センサーワイヤーをデータロガーに接続します。最後のステップは、ノートパソコンをデータロガーに接続し、プログラムをデータロガーにアップロードして、データロガーがセンサーからの信号を受信していることを確認することです。最終的に、地表更新法は生態系の蒸発散量を測定するために用いられ、さまざまな農業生態系において栽培者が灌漑の決定を行う際に有用な情報を提供します。この手法は農業や都市部での水利用に関する知見を提供するだけでなく、林業や湿地帯などの自然生態系においても応用可能です。蒸散は作物生産システムにおける水損失の主な原因であるため、この技術の意義は灌漑管理にまで及びます。一般的に、この手法を初めて導入する者は、装置の設置方法や正常に動作しているかの確認方法が分からず、苦労することがあります。私たちは、乱流データの観測結果に基づき、化学工学の表面更新（surface renewal）の概念を大気科学に適応させることで、この手法を考案しました。本手順は、チームメンバーのRick Snyder、PA、およびポストドクターのArturo CalderoneとTom Chaplinによって実演されます。まず、テキストプロトコルに従い、フィールドステーションの場所を決定し、風向を評価することからこの実験を開始してください。フィールドに出る前に、研究室内で可能な限り多くの機器の準備を行ってください。まず、センサーをデータロガーに取り付けます。次に、ラップトップとデータロガーのポートをRS 2 32ケーブルで接続します。データロガーと通信するためのインターフェースプログラムを開き、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てください。すべてのセンサーのデータ値を確認し、すべてが正しく動作しているかを確認します。調査地内でステーションの適切な設置場所を決定したら、タワーを設置し、付属の杭を使用してタワーの脚を固定します。土壌熱流計（Heat flux plates）の妨げにならない場所に、小型スレッジハンマーを用いて長い銅製接地棒を土中に打ち込みます。太いゲージのワイヤーと付属のコネクタを使用して、接地棒をタワーに接続します。製造元から提供されたUボルトを用いて、データロガーのエンクロージャをタワーの主軸に取り付けます。2枚の土壌熱流束プレートの白いドットを上にして、点滴灌漑エミッターから離れた列間スペースの5 cmの深さに設置します。熱流束プレートの配線を、差動入力センサとしてデータロガーのチャンネル3および4に接続します。プレート上部の土壌における熱貯蔵量の変化を考慮するため、地上熱流束プレートの上の土壌体積をカバーするように土壌熱電対を設置します。土壌熱電対を、差動センサとしてデータロガーのチャンネル5に接続します。ネットラジオメーターをクロスアームに取り付けます。ブームをキャノピーの上に配置し、南に向かせます。ネットラジオメーターをデータロガーのチャンネル2に接続します。差動センサーとして使用します。細線熱電対をクロスアームの一端のキャノピー上に設置します。気温は10 Hzの頻度で熱電対によりサンプリングされます。これらの測定には、通常、直径 76 micron のものが使用されます。細線熱電対をデータロガーのチャンネル1に差動センサとして接続し、紫色のワイヤを 1 H に、赤色のワイヤを 1 L に、透明なワイヤを信号グランドに接続してください。クロスアームのもう一方の端に、新しいレールジョイント継手を用いて超音波風速計を設置し、三次元風速および超音波温度を 10 hertz で測定します。エディ共分散法による顕熱フラックスを算出するため、超音波風速計を設置し、測定領域の中心が微細線熱電対と同じ高さになるように調整します。次に、電源をデータロガーに接続します。データロガー前面のRS 2 32ケーブルポートを使用して、ノートパソコンをデータロガーに接続します。Turnkeyデータロガープログラムを使用し、すべてのセンサーのデータ値を確認して、すべてが正しく動作していることを確認してください。新しいレールジョイントのネジを緩め、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。金属シリンダーとの接合部で、絶縁された熱電対線を曲げます。露出した熱電対線がジャーに当たらないように注意しながら、レモンジュースの入ったジャーの中にゆっくりと浸します。脱イオン水の入ったジャーにワイヤーを浸して、センサーからレモン汁を洗い流します。金属との接合部にある熱電対ワイヤーを再び真っ直ぐに伸ばします。ネットラジオメーターに脱イオン水をスプレーし、吸収性ワイプで拭き取ります。垂直マストを元の位置まで上げます。新しいレールのセットスクリューを締め直し、ネットラジオメーターを水平にします。ここでは、極細線熱電対で測定した温度トレースの例を示します。このトレースは、この生データから信号を抽出するために数学的解析が必要であることを示しています。このデータを視覚的に確認すると、約 12、35、46、および 72 秒に終了する 3 または 4 つの主要なランプが認められます。すべてのエネルギー収支成分は同様の日変化パターンに従い、日中にピーク値を示します。正味放射は、地表面が放出するよりも多くの放射を受けるため日中は正となり、受けるよりも多くの放射を失うため夜間は負となります。これは、北カリフォルニアの晴れた春の日における典型的な日変化曲線を示しています。土壌熱流束密度も同様に、日変化のパターンに従います。エネルギーが地表から地中へと伝導するため、日中は正の値となり、夜間には負の値となります。下層からより低温な地表へとより多くのエネルギーが伝導するにつれ、潜熱フラックスは十分な水分を持つ作物における予想される日変化曲線に従います。好天時には、純放射が蒸発散の主要なエネルギー源となります。したがって、潜熱フラックス密度の値は、活発に蒸散している作物における日中の純放射の変化に追随します。純放射が正の条件下では、利用可能なエネルギーの大部分が、顕熱フラックス密度や土壌熱フラックス密度よりも潜熱フラックス密度に分配されると考えられます。風のある夜間には潜熱フラックスはゼロに近かったのに対し、穏やかな夜間には負の値となり、これは凝結を示している可能性があります。それにもかかわらず、潜熱フラックスに対する日中の寄与は、夜間の寄与を大幅に上回っています。したがって、夜間の値における不確実性は興味深いものの、相対的には重要ではありません。日々の累積蒸発散量は、隣接して設置された表面更新法観測ステーションと重量式ライシメータの間で良好に一致しています。小麦畑において、重量式ライシメータは作物表面からの蒸発散量の推定におけるゴールドスタンダードと考えられています。ほとんどの日において、表面更新法測定ステーションによる累積蒸発散量は、Lysimeter.Towerによる値よりもわずかに高い値を示しました。これらの測定値はライシメータによる測定よりも広範囲のフラックスを表しており、また測定時において、ライシメータ内の小麦は、周囲の植物や畑の他の部分よりも約10 centimeters短く、密度も低くなっていました。したがって、装置の設置時には、フラックス・タワーからより高い蒸発散量が得られることが予想されました。この手順に従い、現場を離れる前に、センサーがロガーに値を返していることを確認することが重要です。また、葉の水ポテンシャルなどの他の測定を行うことで、成長後の植物の水の状態など、別の疑問に対する答えを得ることができます。この手法により、農業分野の研究者がさまざまな作物における圃場規模の水利用を調査する道が開かれました。

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