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

この手順の全体的な目標は、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インストールすることです。これは、最初にタワーデータロガーエンクロージャーとソーラーパネルをフィールドに設置することによって達成されます。2番目のステップは、センサーをタワーに固定することです。

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、ラップトップで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、地表の再生は生態系の蒸発散量を測定するために使用され、さまざまな農業生態系で灌漑の決定を下すために生産者に役立つ情報を提供します。

この方法は、農業や都市の水利用に関する洞察を提供しますが、林業や湿地などの自然生態系にも応用できます。蒸発散が作物生産システムからの水損失の主な原因であるため、この手法の意味は灌漑管理にまで及びます。一般に、この方法に不慣れな個人は、機器の設置方法や適切に機能していることを確認する方法がわからないため、苦労します。

この手法のアイデアが最初に浮かんだのは、乱流データの観測が、表面再生の概念を化学工学から大気科学に適応させることにつながったときでした。この手順は、チームメンバーのRick SnyderとPAとポスドクのArturo CalderoneとTom Chaplinによってデモンストレーションされます。この実験は、フィールドステーションの位置を特定し、テキストプロトコルで説明されているように風向を評価することから始めます。

現場に行く前に、実験室でできるだけ多くの機器を準備してください。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ポートの間にRS 2 32ケーブルを接続します。

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、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。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。

調査フィールドの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、提供された杭を使用してタワーの足を安定させます。長い銅製の接地棒を、土に干渉しない場所でミニスレッジハンマーで土に打ち込みます。熱流束プレート。

太いゲージワイヤーと付属のコネクタを使用して、アースロッドをタワーに接続します。データロガーエンクロージャーは、メーカーが提供するUボルトを使用してタワーの主軸に取り付けます。点滴灌漑エミッターから離れた列間スペースに、白い点を上にした2つの土壌熱流束プレートを5センチメートル

熱流束プレートのワイヤをデータロガーのチャンネル3と4に差動入力センサーとして接続します。プレートの上の蓄熱量の変化を考慮して、地盤の熱流束プレートの上の土の体積にまたがるように土の熱電対を取り付けます。土壌熱電対を差動センサーとしてチャネル5のデータロガーに接続します。

ネット放射計をクロスアームに取り付けます。キャノピーの上でブームを巻き、南を向いています。ネット放射計をチャネル2のデータロガーに接続します。

差動センサーとして。細いワイヤー熱電対をクロスアームの一方の端とキャノピーの上に取り付けます。気温は10ヘルツの熱電対でサンプリングされます。

これらの測定に使用されるのは、通常、直径76ミクロンです。細いワイヤーの熱電対をチャンネル1のデータロガーに差動センサーとして接続し、紫のワイヤーが1つのHに、赤いワイヤーが1つのLに、クリアワイヤーが信号グランドに向かいます。新しいレールジョイントフィッティングを使用してクロスアームのもう一方の端に音波風速計を取り付け、10ヘルツで3次元の風速と音波温度を測定します。

渦共分散顕熱流束の計算用。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。次に、電源をデータロガーに取り付けます。

データロガーの前面にあるRS 2 32ケーブルポートを使用して、ラップトップをデータロガーに接続します。ターンキーデータロガープログラムを使用します。すべてのセンサーのデータ値をチェックして、すべてが正しく機能していることを確認します。

新しいレールジョイントを緩め、ネット放射計を保持しているメインの垂直マストを下げます。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をレモンジュースの瓶に慎重に浸し、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。熱電対線を金属との接合部で再度まっすぐにします。ネット放射計に脱イオン水を噴霧し、吸収性ワイプで乾かします。

垂直マストを元の位置まで上げます。新しいレール止めネジを締め直し、ネット放射計を水平にします。ここでは、細いワイヤ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の数学的解析の必要性を示しています。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。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。

正味の放射線は、地表が失う放射線よりも多くの放射線を受けるため、日中は正になり、夜間は地表が受け取る放射線よりも多くの放射線を失うため、負になります。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しています。土壌熱フラックス密度も日周パターンに従います。

エネルギーが地表から地表に伝導されるため、日中はプラスになり、夜はマイナスになります。より多くのエネルギーが下から低温の表面に伝導されると、潜熱流束は、十分な水がある作物の予想される日周曲線に従います。晴天時には、正味の放射線が蒸発散の主なエネルギー源です。

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の日中の正味放射量の変化を追跡します。正の正味放射条件で利用可能なエネルギーの大部分は、顕熱フラックス密度と土壌熱フラックス密度ではなく、潜熱フラックス密度に分割されると予想されます。風の強い夜には潜熱フラックスはゼロに近かったが、穏やかな夜にはマイナスとなり、結露を示している可能性がある。

それにもかかわらず、潜熱フラックスへの昼間の寄与は、夜間の寄与をはるかに上回っています。したがって、夜間の値の不確実性は興味深いものですが、比較的重要ではありません。毎日の累積蒸発散量の値は、表面更新ステーションと並んで配置された計量ライシメーターでよく一致しています。

小麦の分野では、ライジメータは作物表面からの蒸発散量推定のゴールドスタンダードと考えられています。ほとんどの日で、地表更新ステーションからの累積蒸発散量は、Lysimeter.Towerの値よりもわずかに高かった。測定値は、ライシメータの測定値よりも広い領域からのフラックスを表しており、これらの測定の時点で、ライシメータの小麦は、植物や畑の残りの部分よりも約10センチメートル短く、密度が低かった。

そのため、装置の設置中は、フラックスタワーからの蒸発散量が高いことが予想されました。この手順に従って、サイトを離れる前に、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。葉の水分ポテンシャルなどの他の測定値は、植物の水の状態などの他の質問に答えるために使用できます その開発後。

この技術は、農業分野の研究者がさまざまな作物のフィールドスケールの水利用を調査する道を開きました。