표면 재생은 에너지 플럭스를 결정하는 데 점점 더 많이 사용되는 미기상학적 방법이지만 기술적 복잡성으로 인해 광범위한 청중이 접근할 수 없습니다. 표면 재생 필드 스테이션을 설정 및 보정하고, 데이터를 수집 및 처리하고, 결과를 올바르게 해석하는 데 필요한 단계를 설명합니다.
방법 논문
표면 재생은 에너지 플럭스를 결정하는 데 점점 더 많이 사용되는 미기상학적 방법이지만 기술적 복잡성으로 인해 광범위한 청중이 접근할 수 없습니다. 표면 재생 필드 스테이션을 설정 및 보정하고, 데이터를 수집 및 처리하고, 결과를 올바르게 해석하는 데 필요한 단계를 설명합니다.
첨단 미기상학 방법은 토양, 작물 및 환경 과학에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 대기 과학에 대한 공식적인 교육을 받지 않은 많은 과학자들은 이러한 기술에 상대적으로 접근하기가 어렵습니다. 표면 재생 및 기타 플럭스 측정 방법을 사용하려면 경계층 기상학에 대한 이해와 계측 및 여러 데이터 관리 프로그램에 대한 광범위한 교육이 필요합니다. 이러한 기술의 접근성을 개선하기 위해 표면 재생 측정의 기본 이론을 설명하고, 와류 공분산 보정을 통해 표면 재생을 위한 필드 스테이션을 설정하는 방법을 시연하고, 오픈 소스 턴키 데이터 로거 프로그램을 활용하여 플럭스 데이터 수집 및 처리를 수행합니다. 새로운 턴키 프로그램은 수정된 플럭스 및 품질 관리 매개변수가 포함된 간단한 데이터 테이블을 사용자에게 반환하며, 연구원이 최종 플럭스 데이터를 얻기 위해 여러 처리 프로그램 사이를 이동할 필요가 없습니다. 이러한 측정에서 생성된 데이터의 예는 이 기술을 사용하여 작물 물 사용을 측정하는 방법을 보여줍니다. 산출물 정보는 재배자가 다양한 농업 생태계에서 관개 결정을 내리는 데 유용합니다. 이 스테이션은 현재 우리 그룹의 연구원들과 캘리포니아 수자원부에 의해 쌀, 와인 및 건포도 포도밭, 알팔파, 아몬드, 호두, 복숭아, 레몬, 아보카도 및 옥수수와 같은 작물에 대한 수많은 현장 실험에 배치되어 있습니다.
물 부족은 건조 재배 지역에서 농업의 지속 가능성을 위협합니다. 이러한 상황은 기후 조건의 변화와 제한된 물 공급을 위한 농업, 지방자치단체, 산업기관 및 보존 기관 간의 경쟁이 증가함에 따라 악화될 가능성이 높습니다. 이러한 지속적인 딜레마를 해결하기 위해 재배자들은 관개 효율성을 개선할 수 있는 방법, 작물 물 사용량(예: 증발산, ET)을 실시간으로 더 잘 추정하는 기술, 더 나은 농업 기상학적 방법을 지속적으로 모색하고 있습니다. 재배자가 ET를 추정하기 위해 사용하는 현재 기술은 기준 증발산(ET0) 및 경험적 작물 계수(Kc)의 사용에 의존하며, 둘 다 추정 오류에 매우 취약합니다. 농업기상학자들은 또한 농작물 용수 사용 효율성 개선을 위한 실험적 처리를 평가하고1 지역별 물 할당 전략2을 매개변수화하기 위해 ET를 측정하지만, 이러한 방법은 매우 기술적이고 비용이 많이 든다. 현재 기존의 연구 기반 ET 측정 방법을 재배자를 위한 비용 효율적이고 사용자 친화적인 기술로 전환하기 위한 노력이 진행 중입니다.
표면 재생(SR)은 작물 ET를 측정하는 데 사용되는 농업 기상학적 방법 중 하나입니다. SR은 난류 교환 과정3 동안 농작물 캐노피 내에 임시로 상주하는 공기 소포의 에너지 예산을 그림 1에 표시된 스테이션으로 측정하고 그림 2 및 동영상 1에 이론적으로 설명된 대로 분석한 것을 기반으로 합니다. 공기 소포는 난류 온도 시계열 데이터에서 램프와 같은 모양으로 표시되며, 램프의 진폭과 주기는 플럭스 밀도를 계산하는 데 사용됩니다(그림 2 및 3). SR 방법을 사용하면 주어진 작물 표면에 대한 ET는 잠열 플럭스 밀도(LE)를 에너지 균형 방정식
의 잔차로 계산하여 결정됩니다.
LE=R n-G-H,
여기서 LE는 작물 표면에서 물의 상 변화와 관련된 에너지 플럭스 밀도, Rn은 순 복사, G는 토양 열 플럭스 밀도(즉, 지면 안팎으로 전도되는 에너지), H는 현열 플럭스 밀도(즉, 표면에서 공기로 또는 그 반대로 온도 변화를 일으키는 에너지 플럭스 밀도)입니다. Rn은 순 플럭스가 아래쪽일 때(에너지가 표면에 추가됨) 양수이고, LE와 H는 플럭스가 위쪽일 때(공기에 추가된 에너지) 양수이고, G는 플럭스가 아래쪽일 때(에너지가 토양에 추가됨) 양수입니다. 그런 다음 LE(MJ/m2초)를 증발 잠열(L=2.45MJ/kg)로 나누어 표면에서 수증기의 질량 플럭스 밀도(즉, ET)를 구합니다.
R,n 및 G의 측정은 비교적 간단하고 저렴합니다. H를 직접 측정하는 것은 더 복잡하며 고주파 데이터 수집이 필요합니다. H를 결정하는 가장 일반적인 방법은 와류 공분산을 사용하는 것입니다. 그러나 이 방법에 필요한 음파 풍속계는 비싸고 복잡하기 때문에 농업 경제학자, 원예가 또는 엔지니어가 H 및 LE를 측정하는 데 널리 사용하지 않습니다. 반면에 SR 기술에서 파생된 H는 미세 와이어 열전대를 사용하여 표면-대기 계면에서 고주파 공기 온도를 측정하는 더 간단하고 저렴한 방법으로 얻습니다. SR의 단순성에도 불구하고 전류 측정은 현열 플럭스 밀도를 얻기 위해 여전히 음파 풍속계의 와류 공분산 추정치 H에 대한 보정이 필요합니다.
ET 측정을 위한 SR 플럭스 타워의 성공적인 배치는 특히 대기 과학에 대한 정식 교육을 받지 않은 많은 농업 연구자에게 어려운 과제가 될 수 있습니다. SR 및 와류 공분산 측정에는 복잡한 계측 작업을 실행하기 위한 데이터 로거 프로그래밍과 원시 난류 데이터를 의미 있는 플럭스로 후처리하기 위한 컴퓨터 프로그램 작성 모두에서 정교한 기술이 필요합니다. 여기에서는 필드 스테이션을 설정하고, 센서를 설치하고, 데이터 수집 및 후처리 절차를 위해 새로운 턴키 데이터 로거 프로그램을 활용하는 방법을 설명합니다.
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에너지 균형 방정식의 R, n 및 G 성분을 얻는 것은 비교적 간단하고 저렴합니다. H의 측정은 더 복잡하며 표면 재생을 위한 미세 와이어 열전대 또는 와류 공분산을 위한 음파 풍속계로 측정한 고주파 온도 트레이스가 필요합니다. 미세 와이어 열전대로 측정된 온도 추적의 예가 그림 9에 나와 있으며, 이는 이 원시 데이터에서 신호를 추출하기 위한 수학적 분석의 필요성을 보여줍니다(3,8-13의 분석 세부 정보 참조). 이 데이터를 육안으로 검사하면 약 12초, 35초, 46초, 72초에서 끝나는 3개 또는 4개의 기본 램프가 나타납니다(그림 9).
모든 에너지 균형 구성 요소는 하루 중반에 피크 값이 발생하는 유사한 일주일 패턴을 따릅니다. Rn은 표면이 손실되는 것보다 더 많은 방사선을 받기 때문에...
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표면 재생 방법은 작물 물 사용을 실시간으로 정량화하는 독립형의 저렴한 기술을 개발할 수 있는 실질적인 기회를 제공합니다. 신호 처리, 데이터 로거 프로그래밍, 교정 및 데이터 관리의 최근 발전으로 인해 이 목표에 더욱 명확해졌습니다. 이 원고와 최근 개발된 턴키 데이터 로거 프로그램6 은 농업 연구자들이 고급 미기상학적 방법에 더 쉽게 접근할 수 있도록 합니다. 에너지 균형 용어와 진단 변수가 포함된 턴키 데이터 프로그램의 출력 테이블은 원격 또는 직접 연결을 사용하여 다운로드할 수 있으므로 현장 방문 시 프로그램 사용자에게 상당한 편의성을 더할 수 있습니다. 우리는 이것이 우리의 연구 노력에서 진행 중인 프로젝트이기 때문에 프로그램의 업데이트된 버전의 향후 릴리스를 기대합니다(Surface Renewal Eddy Covariance Facebook 페이지 그림 12를 계속 지켜봐 주시기 바랍니다).
현재 상태에서 SR은 여전히...
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저자는 현재 경쟁하는 재정적 이해관계가 없음을 선언합니다.
이 연구에 대한 부분적인 지원은 J. Lohr Vineyards & Wines, National Grape and Wine Institute, AJM에 대한 NIFA Specialty Crops Research Initiative 보조금 및 USDA-ARS CRIS 자금 (Research Project # 5306-21220-004-00)에 의해 제공되었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 데이터 로거 | Campbell Scientific, Inc. | CR1000 | |
| 데이터로거 인클로저 | Campbell Scientific, Inc. | ENC12/14-SC | |
| 타워(6피트) | Campbell Scientific, Inc. | CM6 | |
| 크로스 암(4피트) | Campbell Scientific, Inc. | CM204 | |
| 누 레일 크로스 오버 피트 | 캠벨 사이언티픽 | 17953 | |
| 레귤레이터 및 배터리가 있는 전원 공급 장치(12V) | Campbell Scientific, Inc. | PS100 | |
| 충전기 레귤레이터(12V) | Campbell Scientific, Inc. | CH100 | |
| 배터리 연장 케이블 | Campbell Scientific, Inc. | 6186 | |
| 열전대 연장 케이블 | Campbell Scientific, Inc. | FWC-20 | |
| 열전대 | Campbell Scientific, Inc. | FW3 | |
| 3D 음파 풍속계(목이 긴 경우) | RM Young Company | 81000 RE | |
| 8 풍속계용 도체 케이블 | RM Young Company | 18660 | |
| 토양 열유속 플레이트 | REBS, Inc. | HFT3.1 | |
| 토양 열전대 | Campbell Scientific, Inc. | 케이블이 있는 TCAV | |
| Net 복사계 | Kipp 및 Zonen, Inc. | NR Lite 2 | |
| Kipp 및 Zonen, Inc. | 용 헤비 듀티 폴 마운트 | L-CMB1 |
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