Name: 표면 갱신 : 밀도 데이터를 측정하고 처리 현장 규모 에너지 유출에 대한 고급 미기상 방법 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-12T08:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: 배우세요 현장 규모 에너지 유출 밀도 데이터를 측정하고 처리하는 표면 갱신 시스템 설치 및 교정 방법입니다. 이 미기상 기법은 증발산량을 정확히 측정하여 농업 관개 결정에 필수적인 정보를 제공합니다.

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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.

<ol>
	<li>현장 설치 전에 풍향 및 발자국 분석을 수행합니다. 이 단계는 타워가 연구 현장에서 대표적인 플럭스를 포착할 수 있도록 적절하게 배치되었는지 확인하는 데 중요합니다.
	<ol>
		<li>필드 스테이션을 설정하기 전에 스터디 플롯에서 우세한 바람 방향을 평가하고 특정 응용 분야에 얼마나 많은 페치(역풍 거리)가 필요한지 결정해야 합니다. 인출 거리는 측정 할 표면의 높이와 악기의 높이4에 따라 다릅니다. 일반적으로 가져오기는 센서가 위치한 캐노피의 중간 지점 위의 각 미터에 대해 바람이 부는 100미터입니다.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>특정 설정의 요구 사항에 따라 데이터 로거에 센서를 연결하고 현장으로 향하기 전에 가능한 한 많은 장비를 준비합니다. 현장 배포 전에 로거에 프로그램을 설치하고 아래 설명된 단계를 사용하여 로거가 제대로 작동하는지 테스트하십시오.
	<ol>
		<li>데이터 로거 전면에 있는 RS-232 케이블 포트(절연되지 않음)를 사용하여 랩톱을 데이터 로거에 연결하고 인터페이스 프로그램을 열어 데이터 로거와 통신한 다음 데이터 로거에 연결합니다. 그런 다음 턴키 데이터 로거 프로그램을 데이터 로거에 업로드합니다. USB 표준 케이블과 휴대 전화도 데이터 로거와 통신하는 데 사용할 수 있습니다.
		<ol>
			<li>이 프로그램은 3D 음파 풍속계, 2개의 열유속판, 토양 열전대, 미세 와이어 공기 열전대 및 그물 복사계와 같은 특정 장비 제품군을 위해 작성되었습니다. 다른 센서 구성에 맞게 프로그램을 조정할 수 있지만 사용자는 수정 후 로거 프로그램을 신중하게 현장 테스트해야 합니다. 복잡한 코드의 새 줄이 프로그램에 많이 추가되면 제대로 작동하지 않을 수 있습니다. 특히 음파 풍속계가 아날로그 모드가 아닌 직렬 모드로 샘플링되는 경우. 이 프로그램은 <<a href="http://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland>에서 다운로드할 수 있습니다.</a></li>
		</ol>
		</li>
		<li>모든 센서의 데이터 값을 확인하여 모든 것이 올바르게 작동하는지 확인합니다.
		<ol>
			<li>참고 : 이러한 변수 중 하나라도 로거 인터페이스 프로그램의 상태 테이블에서 'NAN'을 생성하는 경우 해당 센서와 로거에 대한 연결을 확인해야 합니다. 필요한 수정을 한 후 컴퓨터로 돌아가서 신호가 더 이상 'NAN'을 생성하지 않는지 확인하십시오.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>아래에 설명된 설정은 하나의 미세 와이어 열전대가 있는 SR 시스템에 대한 것이며, 배선은 아래에 설명된 턴키 프로그램에 포함된 데이터 로거 명령과 일치하도록 설명됩니다.
	<ol>
		<li>연구 분야에서 스테이션에 대한 적절한 위치가 확인되면 타워를 설정합니다(CM6- 그림 1). 제공된 말뚝을 사용하여 타워의 발을 고정하고, 토양 열유속판을 방해하지 않는 위치에서 미니 대형 망치로 긴 구리 접지봉을 토양에 두드리고(아래 참조), 두꺼운 게이지의 와이어와 제공된 커넥터를 사용하여 접지봉을 타워에 연결합니다.</li>
		<li>제조업체에서 제공한 u-볼트를 사용하여 데이터 로거 인클로저를 타워의 주 축에 부착합니다(그림 1).</li>
		<li>점적 관개 이미터에서 떨어진 행 간 공간의 5cm 깊이에 흰색 점이 위로 향하는 두 개의 토양 열유속 플레이트(즉, G1 및 G4)를 설치합니다. 설치는 토양과의 양호한 열 접촉을 보장해야 하며 데이터 로거로 다시 연결되는 연장 와이어는 토양에서 뜯겨져 손상되는 것을 방지하기 위해 묻어야 합니다.
		<ol>
			<li>열유속판 와이어를 차동 입력 센서로 데이터 로거 채널 3 및 4에 연결합니다(G1: 검은색 와이어 3H, 빨간색 와이어 3L - 및 G2: 검은색 와이어 4H, 빨간색 와이어 4L). 이 문서에 나열된 코드는 데이터 로거 채널의 레이블과 일치하며 원고의 나머지 부분에서 사용됩니다. 모든 센서에 대한 자세한 내용은 표 1에 나열되어 있습니다.</li>
			<li>참고: 지면 열유속 플레이트 내부의 열전퇴는 알려진 열 특성을 가진 재료 전체의 온도 구배를 측정하여 에너지 플럭스 밀도에 도달합니다. 각 플레이트는 제조업체에서 보정합니다. 지상 열유속판은 태양 복사를 차단하지 않고 토양 위에 직접 배치할 수 없기 때문에 토양 표면 아래에 묻어야 합니다. 지면 열유속판 깊이의 에너지 플럭스 밀도는 일부 에너지가 판 위의 토양층에 저장되어 있기 때문에 표면의 에너지 플럭스 밀도와 동일하지 않으므로 병렬로 연결된 일련의 토양 온도 센서가 판 위의 층에 설치됩니다.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>토양 열전대(Ts라고 하는 병렬로 연결된 4개의 프로브가 있는 케이블 1개)를 설치하여 지면 열유속 플레이트 위의 토양 부피를 확장하여 플레이트 위의 열 저장 공간 변화를 설명합니다(그림 4).
		<ol>
			<li>토양 열전대를 차동 센서로 채널 5의 데이터 로거에 연결합니다(Ts: 보라색 와이어 5H, 빨간색 와이어 5L).</li>
			<li>참고: 토양층 온도는 토양 층 바닥 근처에서 상단 근처까지 비스듬히 토양 온도 프로브를 삽입하여 측정합니다(토양 표면 아래 약 0.04-0.01m). 온도 프로브를 표면에 너무 가깝게 삽입하지 않는 것이 중요합니다. 토양에 균열이 생기면 센서와의 복사 및/또는 현열 플럭스로 인해 잘못된 데이터가 발생할 수 있습니다. 일반적으로 온도 센서를 토양 표면에서 0.01m 이상 가까이 두지 않는 것이 가장 좋습니다. 토양 건조로 인해 큰 균열이 있는 토양에는 더 깊은 배치가 필요합니다5.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>캐노피 위와 남쪽을 가리키는 크로스 암 붐에 그물 복사계(Rn-Figure 5라고 함)를 설치합니다.
		<ol>
			<li>네트 복사계를 채널 2의 데이터 로거에 차동 센서로 연결합니다(Rn: 백색선 2H, 녹색선 2L, 실드(노출) 신호 접지).</li>
		</ol>
		</li>
		<li>교차하는 팔의 1개의 끝에 그리고 닫집 (고도는 특정한 분야에서 성장하고 있는 식물 및 요구한 가져오기에 달려 있을 것입니다) 위에 가는 철사 열전대 (TC1이라고 칭하는- 숫자 6)를 설치하십시오; 기온은 10 Hz에 표본 추출될 것입니다. 이 측정에 사용된 열전대는 전형적으로 76 μm 직경입니다.
		<ol>
			<li>가는 와이어 열전대를 채널 1의 데이터 로거에 차동 센서로 연결하여 보라색 와이어는 1H, 빨간색 와이어는 1L, 투명 와이어는 신호 접지로 이동합니다.</li>
			<li>참고: 시스템이 가동되고 실행된 후 열전대 유지 관리에 대한 자세한 내용은 아래를 참조하십시오.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>와류 공분산 현열 플럭스를 계산하기 위해 10Hz에서 3차원 풍속과 음파 온도를 측정하기 위해 Nu-rail 조인트 피팅을 사용하여 크로스 암의 다른 쪽 끝(즉, 미세 와이어 열전대 반대편)에 음파 풍속계(그림 7)를 설치합니다. 측정 영역의 중심이 가는 와이어 열전대와 동일한 높이에 위치하도록 음파 풍속계를 설치하십시오.
		<ol>
			<li>참고: 음파 풍속계는 원하는 신호를 출력하기 위해 현장 배포 전에 공장 설정에서 재구성해야 합니다(자세한 내용은 <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland 에서 사용 가능한 RM Young Model 81000RE 재구성 Instructions.pdf 참조</a>).</li>
			<li>그런 다음 표면 재생 해석에 의해 얻어진 보정되지 않은 현열 플럭스 밀도는 와류 공분산의 최소 제곱 선형 회귀 대 SR 현열 플럭스 밀도의 기울기를 결정하여 보정됩니다.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>전원 공급 장치를 데이터 로거에 연결합니다.</li>
		<li>데이터 로거 전면에 있는 RS-232 케이블 포트(절연되지 않음)를 사용하여 랩톱을 데이터 로거에 연결합니다. 실험실에서 이 단계를 아직 수행하지 않은 경우 턴키 데이터 로거 프로그램을 업로드합니다.
		<ol>
			<li>이 프로그램은 음파 풍속계, 두 개의 열유속판, 토양 열전대, 미세 와이어 공기 열전대 및 그물 복사계와 같은 특정 장비 제품군을 위해 작성되었습니다. 다른 센서 구성에 맞게 프로그램을 조정할 수 있지만 사용자는 수정 후 로거 프로그램을 신중하게 현장 테스트해야 합니다. 복잡한 코드의 새 줄이 프로그램에 많이 추가되면 제대로 작동하지 않을 수 있습니다. 특히 음파 풍속계가 아날로그 모드가 아닌 직렬 모드로 샘플링되는 경우. 이 프로그램은 <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland 에서 다운로드할 수</a> 있습니다. 프로그램 및 사용에 대한 자세한 내용은 최근 간행물6에서 확인할 수 있습니다.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>모든 센서의 데이터 값을 확인하여 모든 것이 올바르게 작동하는지 확인합니다.
		<ol>
			<li>참고: 이러한 변수 중 하나라도 로거 인터페이스 프로그램의 상태 테이블에서 'NAN'을 생성하는 경우 해당 센서를 점검하거나 교체해야 합니다. 센서 또는 배선을 조정한 후 컴퓨터로 돌아가서 신호가 더 이상 'NAN'을 생성하지 않는지 확인하십시오.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>스테이션이 작동하면 다음 단계를 사용하여 스테이션을 유지 관리하십시오.
	<ol>
		<li>Nu-Rail 조인트의 나사를 풀고 그물 복사계를 고정하는 주 수직 마스트를 내립니다.</li>
		<li>금속 실린더와의 접합부에서 절연된 열전대 와이어를 구부립니다. 노출된 열전대 와이어(즉, 열전대의 맨 끝부분)를 레몬즙에 조심스럽게 담그고 노출된 와이어가 항아리에 부딪히지 않도록 합니다. 전선을 탈이온(DI) 물 병에 담궈 센서에서 레몬 주스를 닦아냅니다. 금속 실린더와의 접합부에서 열전대 와이어를 다시 곧게 펴십시오.</li>
		<li>그물 복사계에 DI 물을 뿌립니다. 흡수성 물티슈로 말리십시오. 수직 마스트를 원래 위치까지 올리고 Nu-Rail 고정 나사를 다시 조이고 그물 복사계의 수평을 맞춥니다.</li>
		<li>시간이 지남에 따라 식물 캐노피의 변화를 기록하기 위해 타워의 사진을 찍습니다.</li>
		<li>수집된 에너지 밸런스 플럭스 데이터를 처리합니다. 턴키 데이터 로거 프로그램의 출력 테이블에는 이미 변환된 Rn, G, H 및 LE가 포함되어 있습니다. 턴키 데이터 로거 프로그램 출력6,7에 대한 자세한 내용은 최근 작업을 참조하십시오.</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>
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<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>

저자는 현재 경쟁하는 재정적 이해관계가 없음을 선언합니다.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>데이터 로거</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CR1000</td><td></td></tr><tr><td>데이터로거 인클로저</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>접지 및 피뢰침이 있는 <td>ENC12/14-SC</td><td></td></tr><tr><td>타워(6피트)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM6</td><td></td></tr><tr><td>크로스 암(4피트)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM204</td><td></td></tr><tr><td>누 레일 크로스 오버 피트</td><td>캠벨 사이언티픽</td><td>17953</td><td></td></tr><tr><td>레귤레이터 및 배터리가 있는 전원 공급 장치(12V)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>PS100</td><td></td></tr><tr><td>충전기 레귤레이터(12V)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CH100</td><td></td></tr><tr><td>배터리 연장 케이블</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>6186</td><td></td></tr><tr><td>열전대 연장 케이블</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>FWC-20</td><td></td></tr><tr><td>열전대</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>FW3</td><td></td></tr><tr><td>3D 음파 풍속계(목이 긴 경우)</td><td>RM Young Company</td><td>81000 RE</td><td></td></tr><tr><td>8 풍속계용 도체 케이블</td><td>RM Young Company</td><td>18660</td><td></td></tr><tr><td>토양 열유속 플레이트</td><td>REBS, Inc.</td><td>HFT3.1</td><td></td></tr><tr><td>토양 열전대</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>케이블이 있는 TCAV</td><td></td></tr><tr><td>Net 복사계</td><td>Kipp 및 Zonen, Inc.</td><td>NR Lite 2</td><td></td></tr><tr>라디오미터 <td>Kipp 및 Zonen, Inc.</td><td>용 헤비 듀티 폴 마운트</td><td>L-CMB1</td><td></td></tr></tbody></table>

표면 갱신 : 밀도 데이터를 측정하고 처리 현장 규모 에너지 유출에 대한 고급 미기상 방법

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

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.

에너지 균형 방정식의 Rn 및 G 성분을 구하는 것은 비교적 간단하며 비용이 적게 듭니다. H의 측정은 더 복잡하며, 표면 갱신을 위한 미세선 열전대(fine wire thermocouple) 또는 에디 공분산(eddy covariance) 측정을 위한 초음파 풍속계로 측정된 고주파 온도 추적 데이터가 필요합니다. 미세선 열전대로 측정된 온도 추적의 예가 그림 9에 나타나 있으며, 이는 원시 데이터에서 신호를 추출하기 위해 수학적 분석이 필요함을 보여줍니다(분석에 대한 자세한 내용은 3,8-13 참조). 이 데이터를 시각적으로 검토하면 약 12, 35, 46, 72초에서 끝나는 3~4개의 주요 램프(ramp)가 나타납니다(그림 9).
모든 에너지 균형 구성 요소는 낮 시간대 중앙에 정점 값이 나타나는 유사한 일주기 패턴을 따릅니다. ...

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.

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

이 절차의 전반적인 목표는 현장 규모의 에너지 플럭스 밀도 데이터를 측정하고 처리하기 위한 지표면 갱신 시스템을 설치하는 것입니다. 이는 먼저 현장에 타워 데이터 로거 인클로저와 태양광 패널을 설치함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 센서를 타워에 고정하는 것입니다.다음으로, 센서 와이어를 데이터 로거에 연결합니다. 마지막 단계는 노트북을 데이터 로거에 인터페이스하고, 프로그램을 데이터 로거에 업로드한 후 데이터 로거가 센서로부터 신호를 제대로 수신하고 있는지 확인하는 것입니다. 궁극적으로, 표면 갱신(surface renewal) 방법은 생태계의 증발산량을 측정하는 데 사용되며, 이는 재배자가 다양한 농업 생태계에서 관수 결정을 내리는 데 유용한 정보를 제공합니다.이 방법은 농업 및 도시 용수 이용에 대한 통찰을 제공할 뿐만 아니라, 임업이나 습지와 같은 자연 생태계 분야에서도 활용될 수 있습니다. 증발산은 작물 생산 시스템에서 수분 손실의 주요 원인이 되므로, 이 기술의 영향은 관개 관리 영역까지 확장됩니다. 일반적으로 이 방법에 익숙하지 않은 사람들은 장비 설치 방법이나 정상 작동 여부 확인 방법을 알지 못해 어려움을 겪을 수 있습니다.우리는 난류 데이터 관찰을 통해 화학 공학의 표면 갱신 개념을 대기 과학에 적용함으로써 이 방법의 아이디어를 처음 얻었습니다. 이 절차는 팀원인 Rick Snyder와 PA, 그리고 박사후 연구원인 Arturo Calderone과 Tom Chaplin이 시연할 예정입니다. 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 현장 스테이션의 위치를 설정하고 풍향을 평가함으로써 이 실험을 시작하십시오.현장에 나가기 전 실험실에서 가능한 한 많은 장비를 미리 준비하십시오. 먼저, 센서를 데이터 로거에 연결합니다. 그런 다음 노트북과 데이터 로거 포트 사이에 RS 2 32 케이블을 연결하십시오.데이터 로거와 통신하기 위한 인터페이스 프로그램을 실행한 후 연결하십시오. 그런 다음 턴키(turnkey) 데이터 로거 프로그램을 데이터 로거에 업로드하십시오. 모든 센서의 데이터 값을 확인하여 모든 장치가 정상적으로 작동하는지 확인하십시오.연구 구역 내에 스테이션을 설치할 적절한 위치가 정해지면 타워를 세우고, 제공된 말뚝을 사용하여 타워의 지지대를 고정합니다. 토양 열유속판(Heat flux plates)에 영향을 주지 않는 위치에 미니 슬레지해머를 사용하여 긴 구리 접지봉을 토양에 박습니다.두꺼운 게이지 전선과 제공된 커넥터를 사용하여 접지봉을 타워에 연결합니다. 제조업체에서 제공한 U-볼트를 사용하여 데이터 로거 외함(enclosure)을 타워의 주축에 부착합니다. 두 개의 토양 열속 플레이트의 흰색 점이 위로 향하게 하여, 점적 관수 방출기에서 떨어진 열 사이 공간에 5 cm 깊이로 설치합니다.열유속판(heat flux plate) 전선을 데이터 로거의 3번 및 4번 채널에 차동 입력 센서로 연결합니다. 지면 열유속판 상단 토양의 열 저장량 변화를 고려하기 위해, 해당 토양 부피를 가로지르도록 토양 열전대(soil thermocouple)를 설치합니다. 토양 열전대를 데이터 로거의 5번 채널에 차동 센서로 연결합니다.넷 라디오미터를 크로스 암에 설치하십시오. 붐은 캐노피 위쪽으로 향하게 하고 남쪽을 바라보게 합니다. 넷 라디오미터를 데이터 로거의 2번 채널에 연결하십시오.차동 센서로 사용합니다. 미세 와이어 열전대를 크로스 암의 한쪽 끝과 캐노피 위에 설치하십시오. 공기 온도는 10 Hz의 열전대 샘플링 속도로 측정됩니다.이러한 측정에는 일반적으로 직경 76 micron의 선이 사용됩니다. 미세 와이어 열전대를 데이터 로거의 채널 1에 차동 센서로 연결하며, 이때 보라색 와이어는 1 H에, 빨간색 와이어는 1 L에, 투명 와이어는 신호 접지에 연결합니다. 크로스 암의 반대쪽 끝에 새로운 레일 조인트 피팅을 사용하여 초음파 풍속계를 설치하고, 10 hertz의 주기로 3차원 풍속과 초음파 온도를 측정합니다.에디 공분산 현열 플럭스를 계산하기 위해, 측정 영역의 중심이 미세선 열전대의 높이와 동일하게 되도록 초음파 풍속계를 설치하십시오. 그다음, 전원 공급 장치를 데이터 로거에 연결하십시오.데이터 로거 전면에 있는 RS 2 32 케이블 포트를 사용하여 노트북을 데이터 로거에 연결하십시오. Turnkey 데이터 로거 프로그램을 사용하여 모든 센서의 데이터 값을 확인하고 모든 장치가 정상적으로 작동하는지 확인하십시오.새 레일 조인트를 풀고 넷 라디오미터를 지지하는 메인 수직 마스트를 내립니다. 금속 실린더와 연결된 절연 열전대 와이어를 구부립니다. 노출된 열전대 와이어가 병 벽면에 닿지 않도록 주의하며 레몬즙이 담긴 병에 조심스럽게 담급니다.전선을 탈이온수 병에 담가 센서에 묻은 레몬즙을 닦아냅니다. 금속 접합부의 열전대 전선을 다시 곧게 폅니다. 넷 라디오미터에 탈이온수를 뿌리고 흡수성 와이프로 건조시킵니다.수직 마스트를 원래 위치로 올립니다. 새로운 레일 세트 나사를 다시 조이고 넷 라디오미터를 수평으로 맞춥니다. 여기에 미세선 열전대로 측정한 온도 추적 예시가 나타나 있습니다.이 트레이스는 이 원시 데이터에서 신호를 추출하기 위해 수학적 분석이 필요함을 보여줍니다. 데이터를 시각적으로 검토하면 약 12, 35, 46, 72초에서 끝나는 3~4개의 주요 램프가 나타납니다. 모든 에너지 균형 구성 요소는 정오 무렵에 최대값이 나타나는 유사한 일주기 패턴을 따릅니다.순복사는 지표면이 방출하는 양보다 더 많은 복사 에너지를 흡수하는 낮 동안에는 양(+)의 값을 가지며, 흡수하는 양보다 방출하는 양이 더 많은 밤 동안에는 음(-)의 값을 가집니다. 이는 북캘리포니아의 맑은 봄철 날씨에서 예상되는 일변화 곡선을 보여줍니다. 토양 열유속 밀도 또한 이러한 일주기 패턴을 따릅니다.에너지가 지표면에서 지면으로 전도되므로 낮 동안에는 양(+)의 값을 가지며, 밤에는 음(-)의 값을 가집니다. 아래에서 더 시원한 지표면으로 더 많은 에너지가 전도됨에 따라, 잠열 플럭스는 충분한 수분을 공급받은 작물에서 예상되는 일주기 곡선을 따릅니다. 맑은 날씨에 순복사 에너지는 증발산의 주된 에너지원입니다.따라서 잠열 플럭스 밀도 값은 활발하게 증산 작용이 일어나는 작물 위에서 주간의 순복사 변화를 추적합니다. 순복사가 양의 값을 갖는 조건에서 가용 에너지의 대부분은 현열 플럭스 밀도나 토양 열 플럭스 밀도보다는 잠열 플럭스 밀도로 분배될 것으로 예상됩니다. 바람이 부는 밤에는 잠열 플럭스가 0에 가까웠으나, 바람이 없는 밤에는 응결을 나타내는 음의 값을 보였습니다.그럼에도 불구하고, 잠열 플럭스에 대한 주간의 기여도는 야간의 기여도보다 훨씬 큽니다. 따라서 야간 값의 불확실성은 흥미로운 주제이긴 하지만, 상대적으로 중요하지는 않습니다. 서로 나란히 배치된 지표면 갱신 스테이션과 무게식 라이시미터의 일일 누적 증발산 값은 서로 잘 일치합니다.밀 재배지에서 중량식 라이시미터(lysimeter)는 작물 표면의 증발산량을 추정하는 표준 방법으로 간주됩니다. 대부분의 날짜에서 표면 갱신 관측소(Surface renewal station)의 누적 증발산량은 Lysimeter.Tower의 측정값보다 약간 더 높게 나타났습니다. 관측소 측정값은 라이시미터 측정값보다 더 넓은 면적의 플럭스(flux)를 나타내며, 측정 당시 라이시미터 내의 밀은 주변의 밀 및 필드의 나머지 식물들보다 약 10 cm 더 짧고 밀도가 낮았습니다.따라서 장비를 설치하는 동안 플럭스 타워에서 더 높은 증발산 값이 나올 것으로 예상되었습니다. 이 절차를 마친 후 현장을 떠나기 전에 센서가 로거로 값을 제대로 전송하고 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 장비 구축 이후에는 식물의 수분 상태와 같은 다른 질문에 답하기 위해 잎의 수분 포텐셜과 같은 다른 측정법을 사용할 수 있습니다.이 기술은 농업 분야의 연구자들이 다양한 작물의 포장 규모 용수 사용량을 탐구할 수 있는 길을 열어주었습니다.

surface-renewal-an-advanced-micrometeorological-method-for-measuring

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