Methodenartikel

Oppervlaktevernieuwing: Een geavanceerde micrometeorologische methode voor het meten en verwerken van gegevens over de energiefluxdichtheid op veldschaal

DOI:

10.3791/50666

⸱

12 december 2013

 ,  ,  ,  ,  , 
1Crops Pathology and Genetics Research Unit, United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service, 2Department of Viticulture & Enology, University of California, Davis, 3Faculty of Agricultural Sciences, University of Chile, 4Atmospheric Science, University of California, Davis, 5URS Corporation Australia Pty. Ltd.

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Oppervlaktevernieuwing is een micrometeorologische methode die steeds vaker wordt gebruikt om energiestromen te bepalen, maar de technische complexiteit maakt het voor een breed publiek ontoegankelijk. We beschrijven de stappen die nodig zijn om een oppervlaktevernieuwingsveldstation op te zetten en te kalibreren, om gegevens te verzamelen en te verwerken en om resultaten correct te interpreteren.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Geavanceerde micrometeorologische methoden zijn steeds belangrijker geworden in de bodem-, gewas- en milieuwetenschappen. Voor veel wetenschappers zonder formele opleiding in atmosferische wetenschappen zijn deze technieken relatief ontoegankelijk. Binnenvernieuwing en andere fluxmetingsmethoden vereisen een begrip van de meteorologie van de grenslaag en uitgebreide training in instrumentatie en meerdere gegevensbeheerprogramma's. Om de toegankelijkheid van deze technieken te verbeteren, beschrijven we de onderliggende theorie van oppervlaktevernieuwingsmetingen, demonstreren hoe een veldstation kan worden opgezet voor oppervlaktevernieuwing met eddy covariance-kalibratie en maken gebruik van ons open-source turnkey-programma voor gegevensloggers om fluxgegevensverwerving en -verwerking uit te voeren. Het nieuwe turnkey-programma retourneert naar de gebruiker een eenvoudige gegevenstabel met de gecorrigeerde fluxen en kwaliteitscontroleparameters, en elimineert de noodzaak voor onderzoekers om tussen meerdere verwerkingsprogramma's te schakelen om de uiteindelijke fluxgegevens te verkrijgen. Een voorbeeld van gegevens gegenereerd door deze metingen toont hoe het watergebruik van gewassen wordt gemeten met deze techniek. De uitvoergegevens zijn nuttig voor telers voor het nemen van irrigatiebeslissingen in een verscheidenheid aan landbouwecosystemen. Deze stations worden momenteel ingezet in talrijke veldexperimenten door onderzoekers in onze groep en het California Department of Water Resources in de volgende gewassen: rijst, wijn- en rozijnendruivengaarden, alfalfa, amandel, walnoot, perzik, citroen, avocado en maïs.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Waterschaarste bedreigt de duurzaamheid van de landbouw in droge groeigebieden. Deze situatie zal waarschijnlijk verslechteren met veranderende klimatologische omstandigheden en toenemende concurrentie tussen landbouw-, gemeentelijke, industriële en natuurbehoudsentiteiten voor beperkte watervoorraden. Om dit voortdurende dilemma aan te pakken, zoeken telers voortdurend naar manieren om de irrigatie-efficiëntie te verbeteren, en technologie die de waterconsumptie van gewassen beter schat (d.w.z. evapotranspiratie, ET) in realtime, en betere agrometeorologische methoden zullen deze inspanningen zeker helpen. De huidige technologieën die door telers worden gebruikt om ET te schatten, zijn afhankelijk van het gebruik van referentie-evapotranspiratie (ET0) en een empirische gewascoëfficiënt (Kc), die beide zeer vatbaar zijn voor schattingsfouten. Agrometeorologen meten ook ET om experimentele behandelingen voor het verbeteren van de watergebruiksinefficiëntie van gewassen1 te evalueren en om regionale watertoewijzingsstrategieën te parameteren2, maar deze methoden zijn zeer technisch en duur. Er zijn momenteel inspanningen gaande om bestaande op onderzoek gebaseerde ET-meetmethoden om te zetten in kosteneffectieve en gebruiksvriendelijke technologieën voor telers.

Oppervlaktevernieuwing (SR) is een agrometeorologische methode die wordt gebruikt om de ET van gewassen te meten. SR is gebaseerd op het analyseren van de energiebalans van luchtpakketten die tijdelijk binnen de gewasluifel verblijven tijdens het turbulente uitwisselingsproces3 zoals gemeten met het station dat wordt getoond in Figuur 1 en theoretisch geïllustreerd in Figuur 2 en Film 1. De luchtpakketten manifesteren zich als hellingvormige vormen in turbulente temperatuurtijdreeksendata, en de amplitude en periode van de hellingen worden gebruikt om de fluxdichtheid te berekenen (Figuren 2 en 3). Met de SR-methode wordt ET voor een bepaalde gewasoppervlakte bepaald door de latente warmtefluxdichtheid (LE) te berekenen als het residu van de volgende energiebalansvergelijking
LE=Rn-G-H,

Hier is LE de energiefluxdichtheid geassocieerd met de faseverandering van water van een gewasoppervlak, Rn is de netto straling, G is de warmtefluxdichtheid van de bodem (d.w.z. energie geleidend in of uit de grond), en H is de gevoelige warmtefluxdichtheid (d.w.z. energiefluxdichtheid vanaf het oppervlak naar de lucht of vice versa die resulteert in een temperatuurverandering). Rn is een positief getal wanneer de netto flux naar beneden is (energie toegevoegd aan het oppervlak), LE en H zijn positieve getallen wanneer de flux omhoog is (energie toegevoegd aan de lucht), en G is een positief getal wanneer de flux naar beneden is (energie toegevoegd aan de bodem). LE (MJ/m2sec) wordt vervolgens gedeeld door de latente verdampingswarmte (L=2,45 MJ/kg) om de massastroomdichtheid van waterdamp vanaf het oppervlak te verkrijgen (d.w.z. ET).

Metingen van Rn en G zijn relatief eenvoudig en goedkoop. Directe metingen van H zijn complexer en vereisen gegevensverwerving met hoge frequentie. De meest gebruikelijke methode om H te bepalen is met eddy covariance; echter, de sonische anemometer die voor deze methode vereist is, is duur, complex en wordt daarom niet veel gebruikt door agronomen, tuinders of ingenieurs om H en LE te bepalen. Aan de andere kant wordt H afgeleid uit de SR-techniek verkregen door een eenvoudigere en goedkopere methode, die fijne draadthermokoppels gebruikt om hoge frequentieluchttemperaturen te meten aan het oppervlak-atmosfeer-interface. Ondanks de eenvoud van de SR vereisen huidige metingen nog steeds kalibratie tegen de eddy covariance-schatting van H van een sonische anemometer om de gevoelige warmtefluxdichtheid te verkrijgen.

De succesvolle implementatie van een SR-fluxtoren voor ET-metingen kan een ontmoedigende uitdaging zijn, vooral voor veel landbouwonderzoekers zonder formele opleiding in atmosferische wetenschappen. SR en eddy covariance-metingen vereisen geavanceerde technische vaardigheden in zowel het programmeren van dataloggers om taken uit te voeren met complexe instrumentatie als het schrijven van computerprogramma's om de ruwe turbulentiegegevens na te verwerken tot zinvolle fluxen. Hier beschrijven we hoe u een veldstation instelt, sensoren installeert en ons nieuwe turnkey-dataloggerprogramma gebruikt voor dataverzameling en naverwerkingsprocedures.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

  1. Voer een windrichting- en footprintanalyse uit voorafgaand aan de installatie in het veld; deze stap is belangrijk om ervoor te zorgen dat de toren op de juiste plaats staat om de representatieve flux in het studieveld te vangen.
    1. Voordat u de veldstation inricht, moet u de heersende windrichting in het studiegebied evalueren en bepalen hoeveel fetch (afstand stroomopwaarts) nodig is voor uw specifieke toepassing. De afstand van de fetch is afhankelijk van de hoogte van het te meten oppervlak en de hoogte van de instrumenten4. Over het algemeen is de fetch 100 meter stroomafwaarts voor elke meter boven het middelpunt van het bladerdak waar de sensoren zich bevinden.
  2. Op basis van de behoeften van de specifieke setup, bevestigt u sensoren aan de datalogger en bereidt u zoveel mogelijk van de apparatuur voorafgaand aan het veldwerk voor. Installeer het programma in de logger voordat u het in het veld inzet en test of de logger goed functioneert volgens de onderstaande stappen.
    1. Verbind een laptop met de datalogger via de RS-232-kabelpoort (niet geïsoleerd) aan de voorkant van de datalogger, open het interfaceprogramma om te communiceren met de datalogger en maak verbinding met de datalogger. Upload vervolgens het turnkey data logger-programma naar de datalogger. USB-standaardkabels en mobiele telefoons kunnen ook worden gebruikt om te communiceren met de datalogger.
      1. Het programma is geschreven voor een specifiek instrumentenpakket, namelijk een 3-D sonische anemometer, twee warmtefluxplaten, een grondthermokoppel, een fijndraad luchtthermokoppel en een net radiometer. Het programma kan worden aangepast voor andere sensorconfiguraties, maar de gebruiker moet het loggerprogramma na elke wijziging zorgvuldig in het veld testen. Als er veel nieuwe regels complexe code aan het programma worden toegevoegd, functioneert het mogelijk niet goed; vooral wanneer de sonische anemometer in seriële modus wordt bemonsterd in plaats van analoog. Het programma is te downloaden op: <sites.google.com/site/tmshapland>.
    2. Controleer de datawaarden voor alle sensoren om te zien of alles correct werkt.
      1. Opmerking: Als een van deze variabelen 'NAN' produceert in de statustabel van het loggerinterfaceprogramma, moet de betreffende sensor en de verbinding met de logger worden gecontroleerd. Na het maken van de nodige correcties, keer terug naar de computer en zorg ervoor dat het signaal niet langer 'NAN' produceert.
  3. De hieronder beschreven setup is voor een SR-systeem met één fijndraadthermokoppel en de bedrading is beschreven om overeen te komen met de datalogger-opdrachten die zijn ingebed in het turnkey-programma dat hieronder wordt beschreven.
    1. Zodra een geschikte positie is geïdentificeerd voor uw station in het studieveld, stelt u de toren op (CM6- Figuur 1). Stabiliseer de voeten van de toren met behulp van de geleverde paaltjes, sla de lange koperen aardingsstaaf met een mini-sledgehammer in de grond op een locatie die de warmtefluxplaten voor de bodem niet zal storen - zie hieronder), en verbind de aardingsstaaf met de toren met behulp van de dikke kalibersdraad en geleverde connectoren.
    2. Bevestig de datalogger-behuizing aan de hoofdas van de toren met behulp van de door de fabrikant geleverde U-bouten (Figuur 1).
    3. Installeer de twee bodemwarmtefluxplaten (d.w.z. G1 en G2) met witte stip omhoog op een diepte van 5 cm in de interrijruimte, weg van druppelirrigatie-emitterende (Figuur 4). De installatie moet zorgen voor goed thermisch contact met de bodem en de verlengdraden die naar de datalogger leiden, moeten worden begraven om schade door uittrekking uit de grond te voorkomen.
      1. Verbind de warmtefluxplaatdraden met dataloggerkanalen 3 en 4 als differentiële ingangssensoren (G1: zwarde draad 3H, rode draad 3L - en G2: zwarde draad 4H, rode draad 4L). De codes die in dit document zijn vermeld, komen overeen met de labels voor de dataloggerkanalen en zullen worden gebruikt in de rest van het manuscript. Details voor alle sensoren staan in Tabel 1.
      2. Opmerking: De thermopile binnenin de bodemwarmtefluxplaat meet de temperatuurgradiënt over een materiaal met bekende thermische eigenschappen om tot de energiefluxdichtheid te komen. Elke plaat is gekalibreerd door de fabrikant. Omdat bodemwarmtefluxplaten niet direct op de grond kunnen worden geplaatst zonder zonnestraling op te vangen, moeten ze onder de grondoppervlakte worden begraven. De energiefluxdichtheid op de diepte van de bodemwarmtefluxplaten is niet hetzelfde als de energiefluxdichtheid op het oppervlak omdat er wat energie wordt opgeslagen in de bodemlaag boven de plaat, dus een set bodemtemperatuursensoren die parallel zijn bedraad, worden geïnstalleerd in de laag boven de platen.
    4. Installeer de bodemthermokoppel (1 kabel met 4 sondes die parallel zijn bedraad, genaamd Ts) om het volume grond boven de bodemwarmtefluxplaat te bestrijken om rekening te houden met de verandering in warmteopslag boven de platen (Figuur 4).
      1. Verbind de bodemthermokoppel met de datalogger op kanaal 5 als differentiële sensor (Ts: paarse draad 5H, rode draad 5L).
      2. Opmerking: De temperatuur van de bodemlaag wordt gemeten door bodemtemperatuursondes schuin in te brengen van dichtbij de bodem tot dichtbij de bovenkant van de bodemlaag (ongeveer 0,04-0,01 m onder het bodemoppervlak). Het is belangrijk dat de temperatuursondes niet te dicht bij het oppervlak worden ingebracht. Als de grond barst, kunnen straling en/of voelbare warmteflux naar of van de sensoren valse gegevens veroorzaken. Over het algemeen is het het beste om de temperatuursensoren niet dichter dan 0,01 m van het bodemoppervlak te

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het verkrijgen van de Rn en G componenten van de energiebalansvergelijking is relatief eenvoudig en goedkoop. Metingen van H zijn complexer en vereisen hoge frequentie temperatuurmetingen gemeten met een fijndraad thermokoppel voor oppervlaktevernieuwing of een sonische anemometer voor eddy covariance. Een voorbeeld van een temperatuurmeting gemeten met een fijndraad thermokoppel wordt weergegeven in Figuur 9, en het toont de noodzaak van wiskundige analyse om het si...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De oppervlaktevernieuwingsmethode biedt een tastbare mogelijkheid om een zelfstandige en goedkope techniek te ontwikkelen om het waterverbruik van gewassen in realtime te kwantificeren. Recente vorderingen in signaalverwerking, programmering van dataloggers, kalibratie en databeheer hebben dit doel duidelijker in beeld gebracht. Dit manuscript en ons recent ontwikkelde turnkey dataloggerprogramma6 maken geavanceerde micrometeorologische methoden toegankelijker voor landbouwonderzoekers. De uitvoertafel van het...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren dat zij momenteel geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gedeeltelijke ondersteuning voor dit onderzoek werd verstrekt door J. Lohr Vineyards & Wines, het National Grape and Wine Institute, een NIFA Specialty Crops Research Initiative-subsidie aan AJM en USDA-ARS CRIS-financiering (Research Project #5306-21220-004-00).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
DataloggerCampbell Scientific, Inc.CR1000
Datalogger EnclosureCampbell Scientific, Inc.ENC12/14-SC
Tower (6 ft) met aarding & bliksembeveiligersCampbell Scientific, Inc.CM6
Dwarsbalk (4 ft)Campbell Scientific, Inc.CM204
Nu-rail kruisfittingCampbell Scientific, Inc.17953
Voeding (12 V) met regelaar & batterijCampbell Scientific, Inc.PS100
Opladerregelaar (12 V)Campbell Scientific, Inc.CH100
BatterijverlengkabelCampbell Scientific, Inc.6186
ThermokoppelverlengkabelCampbell Scientific, Inc.FWC-20
ThermokoppelsCampbell Scientific, Inc.FW3
3D sonische anemometer met lange halsRM Young Company81000 RE
8-leiderskabel voor anemometerRM Young Company18660
BodemwarmtestroomplatenREBS, Inc.HFT3.1
BodemthermokoppelsCampbell Scientific, Inc.TCAV
Netto radiometer met kabelKipp and Zonen, Inc.NR Lite 2
Zware poolmontage voor radiometerKipp and Zonen, Inc.L-CMB1

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Moratiel, R., Martínez-Cob, A. Evapotranspiration of table grape trained to a gable trellis system under netting and black plastic mulching. Irrigation Science. 30 (3), 167-178 (2011).
  2. DWR (Department of Water Resources). California Water Plan Update, Bulletin 160-05. , California Department of Water Resources. Sacramento, CA, U.S.A. (2005).
  3. Snyder, R. L., Spano, D., Duce, P., Paw, U. K. T., Qiu, J., Su, H. B., Watanabe, T., Brunet, Y. Surface renewal analysis: a new method to obtain scalar fluxes without velocity data. Agric. For. Meteorol. 74, 119-137 (1995).
  4. Rosenberg, N. J., Blad, B. L., Verma, S. B. Microclimate: the biological environment. , 2nd, John Wiley and Sons. New York, NY. USA. (1983).
  5. Snyder, R. L., Spano, D., Duce, P., Paw, U. K. T., Anderson, F. E., Falk, M. Surface Renewal Manual. , (2007).
  6. Shapland, T. M., McElrone, A. J., Paw, U. T. K., Snyder, R. L. A turnkey data logger program for field-scale energy flux density measurements using eddy covariance and surface. Ital. J. Agrometeorol. , Forthcoming Forthcoming.
  7. Shapland, T. M., Snyder, R. L., Paw, U. K. T., Lang, D., McElrone, A. J. New tools to improve access to micrometeorological methods for agricultural research scientists. Annual Meeting of the American Society of Agronomy, , (2011).
  8. Van Atta, C. W. Effect of coherent structures on structure functions of temperature in the atmospheric boundary layer. Arch. of Mech. 29, 161-171 (1977).
  9. Snyder, R. L., Spano, D., Paw, U. K. T. Surface Renewal analysis for sensible and latent heat flux density. Boundary-Layer Meteorol. 77, 249-266 (1996).
  10. Spano, D., Duce, P., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. Surface renewal estimates of evapotranspiration. Tall canopies. Acta Hort. 449, 63-68 (1997).
  11. Spano, D., Snyder, R. L., Duce, P., Paw, U. K. T. Surface renewal analysis for sensible heat flux density using structure functions. Agric. For. Meteorol. 86, 259-271 (1997).
  12. Shapland, T. M., McElrone, A. J., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. Structure function analysis of two-scale scalar ramps. Part I: Theory and modeling. Boundary Layer Meterology. , (2012).
  13. Shapland, T. M., McElrone, A. J., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. Structure function analysis of two-scale scalar ramps. Part II: Applications. Boundary Layer Meterology. , (2012).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Eddy covariantieFlux data acquisitieDataloggerprogrammaInrichting veldstationSensorinstallatieEvapotranspiratiemetingIrrigatiemanagementLandbouwecosystemen

Gerelateerde artikelen