Oppervlaktevernieuwing: Een geavanceerde micrometeorologische methode voor het meten en verwerken van gegevens over de energiefluxdichtheid op veldschaal
12 december 2013
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.
Het algemene doel van deze procedure is om een oppervlaktevernieuwingssysteem te installeren om energiefluxdichtheidsgegevens op veldschaal te meten en te verwerken. Dit wordt bereikt door eerst de dataloggerbehuizing en zonnepaneel in het veld te installeren. De tweede stap is om de sensoren aan de toren te bevestigen.
Vervolgens worden de sensordraden aangesloten op de datalogger. De laatste stap is om verbinding te maken met de datalogger met een laptop, het programma naar de datalogger te uploaden en te controleren of de datalogger signalen van de sensoren ontvangt. Uiteindelijke wordt oppervlaktevernieuwing gebruikt om de verdamping van een ecosysteem te meten, wat informatie levert die nuttig is voor telers om irrigatiebeslissingen te nemen in een verscheidenheid aan landbouwecosystemen.
Hoewel de methode inzicht biedt in landelijk en stedelijk watergebruik, heeft het ook toepassingen in natuurlijke ecosystemen, bijvoorbeeld in bosbouw en wetlands. De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot irrigatiebeheer omdat verdamping de belangrijkste oorzaak is van waterverlies uit gewasproductiesystemen. Over het algemeen zullen individuen die nieuw zijn in deze methode worstelen omdat ze niet weten hoe ze de apparatuur moeten installeren of verifiëren of het goed werkt.
We kregen voor het eerst het idee voor deze methode toen observaties van turbulentiegegevens ons ertoe brachten het oppervlaktevernieuwingsconcept vanuit de chemische techniek aan te passen aan de atmosferische wetenschappen. Deze procedure zal worden gedemonstreerd door onze teamleden, Rick Snyder en PA en postdocs, Arturo Calderone en Tom Chaplin. Begin dit experiment door de locatie van de veldstation vast te stellen en de windrichting te evalueren zoals beschreven in het tekstprotocol.
Bereidt zoveel mogelijk apparatuur voor in het laboratorium voordat u naar het veld gaat. Bevestig eerst de sensoren aan de datalogger. Bevestig vervolgens de RS 2 32 kabel tussen een laptop en de dataloggerpoort.
Open het interfaceprogramma om te communiceren met de datalogger en maak vervolgens verbinding. Upload vervolgens het turnkey dataloggerprogramma naar de datalogger. Controleer de datawaarden voor alle sensoren om te zien of alles correct werkt.
Zodra een geschikte positie voor het station in het studieveld is vastgesteld, bouw de toren op, stabiliseer de voeten van de toren met behulp van de meegeleverde palen. Sla de lange koperen aardingsstaaf met een mini-sledgehammer in de grond op een locatie die de bodem niet zal verstoren. Warmtefluxplaten.
Verbind de aardingsstaaf met de toren met behulp van een dikke maatdraad en de meegeleverde connectoren. Bevestig de dataloggerbehuizing aan de hoofdas van de toren met behulp van de door de fabrikant geleverde U-bouten. Installeer de twee bodemwarmtefluxplaten met de witte stip omhoog op een lengte van vijf centimeter in de inter-rijruimte, weg van druppelirrigatie-emitters.
Verbind de warmtefluxplaatdraden met de dataloggerkanalen drie en vier als differentiële invoersensoren. Installeer de bodemthermokoppel om het bodemvolume boven de bodemwarmtefluxplaat te overspannen om rekening te houden met de verandering in warmteopslag boven de platen. Verbind de bodemthermokoppel met de datalogger op kanaal vijf als een differentiële sensor.
Installeer de net radiometer op de dwarsarm. Boom boven de luifel en gericht naar het zuiden. Verbind de net radiometer met de datalogger op kanaal twee.
Als differentiële sensor. Installeer de fijne draadthermokoppel aan het ene uiteinde van de dwarsarm en boven de luifel. Luchttemperatuur wordt bemonsterd op 10 hertz thermokoppels.
Gebruikt voor deze metingen is typisch een diameter van 76 micron. Verbind de fijne draadthermokoppel met de datalogger op kanaal één als een differentiële sensor waarbij de paarse draad naar één H gaat, de rode draad naar één L en de doorzichtige draad naar de signaalaarde. Installeer de sonische anemometer aan het andere uiteinde van de dwarsarm met behulp van de nieuwe railverbinding om de driedimensionale windsnelheden en sonische temperatuur met 10 hertz te meten.
Voor het berekenen van de Eddy co variance gevoelige warmteflux. Installeer de sonische anemometer zodat het centrum van het meetgebied zich op dezelfde hoogte bevindt als de fijne draadthermokoppel. Bevestig vervolgens de voeding aan de datalogger.
Verbind een laptop met de datalogger met behulp van de RS 2 32 kabelpoort aan de voorkant van de datalogger. Gebruik het turnkey dataloggerprogramma. Controleer de datawaarden voor alle sensoren om ervoor te zorgen dat alles correct werkt.
Schroef de nieuwe railverbinding los en laat de hoofdverticale mast zakken die de net radiometer vasthoudt. Buig de geïsoleerde thermokoppeldraad op zijn kruising met de metalen cilinder. Dompel de blootgestelde thermokoppeldraden voorzichtig in een pot met citroensap, zorg ervoor dat de blootgestelde draden niet tegen de pot aankomen.
Verwijder het citroensap van de sensor door de draden in een pot met gedeïoniseerd water te dompelen. Maak de thermokoppeldraad recht op zijn kruising met het metaal. Spuit de net radiometer met gedeïoniseerd water en droog hem af met absorberende doekjes.
Til de verticale mast weer op naar zijn oorspronkelijke positie. Draai de nieuwe railsetscrews weer vast en niveau de net radiometer. Een voorbeeld van een temperatuurtrace gemeten met een fijne draadthermokoppel wordt hier weergegeven.
Deze trace toont de noodzaak van wiskundige analyse om het signaal uit deze ruwe gegevens te extraheren. Visuele inspectie van deze gegevens onthult drie of vier primaire hellingen die eindigen bij ongeveer 12 35, 46 en 72 seconden. Alle componenten van het energiebalans volgen een soortgelijk dag-nachtpatroon met piekwaarden in het midden van de dag.
Netto straling is overdag positief omdat het oppervlak meer straling ontvangt dan het verliest en negatief 's nachts omdat het oppervlak meer straling verliest dan het ontvangt. Toont de dag-nachtcurve die wordt verwacht voor zonnige lentedagen in Noord-Californië. Bodemwarmtefluxdichtheid volgt ook een dag-nachtpatroon.
Het is overdag positief omdat energie van het oppervlak naar de grond wordt geleid en negatief 's nachts
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft de installatie en kalibratie van een surface renewal-systeem voor het meten van de energiefluxdichtheid in ecosystemen. De methode is bijzonder nuttig voor het begrijpen van evapotranspiratie, wat helpt bij het nemen van beslissingen over landbouwirrigatie.
Belangrijkste Onderdelen van de Studie
Wetenschappelijk gebied
- Micrometeorologie
- Energiefluxmeting
- Landbouwwetenschap
Achtergrond
- Oppervlaktevernieuwing is een methode voor het bepalen van energiestromen.
- Technische complexiteit beperkt de toegankelijkheid voor een breder publiek.
- Het begrijpen van evapotranspiratie is cruciaal voor landbouwpraktijken.
- Nauwkeurige metingen kunnen irrigebeslissingen informeren.
Doel van de studie
- Om een stapsgewijze handleiding te bieden voor het opzetten van een meetstation voor oppervlaktevernieuwing.
- Om de acquisitie en verwerking van gegevens te faciliteren.
- Om de interpretatie van resultaten voor praktische toepassingen te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Installatie van de behuizing van de datalogger op de mast en het zonnepaneel.
- Bevestigen van de sensoren aan de mast en aansluiten van de draden op de datalogger.
- Koppelen van de datalogger aan een laptop.
- Uploaden van het programma en verifiëren van de signaalontvangst van de sensoren.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle installatie van het systeem voor oppervlaktevernieuwing.
- Datalogger ontvangt signalen van sensoren op effectieve wijze.
- Systeem levert betrouwbare metingen van evapotranspiratie.
- Informatie is nuttig voor beslissingen over landbouwirrigatie.
Conclusies
- Oppervlaktevernieuwing is een waardevol instrument voor het meten van energiefluxen.
- Een correcte installatie en kalibratie zijn essentieel voor nauwkeurige gegevens.
- De methode kan aanzienlijk bijdragen aan landbouwkundige beheerpraktijken.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor het management
Metingen van de energievloeddichtheid op veldschaal met behulp van surface renewal leveren bruikbare gegevens voor het optimaliseren van het waterbeheer in agrarisch en milieuonderzoek. Deze methode vergroot de voorspellende betrouwbaarheid van evapotranspiratieschattingen, wat risico-gecorrigeerde beslissingen in het gewas- en ecosysteembeheer ondersteunt. De integratie ervan stroomlijnt de gegevensverwerving en -verwerking, waardoor operationele barrières voor multidisciplinaire R&D-teams worden verminderd.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & doelwitvalidatie
- Maakt kwantitatieve beoordeling van het watergebruik van ecosystemen mogelijk voor hypothesegestuurde studies.
- Ondersteunt mechanische risicoreductie door het verduidelijken van energie- en waterfluxpaden in veldomgevingen.
- Faciliteert functionele validatie van milieu-interventies die de prestaties van gewassen of modelsystemen beïnvloeden.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Bereidt gevalideerde meetsystemen op veldschaal voor voor downstream screeningsworkflows in de milieu- of landbouwsector.
- Standaardiseert de gegevensverzameling en -verwerking, waardoor reproduceerbaarheid en vergelijkbaarheid tussen locaties en studies worden gewaarborgd.
- Levert kwantitatieve resultaten die geschikt zijn voor benchmarking en evaluatie tussen verschillende condities.
Translationeel & preklinisch onderzoek
- Lijnt veldschaalmetingen uit met translationeel onderzoek naar watergebruik door gewassen en milieu-interventies.
- Maakt continuïteit mogelijk van ontdekking tot preklinische validatie in agrarische en ecologische modelsystemen.
- Ondersteunt risico-gecorrigeerde vooruitgang van watermanagementstrategieën op basis van robuuste veldgegevens.
Integratie van pijplijn & workflow
Het meten van oppervlaktevernieuwing integreert processen van vroege ontdekking tot translationeel onderzoek en vormt zo een brug tussen de acquisitie van veldgegevens en bruikbare inzichten voor landbouwkundige en milieutechnische R&D.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing en mechanistische verduidelijking van water- en energiestromen in complexe systemen.
- Screening: Levert gestandaardiseerde, reproduceerbare en kwantitatieve data op veldschaal voor comparatieve analyse.
- Analytiek: Biedt verwerkte fluxgegevens en kwaliteitscontroleparameters voor een robuuste statistische evaluatie.
- Translationeel onderzoek: Maakt afstemming van veldmetingen op preklinische en toegepaste onderzoeksdoelstellingen mogelijk.
- Bedrijfsmatige hergebruik: Biedt een kant-en-klaar, open-source platform dat aanpasbaar is voor diverse agrarische en ecologische omgevingen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit in studies naar watergebruik.
- Operationele waarde: Stroomlijnt installatie, kalibratie en gegevensverwerking voor schaalbare implementatie.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen voor irrigatie- en hulpbronnenbeheerstrategieën.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van interventies mogelijk over meerdere gewas- en ecosysteemtypen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in micrometeorologie, instrumentatie en data-analyse.
- Necessiteert in het veld inzetbare sensoren, dataloggers en kalibratie met eddy-covariantiesystemen.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor datakwaliteit en vergelijkbaarheid.
- Aanpasbaar aan diverse gewassen en natuurlijke ecosystemen met de juiste configuratie.
- Afhankelijk van een robuuste infrastructuur voor datamanagement en kwaliteitscontrole.
