Name: Odnawianie powierzchni: zaawansowana metoda mikrometeorologiczna do pomiaru i przetwarzania danych o gęstości strumienia energii w skali pola (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-12T08:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: Poznaj metodę odnawiania powierzchni do pomiaru gęstości strumienia energii w skali pola. Technika ta umożliwia precyzyjne określenie ewapotranspiracji, wspierając rolników w podejmowaniu decyzji nawadniających.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Częściowe wsparcie dla tych badań zostało udzielone przez J. Lohr Vineyards & Wines, National Grape and Wine Institute, grant NIFA Specialty Crops Research Initiative dla AJM, oraz finansowanie USDA-ARS CRIS (Research Project #5306-21220-004-00).

<ol>
	<li>Wykonaj analizę kierunku wiatru i śladu węglowego przed instalacją w terenie; ten krok jest ważny, aby upewnić się, że wieża jest odpowiednio usytuowana, aby uchwycić reprezentatywny strumień w badanym polu.
	<ol>
		<li>Przed ustanowieniem stacji terenowej należy ocenić dominujący kierunek wiatru na powierzchni badawczej i określić, ile pobierania (odległości pod wiatr) jest potrzebne dla danego zastosowania. Odległość pobierania zależy od wysokości mierzonej powierzchni i wysokości instrumentów4. Ogólnie rzecz biorąc, pobieranie wynosi 100 metrów z wiatrem na każdy metr powyżej punktu środkowego czaszy, w którym znajdują się czujniki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W zależności od potrzeb konkretnej konfiguracji, przymocuj czujniki do rejestratora danych i przygotuj jak najwięcej sprzętu przed wyruszeniem w teren. Zainstaluj program w rejestratorze przed wdrożeniem w terenie i sprawdź, czy rejestrator działa prawidłowo, wykonując czynności opisane poniżej.
	<ol>
		<li>Podłącz laptopa do rejestratora danych za pomocą portu kablowego RS-232 (nieizolowanego) z przodu rejestratora, otwórz program interfejsu, aby komunikować się z rejestratorem danych i połącz się z rejestratorem danych. Następnie wgraj gotowy program rejestratora danych do rejestratora danych. Do komunikacji z rejestratorem danych można również używać standardowych USB i telefonów komórkowych.
		<ol>
			<li>Program jest napisany dla specyficznego zestawu instrumentów, a mianowicie anemometru sonicznego 3D, dwóch płytek strumienia ciepła, termopary glebowej, termopary powietrznej z cienkich drutów i radiometru sieciowego. Można dostosować program do innych konfiguracji czujników, ale użytkownik powinien dokładnie przetestować program rejestratora w terenie po wszelkich modyfikacjach. Jeśli do programu zostanie dodanych wiele nowych wierszy złożonego kodu, może on nie działać poprawnie; Zwłaszcza, gdy anemometr soniczny jest próbkowany w trybie szeregowym, a nie analogowym. Program jest dostępny do pobrania pod adresem: <<a href="http://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>>.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Sprawdź wartości danych dla wszystkich czujników, aby zobaczyć, czy wszystko działa poprawnie.
		<ol>
			<li>Uwaga: Jeśli którakolwiek z tych zmiennych generuje "NAN" w tabeli stanu programu interfejsu rejestratora, należy sprawdzić odpowiedni czujnik i jego połączenie z rejestratorem. Po dokonaniu niezbędnych poprawek wróć do komputera i upewnij się, że sygnał nie wytwarza już 'NAN'.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Opisana poniżej konfiguracja dotyczy systemu SR z jedną termoparą drobnodrutową, a okablowanie jest opisane tak, aby odpowiadało poleceniom rejestratora danych osadzonym w programie "pod klucz" opisanym poniżej.
	<ol>
		<li>Po określeniu odpowiedniej pozycji dla Twojej stacji w polu badawczym, ustaw wieżę (CM6 - Rysunek 1). Ustabilizuj stopy wieży za pomocą dostarczonych kołków, wbij długi miedziany pręt uziemiający w glebę mini-młotem kowalskim w miejscu, które nie będzie kolidować z płytami strumienia ciepła gleby - patrz poniżej) i podłącz pręt uziemiający do wieży za pomocą grubego drutu i dostarczonych łączników.</li>
		<li>Przymocuj obudowę rejestratora danych do głównej osi wieży za pomocą w kształcie litery U dostarczonych przez producenta (Rysunek 1).</li>
		<li>Zamontuj dwie płyty strumienia ciepła gleby (tj. G1 i G2) białą kropką do góry na głębokości 5 cm w przestrzeni międzyrzędzi z dala od emiterów nawadniania kropelkowego (Rysunek 4). Instalacja powinna zapewniać dobry kontakt termiczny z glebą, a przewody przedłużające prowadzące z powrotem do rejestratora powinny być zakopane, aby uniknąć uszkodzeń spowodowanych wyrwaniem z gleby.
		<ol>
			<li>Podłącz przewody płyty strumienia ciepła do kanałów rejestratora danych 3 i 4 jako czujników różnicowych (G1: przewód 3H, czerwony przewód 3L - i G2: przewód 4H, czerwony przewód 4L). Kody wymienione w tym dokumencie są zgodne z etykietami kanałów rejestratora danych i będą używane w pozostałej części manuskryptu. Szczegółowe informacje dotyczące wszystkich czujników znajdują się w tabeli 1.</li>
			<li>Uwaga: Termostos wewnątrz gruntowej płyty strumienia ciepła mierzy gradient temperatury na materiale o znanych właściwościach termicznych, aby uzyskać gęstość strumienia energii. Każda płytka jest kalibrowana przez producenta. Ponieważ gruntowych płyt strumienia ciepła nie można umieścić bezpośrednio na glebie bez przechwytywania promieniowania słonecznego, należy je zakopać pod powierzchnią gleby. Gęstość strumienia energii na głębokości płyt strumienia ciepła gruntu nie jest taka sama przy gęstości strumienia energii na powierzchni, ponieważ część energii jest magazynowana w warstwie gleby nad płytą, więc w warstwie nad płytami zainstalowany jest zestaw czujników temperatury gleby połączonych równolegle.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zainstaluj termoparę gruntową (1 z 4 sondami połączonymi równolegle, o nazwie Ts), aby objąć objętość gleby nad płytą strumienia ciepła gruntu, aby uwzględnić zmianę akumulacji ciepła nad płytami (Rysunek 4).
		<ol>
			<li>Podłącz termoparę gleby do rejestratora danych na kanale 5 jako czujnik różnicowy (Ts: fioletowy przewód 5H, czerwony przewód 5L).</li>
			<li>Uwaga: Temperaturę warstwy gleby mierzy się, umieszczając sondy temperatury gleby pod kątem od dołu do prawie górnej warstwy gleby (około 0,04-0,01 m poniżej powierzchni gleby). Ważne jest, aby sondy temperatury nie były wkładane zbyt blisko powierzchni. Jeśli gleba pęknie, promieniowanie i/lub jawny strumień ciepła do lub z czujników może powodować fałszywe dane. Ogólnie rzecz biorąc, najlepiej nie umieszczać czujników temperatury bliżej niż 0,01 m od powierzchni gleby; Głębsze umieszczenie jest potrzebne w glebach, które mają duże pęknięcia z powodu wysychania gleby5.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zamontuj radiometr sieciowy (o nazwie Rn-Rysunek 5) na wysięgniku z ramieniem poprzecznym nad baldachimem i skierowany na południe.
		<ol>
			<li>Podłącz radiometr sieciowy do rejestratora danych na kanale 2 jako czujnik różnicowy (Rn: biały przewód 2H, zielony przewód 2L, masa sygnału ekranu (goła) )</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zainstaluj termoparę z cienkiego drutu (nazwaną TC1 - Rysunek 6) na jednym końcu ramienia poprzecznego i nad baldachimem (wysokość będzie zależeć od roślin rosnących na danym polu i wymaganego pobierania); temperatura powietrza będzie pobierana z częstotliwością 10 Hz. Termopary używane do tych pomiarów mają zwykle średnicę 76 μm.
		<ol>
			<li>Podłącz termoparę z cienkim drutem do rejestratora danych na kanale 1 jako czujnik różnicowy, w którym fioletowy przewód przechodzi do 1H, czerwony przewód do 1L, przezroczysty przewód do masy sygnałowej.</li>
			<li>Uwaga: Poniżej znajdują się szczegółowe informacje na temat konserwacji termopary po uruchomieniu systemu.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zamontuj anemometr soniczny (rysunek 7) na drugim końcu ramienia poprzecznego (tj. naprzeciwko termopary z cienkiego drutu) za pomocą łącznika przegubowego Nu-rail do pomiaru trójwymiarowych prędkości wiatru i temperatury dźwięku przy 10 Hz w celu obliczenia jawnego strumienia kowariancji wirów. Zamontuj anemometr soniczny tak, aby środek obszaru pomiaru znajdował się na tej samej wysokości co termopara z cienkiego drutu.
		<ol>
			<li>Uwaga: anemometr soniczny wymaga ponownej konfiguracji z ustawień fabrycznych przed rozmieszczeniem w terenie, aby wyprowadzić żądane sygnały (Aby uzyskać więcej informacji, zobacz Instructions.pdf rekonfiguracji RM Young Model 81000RE dostępnej pod adresem <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>).</li>
			<li>Nieskalibrowana jawna gęstość strumienia ciepła uzyskana w wyniku analizy odnowienia powierzchni jest następnie kalibrowana poprzez określenie nachylenia regresji liniowej najmniejszych kwadratów kowariancji wirów w funkcji jawnej gęstości strumienia ciepła SR.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Podłącz zasilacz do rejestratora danych.</li>
		<li>Podłącz laptopa do rejestratora danych za pomocą portu kablowego RS-232 (nieizolowanego) z przodu rejestratora danych. Prześlij gotowy program rejestratora danych, jeśli ten krok nie został jeszcze wykonany w laboratorium.
		<ol>
			<li>Program jest napisany dla specyficznego zestawu instrumentów, a mianowicie anemometru sonicznego, dwóch płytek strumienia ciepła, termopary glebowej, termopary powietrznej z cienkiego drutu i radiometru sieciowego. Można dostosować program do innych konfiguracji czujników, ale użytkownik powinien dokładnie przetestować program rejestratora w terenie po wszelkich modyfikacjach. Jeśli do programu zostanie dodanych wiele nowych wierszy złożonego kodu, może on nie działać poprawnie; Zwłaszcza, gdy anemometr soniczny jest próbkowany w trybie szeregowym, a nie analogowym. Program jest dostępny do pobrania pod adresem: <a href="https://sites.google.com/site/tmshapland" target="_blank">sites.google.com/site/tmshapland</a>. Więcej szczegółów na temat programu i jego wykorzystania można znaleźć w naszej najnowszej publikacji6.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Sprawdź wartości danych dla wszystkich czujników, aby zobaczyć, czy wszystko działa poprawnie.
		<ol>
			<li>Uwaga: Jeśli którakolwiek z tych zmiennych generuje "NAN" w tabeli stanu programu interfejsu rejestratora, należy sprawdzić lub wymienić odpowiedni czujnik. Po dokonaniu regulacji czujnika lub jego okablowania wróć do komputera i upewnij się, że sygnał nie wytwarza już "NAN".</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Utrzymuj stację, wykonując następujące czynności, gdy stacja będzie działać.
	<ol>
		<li>Odkręć złącze Nu-Rail i opuść główny pionowy maszt, na którym znajduje się radiometr sieciowy.</li>
		<li>Zegnij izolowany przewód termopary na jego styku z metalowym cylindrem. Ostrożnie zanurz odsłonięte przewody termopary (tj. samą końcówkę termopary) w soku z cytryny, uważając, aby nie uderzać odsłoniętymi przewodami o słoik. Usuń sok z cytryny z czujnika, zanurzając przewody w słoiku z wodą dejonizowaną (DI). Wyprostuj drut termopary na jego styku z metalowym cylindrem.</li>
		<li>Spryskaj radiometr sieciowy wodą DI. Osusz go chłonnymi chusteczkami. Podnieś pionowy maszt do jego pierwotnej pozycji, dokręć dociskowe Nu-Rail i wypoziomuj radiometr sieciowy.</li>
		<li>Zrób zdjęcia wieży, aby zarejestrować wszelkie zmiany w baldachimie rośliny w czasie.</li>
		<li>Przetwarzanie zebranych danych dotyczących strumienia bilansu energetycznego; tabela wyjściowa z programu rejestratora danych "pod klucz" zawiera już przekształcone Rn, G, H i LE. Zapoznaj się z naszą ostatnią pracą, aby uzyskać więcej informacji na temat wyjścia6,7 programu rejestratora danych pod klucz.</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>
<li>Rosenberg, N. J., Blad, B. L., Verma, S. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRosenberg%2C+NJ+%22Microclimate%3A+the+biological+environment%22">Microclimate: the biological environment</a>. , 2nd, John Wiley and Sons. New York, NY. USA. (1983).</li>
<li>Snyder, R. L., Spano, D., Duce, P., Paw, U. K. T., Anderson, F. E., Falk, M. Surface Renewal Manual. , (2007).</li>
<li>Shapland, T. M., McElrone, A. J., Paw, U. T. K., Snyder, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+turnkey+data+logger+program+for+field-scale+energy+flux+density+measurements+using+eddy+covariance+and+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Ital.+J.+Agrometeorol%22%5BJournal%5D)">A turnkey data logger program for field-scale energy flux density measurements using eddy covariance and surface.</a> Ital. J. Agrometeorol. , Forthcoming Forthcoming.</li>
<li>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).</li>
<li>Van Atta, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+coherent+structures+on+structure+functions+of+temperature+in+the+atmospheric+boundary+layer%5BTitle%5D)+AND+%22Arch.+of+Mech%22%5BJournal%5D)">Effect of coherent structures on structure functions of temperature in the atmospheric boundary layer.</a> Arch. of Mech. 29, 161-171 (1977).</li>
<li>Snyder, R. L., Spano, D., Paw, U. K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+Renewal+analysis+for+sensible+and+latent+heat+flux+density%5BTitle%5D)+AND+%22Boundary-Layer+Meteorol%22%5BJournal%5D)">Surface Renewal analysis for sensible and latent heat flux density.</a> Boundary-Layer Meteorol. 77, 249-266 (1996).</li>
<li>Spano, D., Duce, P., Snyder, R. L., Paw, U. K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+renewal+estimates+of+evapotranspiration.+Tall+canopies%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Hort%22%5BJournal%5D)">Surface renewal estimates of evapotranspiration. Tall canopies.</a> Acta Hort. 449, 63-68 (1997).</li>
<li>Spano, D., Snyder, R. L., Duce, P., Paw, U. K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+renewal+analysis+for+sensible+heat+flux+density+using+structure+functions%5BTitle%5D)+AND+%22Agric.+For.+Meteorol%22%5BJournal%5D)">Surface renewal analysis for sensible heat flux density using structure functions.</a> Agric. For. Meteorol. 86, 259-271 (1997).</li>
<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+I%3A+Theory+and+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Boundary+Layer+Meterology%22%5BJournal%5D)">Structure function analysis of two-scale scalar ramps. Part I: Theory and modeling.</a> Boundary Layer Meterology. , (2012).</li>
<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>

Autorzy oświadczają, że nie mają obecnie konkurencyjnych interesów finansowych.

Metoda odnawiania powierzchni stanowi namacalną okazję do opracowania samodzielnej i niedrogiej techniki ilościowego określania zużycia wody przez rośliny uprawne w czasie rzeczywistym. Ostatnie postępy w przetwarzaniu sygnałów, programowaniu rejestratorów danych, kalibracji i zarządzaniu danymi sprawiły, że cel ten stał się jaśniejszy. Ten manuskrypt oraz nasz niedawno opracowany program rejestratora danych pod klucz6 sprawiają, że zaawansowane metody mikrometeorologiczne są bardziej dostępne dla badaczy roln...

Niedobór wody zagraża zrównoważonemu rolnictwu w suchych regionach uprawy. Sytuacja ta prawdopodobnie pogorszy się wraz ze zmieniającymi się warunkami klimatycznymi i rosnącą konkurencją między podmiotami rolniczymi, komunalnymi, przemysłowymi i konserwatorskimi o ograniczone zasoby wody. Aby poradzić sobie z tym ciągłym dylematem, hodowcy nieustannie poszukują sposobów na poprawę wydajności nawadniania, a technologia, która lepiej szacuje zużycie wody przez uprawy (tj. ewapotranspirację, ET) w czasie rzeczywistym, oraz lepsze metody agrometeorologiczne z pewnością pomogą w tych wysiłkach. Obecne technologie stosowane przez hodowców do szacowania ET zależą od zastosowania ewapotranspiracji referencyjnej (ET0) i empirycznego współczynnika upraw (Kc), które są bardzo podatne na błędy szacunkowe. Agrometeorolodzy mierzą również ET w celu oceny eksperymentalnych zabiegów poprawiających efektywność wykorzystania wody w uprawach1 oraz w celu sparametryzowania regionalnych strategii alokacji wody2, ale metody te są wysoce techniczne i kosztowne. Obecnie trwają prace nad przełożeniem istniejących, opartych na badaniach metod pomiaru ET na opłacalne i przyjazne dla użytkownika technologie dla hodowców.
Odnowienie powierzchni (SR) to jedna z metod agrometeorologicznych używanych do pomiaru ET upraw. SR opiera się na analizie budżetu energetycznego działek powietrznych, które znajdują się efemerycznie w koronach roślin podczas procesu turbulentnej wymiany3, mierzonego za pomocą stacji pokazanej na rysunku 1 i zilustrowanej teoretycznie na rysunku 2 i filmie 1. Paczki powietrzne są manifestowane jako kształty przypominające rampy w danych szeregów czasowych turbulentnej temperatury, a amplituda i okres ramp są wykorzystywane do obliczania gęstości strumienia (rysunki 2 i 3). W przypadku metody SR ET dla danej powierzchni uprawy określa się poprzez obliczenie gęstości strumienia ciepła utajonego (LE) jako reszty następującego równania bilansu energetycznego 
LE=R n-G-H,
Tutaj LE to gęstość strumienia energii związana ze zmianą fazową wody z powierzchni uprawy, Rn to promieniowanie netto, G to gęstość strumienia ciepła gleby (tj. energia doprowadzona do lub z ziemi), a H to jawna gęstość strumienia ciepła (tj. gęstość strumienia energii z powierzchni do powietrza lub odwrotnie, która powoduje zmianę temperatury). Rn jest liczbą dodatnią, gdy strumień netto jest skierowany w dół (energia dodana do powierzchni), LE i H są liczbami dodatnimi, gdy strumień jest w górę (energia dodana do powietrza), a G jest liczbą dodatnią, gdy strumień jest w dół (energia dodana do gleby). LE (MJ/m2sek) jest następnie dzielone przez utajone ciepło parowania (L=2,45 MJ/kg) w celu uzyskania gęstości strumienia masowego pary wodnej z powierzchni (tj. ET).
Pomiary Rn i G są stosunkowo proste i tanie. Bezpośrednie pomiary H są bardziej złożone i wymagają akwizycji danych o wysokiej częstotliwości. Najczęstszą metodą określania H jest kowariancja wirowa; jednak anemometr soniczny wymagany do tej metody jest drogi, skomplikowany i w związku z tym nie jest powszechnie stosowany przez agronomów, ogrodników lub inżynierów do określania H i LE. Z drugiej strony, H pochodzące z techniki SR uzyskuje się prostszą i tańszą metodą, która wykorzystuje termopary drobnodrutowe do pomiaru temperatur powietrza o wysokiej częstotliwości na granicy powierzchni i atmosfery. Pomimo prostoty SR, obecne pomiary nadal wymagają kalibracji w stosunku do oszacowania kowariancji wirów H przez anemometr soniczny w celu uzyskania jawnej gęstości strumienia ciepła.
Pomyślne wdrożenie wieży strumienia SR do pomiarów ET może być trudnym wyzwaniem, szczególnie dla wielu badaczy rolnictwa bez formalnego wykształcenia w zakresie nauk o atmosferze. Pomiary kowariancji SR i wirów wymagają zaawansowanych umiejętności technicznych zarówno w zakresie programowania rejestratorów danych do wykonywania zadań ze złożonym oprzyrządowaniem, jak i pisania programów komputerowych w celu przetworzenia surowych danych o turbulencjach w znaczące strumienie. W tym miejscu opisujemy, jak skonfigurować stację terenową, zainstalować czujniki i wykorzystać nasz nowy program do rejestrowania danych pod klucz do procedur gromadzenia danych i przetwarzania końcowego.

<table><tbody><tr><td>Rejestrator danych</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Obudowa rejestratora <td>danych CR1000</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>ENC12/14-SC</td><td></td></tr><tr><td>Wieża (6 stóp) z uziemieniem i piorunochronami</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM6</td><td></td></tr><tr><td>Ramię poprzeczne (4 stopy)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>CM204</td><td></td></tr><tr><td>Łącznik zwrotnicy Nu-rail</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>17953</td><td></td></tr><tr><td>Zasilacz (12 V) z regulatorem i baterią</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Regulator ładowarki <td>PS100</td><td></td></tr><tr><td>(12 V)</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Przedłużacz akumulatora <td>CH100</td><td></td></tr><tr><td>Campbell</td><td>Scientific, Inc.</td><td>6186</td><td></td></tr><tr><td>Przedłużacz termopary</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>Termopary FWC-20</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific, Inc.</td>Anemometr soniczny <td>FW3</td><td></td></tr><tr><td>3D z długą szyjką</td><td>RM Young Company</td><td>81000 RE</td><td></td></tr><tr><td>8 przewód żyłowy do anemometru</td><td>RM Young Company</td><td>18660</td><td></td></tr><tr><td>Płyty strumienia ciepła gleby</td><td>REBS, Inc.</td><td>HFT3.1</td><td></td></tr><tr><td>Termopary glebowe</td><td>Campbell Scientific, Inc.</td><td>Radiometr sieciowy TCAV</td><td></td></tr><tr><td>z</td><td>Kipp and Zonen, Inc.</td><td>NR Lite 2</td><td></td></tr><tr><td>Wytrzymały uchwyt do montażu na słupie do radiometru</td><td>Kipp and Zonen, Inc.</td><td>L-CMB1</td><td></td></tr></tbody></table>

odnawianie powierzchni: zaawansowana metoda mikrometeorologiczna do pomiaru i przetwarzania danych o gęstości strumienia energii w skali pola

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

Zaawansowane metody mikrometeorologiczne stają się coraz ważniejsze w naukach o glebie, uprawach i środowisku. Dla wielu naukowców bez formalnego wykształcenia w dziedzinie nauk o atmosferze techniki te są stosunkowo niedostępne. Odnawianie powierzchni i inne metody pomiaru strumienia wymagają zrozumienia meteorologii warstwy granicznej oraz intensywnego szkolenia w zakresie oprzyrządowania i wielu programów do zarządzania danymi. Aby poprawić dostępność tych technik, opisujemy teorię leżącą u podstaw pomiarów odnawiania powierzchni, pokazujemy, jak skonfigurować stację terenową do odnawiania powierzchni z kalibracją kowariancji wirów oraz wykorzystujemy nasz gotowy do użycia program rejestratora danych typu open source do akwizycji i przetwarzania danych strumienia. Nowy, gotowy program zwraca użytkownikowi prostą tabelę danych z skorygowanymi strumieniami i parametrami kontroli jakości, a także eliminuje potrzebę przełączania się badaczy między wieloma programami przetwarzania w celu uzyskania końcowych danych dotyczących strumienia. Przykład danych wygenerowanych na podstawie tych pomiarów pokazuje, w jaki sposób mierzy się zużycie wody przez rośliny uprawne za pomocą tej techniki. Informacje wyjściowe są przydatne dla hodowców przy podejmowaniu decyzji dotyczących nawadniania w różnych ekosystemach rolniczych. Stacje te są obecnie wykorzystywane w licznych eksperymentach terenowych przez naukowców z naszej grupy i Kalifornijskiego Departamentu Zasobów Wodnych w następujących uprawach: winnice ryżu, wina i rodzynek, lucerna, migdały, orzech włoski, brzoskwinia, cytryna, awokado i kukurydza.

Wyznaczenie składowych Rn i G równania bilansu energetycznego jest stosunkowo proste i niedrogie. Pomiary H są bardziej złożone i wymagają wysokoczęstotliwościowych zapisów temperatury mierzonych za pomocą cienkodrutowego termoparu w przypadku odnowy powierzchni lub anemometru sonicznego dla kowariancji wirów. Przykład zapisu temperatury mierzonego za pomocą cienkodrutowego termoparu przedstawiono na Rysunku 9, który wykazuje konieczność przeprowadzenia analizy matem...

Odnawianie powierzchni to metoda mikrometeorologiczna, która jest coraz częściej używana do określania strumieni energii, ale jej techniczna złożoność czyni ją niedostępną dla szerokiego grona odbiorców. Opisujemy kroki niezbędne do skonfigurowania i skalibrowania stacji terenowej do odnawiania powierzchni, do pozyskiwania i przetwarzania danych oraz do prawidłowej interpretacji wyników.

Odnawianie powierzchni: zaawansowana metoda mikrometeorologiczna do pomiaru i przetwarzania danych o gęstości strumienia energii w skali pola

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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest instalacja systemu odnowy powierzchni do pomiaru i przetwarzania danych dotyczących gęstości strumienia energii w skali polowej. Zostaje to zrealizowane poprzez najpierw zainstalowanie w terenie obudowy rejestratora danych wieży oraz panelu słonecznego. Drugim krokiem jest zamocowanie czujników do wieży.Następnie przewody czujników są podłączone do rejestratora danych. Ostatnim krokiem jest połączenie rejestratora danych z laptopem, wgranie programu do rejestratora oraz sprawdzenie, czy urządzenie odbiera sygnały z czujników. W rezultacie metoda odnowy powierzchni jest wykorzystywana do pomiaru ewapotranspiracji ekosystemu, dostarczając informacji przydatnych dla producentów rolnych przy podejmowaniu decyzji dotyczących nawadniania w różnych ekosystemach rolniczych.Chociaż metoda ta dostarcza wiedzy w zakresie rolniczego i miejskiego wykorzystania wody, znajduje ona zastosowanie również w odniesieniu do ekosystemów naturalnych, na przykład w leśnictwie i na terenach podmokłych. Implikacje tej techniki obejmują zarządzanie irygacją, ponieważ ewapotranspiracja jest główną przyczyną utraty wody w systemach produkcji roślinnej. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności ze względu na brak wiedzy na temat instalacji sprzętu lub weryfikacji jego prawidłowego działania.Pomysł na tę metodę narodził się, gdy obserwacje danych dotyczących turbulencji skłoniły nas do zaadaptowania koncepcji odnowy powierzchni z inżynierii chemicznej do nauki o atmosferze. Procedura ta zostanie zaprezentowana przez członków naszego zespołu: Ricka Snydera i PA oraz postdoktorantów, Arturo Calderone i Toma Chaplina. Rozpocznij ten eksperyment od ustalenia lokalizacji stacji terenowej i oceny kierunku wiatru, zgodnie z opisem w protokole tekstowym.Przed wyjazdem w teren należy przygotować w laboratorium jak największą część sprzętu. Najpierw podłącz czujniki do rejestratora danych. Następnie podłącz kabel RS 2 32 pomiędzy laptopem a portem rejestratora danych.Otwórz program interfejsu do komunikacji z rejestratorem danych, a następnie połącz się z urządzeniem. Następnie prześlij gotowy program do rejestratora danych. Sprawdź wartości danych ze wszystkich czujników, aby upewnić się, że wszystko działa prawidłowo.Po zidentyfikowaniu odpowiedniego miejsca na stację w obszarze badawczym, ustaw wieżę i ustabilizuj jej stopki za pomocą dołączonych palików. Wbij długi miedziany pręt uziemiający w glebę za pomocą małego młota pneumatycznego w miejscu, które nie będzie kolidować z płytkami przepływu ciepła.Podłącz pręt uziemiający do wieży za pomocą przewodu o dużym przekroju i dostarczonych złączy. Przymocuj obudowę rejestratora danych do głównej osi wieży, używając śrub typu U dostarczonych przez producenta. Zainstaluj dwie płytki do pomiaru strumienia ciepła w glebie białym punktem do góry, w odległości pięciu centymetrów w przestrzeni międzyrzędowej, z dala od emiterów nawadniania kropelkowego.Podłącz przewody płyty przepływu ciepła do kanałów trzy i cztery rejestratora danych jako różnicowe czujniki wejściowe. Zainstaluj termoparę glebową w taki sposób, aby obejmowała objętość gleby nad płytą przepływu ciepła w celu uwzględnienia zmian w magazynowaniu ciepła powyżej płyt. Podłącz termoparę glebową do rejestratora danych w kanale pięć jako czujnik różnicowy.Zainstaluj radiometr sieciowy na ramieniu poprzecznym. Wysięgnik powinien znajdować się powyżej korony roślin i być skierowany na południe. Podłącz radiometr sieciowy do rejestratora danych w kanale drugim.Jako czujnik różnicowy. Zamontuj termoparę z cienkiego drutu na jednym końcu ramienia poprzecznego, powyżej korony. Temperatura powietrza będzie próbkowana z częstotliwością 10 Hz przez termopary.Do tych pomiarów zazwyczaj używa się termopar o średnicy 76 mikronów. Podłącz cienką termoparę do rejestratora danych w kanale pierwszym jako czujnik różnicowy, gdzie fioletowy przewód prowadzi do wejścia 1 H, czerwony do 1 L, a przezroczysty do masy sygnału. Zainstaluj anemometr soniczny na drugim końcu ramienia poprzecznego, używając nowej złączki szynowej, aby mierzyć trójwymiarowe prędkości wiatru oraz temperaturę soniczną z częstotliwością 10 herców.W celu obliczenia strumienia ciepła jawnego metodą kowariancji wirowej, zainstaluj anemometr soniczny w taki sposób, aby środek obszaru pomiarowego znajdował się na tej samej wysokości co cienkodrutowy termopar. Następnie podłącz zasilacz do rejestratora danych.Podłącz laptop do rejestratora danych, korzystając z portu kabla RS 2 32 znajdującego się na przednim panelu rejestratora. Uruchom program rejestratora danych typu turnkey. Sprawdź wartości danych dla wszystkich czujników, aby upewnić się, że wszystko działa prawidłowo.Odkręć nowy przegub szyny i opuść główny pionowy maszt, na którym zamocowany jest radiometr sieciowy. Zgnij izolowany przewód termopary w miejscu jego połączenia z metalowym cylindrem. Ostrożnie zanurz odsłonięte końce termopary w słoiku z sokiem z cytryny, uważając, aby nie uderzyć odsłoniętymi przewodami o ścianki słoika.Oczyść czujnik z soku z cytryny, zanurzając przewody w naczyniu z wodą dejonizowaną. Ponownie wyprostuj przewód termopary w miejscu jego połączenia z metalem. Spryskaj radiometr sieciowy wodą dejonizowaną i osusz go chłonnymi ściereczkami.Podnieś pionowy maszt do jego pierwotnej pozycji. Ponownie dokręć nowe śruby mocujące szynę i wypoziomuj radiometr sieciowy. Tutaj przedstawiono przykładowy przebieg zmian temperatury zmierzony za pomocą cienkodrutowego termopary.Ten zapis wskazuje na konieczność przeprowadzenia analizy matematycznej w celu wyodrębnienia sygnału z tych surowych danych. Wizualna inspekcja danych ujawnia trzy lub cztery główne rampy kończące się w przybliżeniu w 12 35, 46 i 72 sekundach. Wszystkie komponenty bilansu energetycznego wykazują podobny wzorzec dobowy, z wartościami szczytowymi występującymi w połowie dnia.Promieniowanie netto jest dodatnie w ciągu dnia, gdy powierzchnia otrzymuje więcej promieniowania, niż oddaje, oraz ujemne w nocy, gdy oddaje ona więcej promieniowania, niż otrzymuje. Wykazuje ono krzywą dobową oczekiwaną dla słonecznych wiosennych dni w północnej Kalifornii. Gęstość strumienia ciepła w glebie również wykazuje wzorzec dobowy.W ciągu dnia jest ona dodatnia, ponieważ energia jest przewodzona z powierzchni w głąb gleby, a w nocy ujemna. W miarę jak więcej energii jest przewodzone z dołu do chłodniejszej powierzchni, strumień ciepła utajonego podąża za oczekiwaną krzywą dobową dla upraw z odpowiednią ilością wody. Podczas sprzyjającej pogody promieniowanie netto jest dominującym źródłem energii dla ewapotranspiracji.Wartości gęstości strumienia ciepła utajonego podążają za zmianami promieniowania netto w ciągu dnia nad roślinami uprawnymi wykazującymi aktywną transpirację. Przewiduje się, że większość dostępnej energii w warunkach dodatniego promieniowania netto jest rozdzielana na gęstość strumienia ciepła utajonego, a nie na gęstość strumienia ciepła jawnego oraz gęstość strumienia ciepła gleby. Podczas wietrznych nocy strumień ciepła utajonego był bliski zeru, natomiast w bezwietrzne noce przyjmował wartości ujemne, co prawdopodobnie wskazuje na kondensację.Niemniej jednak, wkład w strumień ciepła utajonego w ciągu dnia znacznie przewyższa wkład nocny. Zatem niepewności w wartościach nocnych są interesujące, lecz stosunkowo mało istotne. Dobowe skumulowane wartości ewapotranspiracji są zgodne dla stacji odnowienia powierzchni i lizymetru wagowego usytuowanych obok siebie.Na polu pszenicy lizymetry wagowe są uznawane za złoty standard w szacowaniu ewapotranspiracji z powierzchni upraw. W większości dni skumulowana ewapotranspiracja ze stacji odnowienia powierzchni była nieco wyższa niż wartości z Lysimeter.Tower. Pomiary te reprezentują strumienie z szerszego obszaru niż pomiary lizymetryczne, a w czasie tych pomiarów pszenica w lizymetrze była o około 10 centymetrów niższa i mniej gęsta niż rośliny w pozostałej części pola.W związku z tym podczas instalacji sprzętu spodziewano się wyższych wartości ewapotranspiracji z wieży pomiarowej. Po wykonaniu tej procedury ważne jest sprawdzenie, czy czujniki przesyłają wartości do rejestratora przed opuszczeniem terenu badań. Inne pomiary, takie jak potencjał wody w liściach, mogą być wykorzystane do odpowiedzi na inne pytania, np. dotyczące stanu wodnego roślin po ich rozwinięciu.Technika ta utorowała drogę badaczom z dziedziny rolnictwa do analizy zużycia wody w skali pola dla różnych rodzajów upraw.

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

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Odnowa powierzchni: Zaawansowana mikrometeorologiczna metoda pomiaru i przetwarzania danych o gęstości strumienia energii w skali pola

Opisujemy stosunkowo szybką (30 min) i realistyczną metodę jednoczesnego pomiaru przewodności hydraulicznej liścia (Kleaf) oraz przewodności szparkowej (gs) dla transpirujących liści odciętych. Metodę tę można zmodyfikować w celu pomiaru odpowiedzi Kleaf oraz gs na światło i odwodnienie.

Pomiar przewodności hydraulicznej liści oraz przewodności szparkowej i ich odpowiedzi na natężenie promieniowania oraz odwodnienie z wykorzystaniem metody strumienia ewaporacyjnego (EFM)

Ten artykuł przedstawia metodę statycznego pomiaru strumienia gazów cieplarnianych z systemów glebowych. Przy stosunkowo niewielkich inwestycjach w infrastrukturę, pomiary można uzyskać z wielu zabiegów/lokalizacji i w ramach czasowych od godzin do lat.

Pomiar strumienia gazów cieplarnianych z gleb rolniczych za pomocą komór statycznych

Przestrzenne wzorce erozji i osadzania się gleby można wywnioskować z różnic w wysokości gruntu odwzorowanych w odpowiednich przyrostach czasu. Takie zmiany wysokości są związane ze zmianami węglanów glebowych przy powierzchni. Opisano tutaj powtarzalne metody pomiarów terenowych i laboratoryjnych tych wielkości oraz metody analizy danych.

Pomiar i mapowanie wzorców erozji i depozycji gleby związanych ze stężeniami węglanów w glebie w ramach gospodarki rolnej

Charakteryzacja erozji na podstawie dendrogeomorfologii zazwyczaj skupiała się na dokładnym znalezieniu początkowego czasu ekspozycji korzeni, poprzez badanie makroskopowych lub zmian na poziomie komórki spowodowanych ekspozycją. W tym miejscu przedstawiamy szczegółowy opis różnych nowatorskich technik uzyskiwania bardziej precyzyjnych wskaźników erozji na podstawie bardzo dokładnych danych mikrotopograficznych.

Laboratoryjny i terenowy protokół do szacowania szybkości erozji arkuszy na podstawie dendrogeomorfologii

Procesy krajobrazowe są kluczowymi składnikami formowania gleby i odgrywają ważną rolę w określaniu właściwości gleby i struktury przestrzennej w krajobrazach. Proponujemy nowe podejście wykorzystujące krokową regresję głównych składowych do przewidywania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie w różnych skalach przestrzennych.

Wykorzystanie głównych komponentów do skalowania modeli topograficznych w celu mapowania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie

Prezentowany protokół wykorzystuje metodę kowariancji wirów w nietypowych lokalizacjach, mającą zastosowanie do wszystkich typów ekosystemów o krótkim baldachimie o ograniczonym obszarze, na obecnie zalesionym miejscu wiatrołomu w Polsce. Opisano szczegółowe informacje na temat zasad konfiguracji stanowiska pomiarowego, obliczeń strumienia i kontroli jakości oraz analizy wyników końcowych.

Pomiary strumieni CO2 w nieidealnych miejscach kowariancji wirów

Dokładne oszacowanie wskaźnika powierzchni liści (LAI) jest kluczowe dla wielu modeli przepływów materiałów i energii w ekosystemach roślinnych oraz między ekosystemem a atmosferyczną warstwą graniczną. W związku z tym w przedstawionym protokole znalazły się trzy metody (pułapki na śmieci, technika igłowa i PCA) wykonywania precyzyjnych pomiarów LAI.

Szacowanie wskaźnika powierzchni liści przy użyciu trzech różnych metod w drzewostanach czystych liściastych

Szybkie i precyzyjne szacowanie wskaźnika powierzchni liści (LAI) w ekosystemach lądowych jest kluczowe dla szerokiego zakresu badań ekologicznych i kalibracji produktów teledetekcyjnych. Przedstawiono protokół wykorzystania nowego urządzenia optycznego LP 110 do wykonywania naziemnych pomiarów LAI in situ.

Pomiar terenowy efektywnego wskaźnika powierzchni liści za pomocą urządzenia optycznego w koronie roślinności

Określenie zawartości wody w glebie jest kluczowym wymogiem misji dla wielu agencji stanowych i federalnych. Protokół ten łączy w sobie wysiłki wielu agencji mające na celu pomiar zawartości wody w glebie za pomocą czujników zakopanych in situ.

In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

Najnowsze osiągnięcia w zdalnie sterowanych systemach powietrznych (RPAS) umożliwiają rozdzielczość poniżej metra, co jest idealne do monitorowania odbudowy lasów. Integracja sztucznej inteligencji (AI) umożliwia głębsze wglądy z dużych, zdalnie badanych zbiorów danych. Protokół ten poprawia monitoring, wspierając bardziej efektywną ocenę i zarządzanie terenami leśnymi po zakłóceniach.

Zbieranie i przetwarzanie danych zdalnie wykrywanych za pomocą dronów do monitorowania odbudowy lasów

Niniejszy manuskrypt opisuje niedestrukcyjne, wysokoprzepustowe podejście do autonomicznych pomiarów terenowych o wydajności kwantowej fotosystemu II, odbiciu spektralnym oraz architekturze roślin, umożliwiając wielkoskalowe fenotypowanie fotosyntezy korony w próbach polowych agronomicznych i hodowlanych.

Wysokoprzepustowe, terenowe badania wydajności fotosyntetycznej roślin uprawnych z wykorzystaniem autonomicznego robota

Poznaj metodę odnawiania powierzchni do pomiaru gęstości strumienia energii w skali pola. Technika ta umożliwia precyzyjne określenie ewapotranspiracji, wspierając rolników w podejmowaniu decyzji nawadniających.

Odnawianie powierzchni: zaawansowana metoda mikrometeorologiczna do pomiaru i przetwarzania danych o gęstości strumienia energii w skali pola (Wideo) | JoVE Journal

Odnawianie powierzchni: zaawansowana metoda mikrometeorologiczna do pomiaru i przetwarzania danych o gęstości strumienia energii w skali pola

Przeglądaj więcej filmów