Artigo de método

Renovação de superfície: um método micrometeorológico avançado para medir e processar dados de densidade de fluxo de energia em escala de campo

DOI:

10.3791/50666

⸱

12 de dezembro de 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.

Neste artigo

Resumo

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

A renovação da superfície é um método micrometeorológico que está sendo usado cada vez mais para determinar fluxos de energia, mas sua complexidade técnica o torna inacessível a um público amplo. Descrevemos as etapas necessárias para configurar e calibrar uma estação de campo de renovação de superfície, adquirir e processar dados e interpretar corretamente os resultados.

Resumo

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

Métodos micrometeorológicos avançados tornaram-se cada vez mais importantes nas ciências do solo, das culturas e do meio ambiente. Para muitos cientistas sem treinamento formal em ciências atmosféricas, essas técnicas são relativamente inacessíveis. A renovação da superfície e outros métodos de medição de fluxo exigem uma compreensão da meteorologia da camada limite e treinamento extensivo em instrumentação e vários programas de gerenciamento de dados. Para melhorar a acessibilidade dessas técnicas, descrevemos a teoria subjacente das medições de renovação de superfície, demonstramos como configurar uma estação de campo para renovação de superfície com calibração de covariância parasita e utilizamos nosso programa de registro de dados turnkey de código aberto para realizar a aquisição e processamento de dados de fluxo. O novo programa pronto para uso retorna ao usuário uma tabela de dados simples com os fluxos corrigidos e parâmetros de controle de qualidade e elimina a necessidade de os pesquisadores alternarem entre vários programas de processamento para obter os dados finais do fluxo. Um exemplo de dados gerados a partir dessas medições demonstra como o uso de água da cultura é medido com essa técnica. As informações de produção são úteis para os produtores tomarem decisões de irrigação em uma variedade de ecossistemas agrícolas. Essas estações estão atualmente implantadas em vários experimentos de campo por pesquisadores de nosso grupo e do Departamento de Recursos Hídricos da Califórnia nas seguintes culturas: arroz, vinho e uvas passas, alfafa, amêndoa, noz, pêssego, limão, abacate e milho.

Introdução

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

A escassez de água ameaça a sustentabilidade agrícola em regiões de cultivo seco. Essa situação provavelmente piorará com as mudanças nas condições climáticas e o aumento da competição entre entidades agrícolas, municipais, industriais e de conservação por suprimentos limitados de água. Para lidar com esse dilema contínuo, os produtores buscam continuamente maneiras de melhorar a eficiência da irrigação, e a tecnologia que estima melhor o uso da água da cultura (ou seja, evapotranspiração, ET) em tempo real e melhores métodos agrometeorológicos certamente ajudarão nesses esforços. As tecnologias atuais usadas pelos produtores para estimar a ET dependem do uso da evapotranspiração de referência (ET0) e de um coeficiente empírico de cultura (Kc), ambos altamente suscetíveis a erros de estimativa. Os agrometeorologistas também medem a ET para avaliar tratamentos experimentais para melhorar a eficiência do uso da água nas culturas1 e parametrizar estratégias regionais de alocação de água2, mas esses métodos são altamente técnicos e caros. Esforços estão em andamento para traduzir os métodos existentes de medição de ET baseados em pesquisa em tecnologias econômicas e fáceis de usar para os produtores.

A renovação superficial (RS) é um método agrometeorológico usado para medir a ET da cultura. A RS baseia-se na análise do balanço energético das parcelas de ar que residem efemeramente dentro do dossel da cultura durante o processo de troca turbulenta3, medido com a estação mostrada na Figura 1 e ilustrado teoricamente na Figura 2 e no Filme 1. As parcelas de ar se manifestam como formas semelhantes a rampas em dados de séries temporais de temperatura turbulenta, e a amplitude e o período das rampas são usados para calcular a densidade de fluxo (Figuras 2 e 3). Com o método SR, o ET para uma determinada superfície de cultura é determinado calculando a densidade do fluxo de calor latente (LE) como o resíduo da seguinte equação de balanço de energia
LE=R n-G-H,

Aqui, LE é a densidade do fluxo de energia associada à mudança de fase da água da superfície de uma cultura, Rn é a radiação líquida, G é a densidade do fluxo de calor do solo (ou seja, energia conduzida para dentro ou para fora do solo) e H é a densidade do fluxo de calor sensível (ou seja, densidade do fluxo de energia da superfície para o ar ou vice-versa que resulta em uma mudança de temperatura). Rn é um número positivo quando o fluxo líquido é descendente (energia adicionada à superfície), LE e H são números positivos quando o fluxo é ascendente (energia adicionada ao ar) e G é um número positivo quando o fluxo é descendente (energia adicionada ao solo). LE (MJ/m2seg) é então dividido pelo calor latente de evaporação (L=2,45 MJ/kg) para obter a densidade de fluxo de massa do vapor de água da superfície (ou seja, ET).

As medições de Rn e G são relativamente diretas e baratas. As medições diretas de H são mais complexas e requerem aquisição de dados de alta frequência. O método mais comum para determinar H é com covariância de vórtices; no entanto, o anemômetro sônico necessário para este método é caro, complexo e, conseqüentemente, não muito utilizado por agrônomos, horticultores ou engenheiros para determinar H e OE. Por outro lado, o H derivado da técnica SR é obtido por um método mais simples e menos dispendioso, que utiliza termopares de fios finos para medir temperaturas do ar de alta frequência na interface superfície-atmosfera. Apesar da simplicidade do SR, as medições atuais ainda requerem calibração em relação à estimativa de covariância parasita de H de um anemômetro sônico para obter uma densidade de fluxo de calor sensível.

A implantação bem-sucedida de uma torre de fluxo SR para medições de ET pode ser um desafio assustador, especialmente para muitos pesquisadores agrícolas sem treinamento formal em ciências atmosféricas. As medições de covariância SR e parasita exigem habilidades técnicas sofisticadas tanto na programação de registradores de dados para executar tarefas com instrumentação complexa quanto na escrita de programas de computador para pós-processar os dados brutos de turbulência em fluxos significativos. Aqui, descrevemos como configurar uma estação de campo, instalar sensores e utilizar nosso novo programa de registro de dados pronto para uso para procedimentos de coleta e pós-processamento de dados.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Protocolo

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

  1. Realize uma análise da direção do vento e da pegada antes da instalação em campo; esta etapa é importante para garantir que a torre esteja situada corretamente para capturar o fluxo representativo no campo de estudo.
    1. Antes de estabelecer a estação de campo, você deve avaliar a direção do vento predominante na parcela de estudo e determinar quanta busca (distância contra o vento) é necessária para sua aplicação específica. A distância da busca depende da altura da superfície a ser medida e da altura dos instrumentos4. Geralmente, a busca é de 100 metros a favor do vento para cada metro acima do ponto médio do dossel em que os sensores estão localizados.
  2. Com base nas necessidades da configuração específica, conecte sensores ao registrador de dados e prepare o máximo possível do equipamento antes de ir para o campo. Instale o programa no agente antes da implantação em campo e teste se o agente está funcionando corretamente usando as etapas descritas abaixo.
    1. Conecte um laptop ao registrador de dados usando a porta do cabo RS-232 (não isolada) na parte frontal do registrador de dados, abra o programa de interface para se comunicar com o registrador de dados e conecte-o ao registrador de dados. Em seguida, carregue o programa de registro de dados pronto para uso no registrador de dados. Cabos padrão USB e telefones celulares também podem ser usados para comunicação com o registrador de dados.
      1. O programa é escrito para um conjunto específico de instrumentos, ou seja, um anemômetro sônico 3-D, duas placas de fluxo de calor, um termopar de solo, um termopar de ar de fio fino e um radiômetro líquido. Pode-se adaptar o programa para outras configurações de sensores, mas o usuário deve testar cuidadosamente o programa registrador em campo após quaisquer modificações. Se muitas novas linhas de código complexo forem adicionadas ao programa, ele pode não funcionar corretamente; especialmente quando o anemômetro sônico é amostrado no modo serial em vez de analógico. O programa está disponível para download em: <sites.google.com/site/tmshapland>.
    2. Verifique os valores de dados de todos os sensores para ver se tudo está funcionando corretamente.
      1. Observação: Se alguma dessas variáveis estiver produzindo 'NAN' na tabela de status do programa de interface do registrador, o sensor correspondente e sua conexão com o registrador precisam ser verificados. Depois de fazer as correções necessárias, retorne ao computador e certifique-se de que o sinal não esteja mais produzindo 'NAN'.
  3. A configuração descrita abaixo é para um sistema SR com um termopar de fio fino, e a fiação é descrita para corresponder aos comandos do registrador de dados incorporados no programa turnkey descrito abaixo.
    1. Assim que uma posição apropriada for identificada para sua estação no campo de estudo, configure a torre (CM6- Figura 1). Estabilize os pés da torre usando as estacas fornecidas, bata a longa haste de aterramento de cobre no solo com uma mini-marreta em um local que não interfira nas placas de fluxo de calor do solo - veja abaixo) e conecte a haste de aterramento à torre usando o fio de bitola grossa e os conectores fornecidos.
    2. Conecte o gabinete do registrador de dados ao eixo principal da torre usando os parafusos em U fornecidos pelo fabricante (Figura 1).
    3. Instale as duas placas de fluxo de calor do solo (ou seja, G1 e G2) com ponto branco para cima a uma profundidade de 5 cm no espaço entre as linhas, longe dos emissores de irrigação por gotejamento (Figura 4). A instalação deve garantir um bom contato térmico com o solo e os fios de extensão que levam de volta ao registrador de dados devem ser enterrados para evitar danos ao serem arrancados do solo.
      1. Conecte os fios da placa de fluxo de calor aos canais 3 e 4 do registrador de dados como sensores de entrada diferencial (G1: fio preto 3H, fio vermelho 3L - e G2: fio preto 4H, fio vermelho 4L). Os códigos listados neste documento correspondem aos rótulos dos canais do registrador de dados e serão usados em todo o restante do manuscrito. Os detalhes de todos os sensores estão listados na Tabela 1.
      2. Nota: A termopilha dentro da placa de fluxo de calor do solo mede o gradiente de temperatura em um material com propriedades térmicas conhecidas para chegar à densidade do fluxo de energia. Cada placa é calibrada pelo fabricante. Como as placas de fluxo de calor do solo não podem ser colocadas diretamente no topo do solo sem interceptar a radiação solar, elas devem ser enterradas abaixo da superfície do solo. A densidade do fluxo de energia na profundidade das placas de fluxo de calor do solo não é a mesma na densidade do fluxo de energia na superfície porque alguma energia é armazenada na camada do solo acima da placa, então um conjunto de sensores de temperatura do solo conectados em paralelo são instalados na camada acima das placas.
    4. Instale o termopar de solo (1 cabo com 4 sondas conectadas em paralelo, denominado Ts) para abranger o volume de solo acima da placa de fluxo de calor do solo para levar em conta a mudança no armazenamento de calor acima das placas (Figura 4).
      1. Conecte o termopar de solo ao registrador de dados no canal 5 como sensor diferencial (Ts: fio roxo 5H, fio vermelho 5L).
      2. Nota: A temperatura da camada do solo é medida inserindo sondas de temperatura do solo em um ângulo de perto da parte inferior até perto do topo da camada do solo (aproximadamente cerca de 0,04-0,01 m abaixo da superfície do solo). É importante que as sondas de temperatura não sejam inseridas muito perto da superfície. Se o solo rachar, a radiação e/ou o fluxo de calor sensível de ou para os sensores podem causar dados falsos. Geralmente, é melhor não colocar os sensores de temperatura a menos de 0,01 m da superfície do solo; e a colocação mais profunda é necessária em solos que apresentam grandes rachaduras devido à secagem do solo5.
    5. Instale o radiômetro de rede (denominado Rn-Figura 5) na lança do braço cruzado acima do dossel e apontando para o sul.
      1. Conecte o radiômetro de rede ao registrador de dados no canal 2 como sensor diferencial (Rn: fio branco 2H, fio verde 2L, terra de sinal blindado (nu)
    6. Instale o termopar de fio fino (denominado TC1 - Figura 6) em uma extremidade do braço transversal e acima do dossel (a altura dependerá das plantas que crescem em um determinado campo e da busca necessária); a temperatura do ar será amostrada em 10 Hz. Os termopares usados para essas medições têm normalmente 76 μm de diâmetro.
      1. Conecte o termopar de fio fino ao registrador de dados no canal 1 como um sensor diferencial onde o fio roxo vai para 1H, fio vermelho para 1L, fio claro para sinalizar terra.
      2. Nota: Veja detalhes abaixo sobre a manutenção do termopar quando o sistema estiver instalado e funcionando.
    7. Instale o anemômetro sônico (Figura 7) na outra extremidade do braço transversal (ou seja, oposto ao termopar de fio fino) usando o encaixe da junta Nu-rail para medir as velocidades tridimensionais do vento e a temperatura sônica a 10 Hz para calcular o fluxo de calor sensível à covariância parasita. Instale o anemômetro sônico de forma que o centro da área de medição fique localizado na mesma altura do termopar de fio fino.
      1. Observação: o anemômetro sônico requer reconfiguração das configurações de fábrica antes da implantação em campo para emitir os sinais desejados (para obter mais informações, consulte o Instructions.pdf de reconfiguração RM Young Modelo 81000RE disponível em sites.google.com/site/tmshapland).
      2. A densidade de fluxo de calor sensível não calibrada obtida pela análise de renovação de superfície é então calibrada determinando a inclinação da regressão linear dos mínimos quadrados da covariância do vórtice versus densidade de fluxo de calor sensível SR.
    8. Conecte a fonte de alimentação ao registrador de dados.
    9. Conecte um laptop ao registrador de dados usando a porta do cabo RS-232 (não isolada) na parte frontal do registrador de dados. Carregue o programa de registro de dados pronto para uso se esta etapa ainda não tiver sido realizada no laboratório.
      1. O programa é escrito para um conjunto específico de instrumentos, ou seja, um anemômetro sônico, duas placas de fluxo de calor, um termopar de solo, um termopar de ar de fio fino e um radiômetro de rede. Pode-se adaptar o programa para outras configurações de sensores, mas o usuário deve testar cuidadosamente o programa registrador em campo após quaisquer modificações. Se muitas novas linhas de código complexo forem adicionadas ao programa, ele pode não funcionar corretamente; especialmente quando o anemômetro sônico é amostrado no modo serial em vez de analógico. O programa está disponível para download em: sites.google.com/site/tmshapland. Mais detalhes sobre o programa e seu uso podem ser encontrados em nossa recente publicação6.
    10. Verifique os valores de dados de todos os sensores para ver se tudo está funcionando corretamente.
      1. Observação: Se alguma dessas variáveis estiver produzindo 'NAN' na tabela de status do programa de interface do registrador, o sensor correspondente precisará ser verificado ou substituído. Ao fazer ajustes no sensor ou em sua fiação, retorne ao computador e certifique-se de que o sinal não esteja mais produzindo um 'NAN'.
  4. Faça a manutenção da estação usando as etapas a seguir quando a estação estiver funcional.
    1. Desaparafuse a junta Nu-Rail e abaixe o mastro vertical principal que segura o radiômetro de rede.
    2. Dobre o fio do termopar isolado em sua junção com o cilindro de metal. Mergulhe cuidadosamente os fios do termopar expostos (ou seja, a ponta do termopar) no suco de limão, certificando-se de não bater os fios expostos contra o frasco. Limpe o suco de limão do sensor mergulhando os fios na jarra de água deionizada (DI). Endireite novamente o fio do termopar em sua junção com o cilindro de metal.
    3. Pulverize o radiômetro de rede com água DI. Seque com lenços absorventes. Levante o mastro vertical até sua posição original, reaperte os parafusos de fixação Nu-Rail e nivele o radiômetro de rede.
    4. Tire fotos da torre para registrar quaisquer mudanças no dossel da planta ao longo do tempo.
    5. Processe os dados de fluxo de balanço de energia coletados; a tabela de saída do programa de registro de dados pronto para uso contém os Rn, G, H e LE já transformados. Veja nosso trabalho recente para obter mais detalhes sobre a saída do programa de registro de dados turnkey6,7.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Resultados

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

Adquirir os componentes R, n e G da equação do balanço de energia é relativamente simples e barato. As medições de H são mais complexas e requerem traços de temperatura de alta frequência medidos com um termopar de fio fino para renovação da superfície ou um anemômetro sônico para covariância de vórtices. Um exemplo de traço de temperatura medido com um termopar de fio fino é representado na Figura 9 e mostra a necessidade de análise matemática para extrair o sinal d...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Discussão

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

O método de renovação de superfície apresenta uma oportunidade tangível para desenvolver uma técnica autônoma e barata para quantificar o uso de água das culturas em tempo real. Avanços recentes no processamento de sinais, programação de registradores de dados, calibração e gerenciamento de dados colocaram esse objetivo em foco. Este manuscrito e nosso programa de registro de dados pronto para usorecentemente desenvolvido 6 tornam os métodos micrometeorológicos avançados mais acessíveis para pesquisadores agrí...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Divulgações

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

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes no momento.

Agradecimentos

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

O apoio parcial para esta pesquisa foi fornecido pela J. Lohr Vineyards & Wines, pelo National Grape and Wine Institute, uma doação da Iniciativa de Pesquisa de Culturas Especiais do NIFA para a AJM e financiamento do USDA-ARS CRIS (Projeto de Pesquisa # 5306-21220-004-00).

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Registrador de dadosCampbell Scientific, Inc.CR1000
Campbell Scientific, Inc.Torre ENC12/14-SC
(6 pés) com aterramento e pára-raiosCampbell Scientific, Inc.Braço transversal CM6
(4 pés)Campbell Scientific, Inc.CM204
Encaixe de crossover Nu-railCampbell Scientific, Inc.17953
Fonte de alimentação (12 V) com regulador e bateriaCampbell Scientific, Inc.PS100
(12 V)Campbell Scientific, Inc.CH100
Campbell Scientific, Inc.6186
Cabo de extensão de termoparCampbell Scientific, Inc.FWC-20
TermoparesCampbell Scientific, Inc.FW3
Anemômetro sônico 3D com pescoço longoRM Young Company81000 RE
8 cabo condutor para anemômetroRM Young Company18660
Placas de fluxo de calor do soloREBS, Inc.HFT3.1
Termopares do soloCampbell Scientific, Inc.Radiômetro TCAV
Net com caboKipp e Zonen, Inc.NR Lite 2
Suporte de poste para serviço pesado para radiômetroKipp e Zonen, Inc.L-CMB1
Gabinete do registrador de dados Regulador do carregador Cabo de extensão de bateria

Referências

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

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Reimpressões e permissões

Solicitar permissão para reutilizar o texto ou as figuras deste artigo JoVE

Solicitar permissão

Etiquetas

Covari ncia de FluxosAquisi o de Dados de FluxoPrograma de Logger de DadosConfigura o de Esta o de CampoInstala o de SensoresMedi o de Evapotranspira oGest o de Irriga oEcossistemas Agr colas

Artigos relacionados