Renovação de superfície: um método micrometeorológico avançado para medir e processar dados de densidade de fluxo de energia em escala de campo
12 de dezembro de 2013
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.
O objetivo geral deste procedimento é instalar um sistema de renovação de superfície para medir e processar dados de densidade de fluxo de energia em escala de campo. Isso é feito instalando primeiro o gabinete do registrador de dados da torre e o painel solar no campo. O segundo passo é fixar os sensores na torre.
Em seguida, os fios do sensor são conectados ao registrador de dados. A etapa final é fazer a interface com o registrador de dados com um laptop, carregar o programa no registrador de dados e verificar se o registrador de dados está recebendo sinais dos sensores. Em última análise, a renovação da superfície é usada para medir a evapotranspiração de um ecossistema, fornecendo informações úteis aos produtores para tomar decisões de irrigação em uma variedade de ecossistemas agrícolas.
Embora o método forneça informações sobre o uso agrícola e urbano da água, ele também tem aplicações em ecossistemas naturais, por exemplo, em silvicultura e em zonas úmidas. As implicações desta técnica se estendem ao manejo da irrigação, pois a evapotranspiração é a principal causa de perda de água dos sistemas de produção agrícola. Geralmente, os indivíduos que são novos nesse método terão dificuldades porque não sabem como instalar o equipamento ou verificar se ele está funcionando corretamente.
Tivemos a ideia desse método pela primeira vez quando as observações dos dados de turbulência nos levaram a adaptar o conceito de renovação da superfície da engenharia química para a ciência atmosférica. Este procedimento será demonstrado pelos membros de nossa equipe, Rick Snyder e PA e pós-doutorandos, Arturo Calderone e Tom Chaplin. Comece este experimento estabelecendo a localização da estação de campo e avaliando a direção do vento conforme descrito no protocolo de texto.
Prepare o máximo possível do equipamento no laboratório antes de ir para o campo. Primeiro, conecte os sensores ao registrador de dados. Em seguida, conecte o cabo RS 2 32 entre um laptop e a porta do registrador de dados.
Abra o programa de interface para se comunicar com o registrador de dados e, em seguida, conecte-se a ele. Em seguida, carregue o programa de registro de dados pronto para uso no registrador de dados. Verifique os valores de dados de todos os sensores para ver se tudo está funcionando corretamente.
Uma vez identificada uma posição apropriada para a estação no campo de estudo, monte a torre, 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 no solo. Placas de fluxo de calor.
Conecte a haste de aterramento à torre usando um fio de bitola grossa e os conectores fornecidos. Conecte o gabinete do registrador de dados ao eixo principal da torre usando os parafusos em U fornecidos pelo fabricante. Instale as duas placas de fluxo de calor do solo com o ponto branco para cima a um comprimento de cinco centímetros no espaço entre as linhas, longe dos emissores de irrigação por gotejamento.
Conecte os fios da placa de fluxo de calor aos canais três e quatro do registrador de dados como sensores de entrada diferencial. Instale o termopar do solo para abranger o volume do solo acima da placa de fluxo de calor do solo para levar em conta a mudança no armazenamento de calor acima das placas. Conecte o termopar de solo ao registrador de dados no canal cinco como um sensor diferencial.
Instale o radiômetro de rede no braço transversal. Boom acima do dossel e apontando para o sul. Conecte o radiômetro de rede ao registrador de dados no canal dois.
Como um sensor diferencial. Instale o termopar de fio fino em uma extremidade do braço transversal e acima do dossel. A temperatura do ar será amostrada em termopares de 10 hertz.
Usado para essas medições são normalmente um diâmetro de 76 mícrons. Conecte o termopar de fio fino ao registrador de dados no canal um como um sensor diferencial onde o fio roxo vai para um H, o fio vermelho para um L e o fio transparente para o aterramento do sinal. Instale o anemômetro sônico na outra extremidade do braço transversal usando o novo encaixe da junta do trilho para medir as velocidades tridimensionais do vento e a temperatura sônica a 10 hertz.
Para calcular o fluxo de calor sensível à variância do Co Eddy. Instale o anemômetro sônico de forma que o centro da área de medição fique localizado na mesma altura do termopar de fio fino. Em seguida, conecte a fonte de alimentação ao registrador de dados.
Conecte um laptop ao registrador de dados usando a porta do cabo RS 2 32 na parte frontal do registrador de dados. Usando o programa de registro de dados pronto para uso. Verifique os valores de dados de todos os sensores para garantir que tudo esteja funcionando corretamente.
Desaparafuse a nova junta do trilho e abaixe o mastro vertical principal que segura o radiômetro de rede. Dobre o fio do termopar isolado em sua junção com o cilindro de metal. Mergulhe cuidadosamente os fios do termopar expostos em uma jarra de suco de limão, certificando-se de não bater os fios expostos contra a jarra.
Limpe o suco de limão do sensor mergulhando os fios em uma jarra de água deionizada. Endireite novamente o fio do termopar em sua junção com o metal. Pulverize o radiômetro de rede com água deionizada e seque-o com lenços absorventes.
Levante o mastro vertical até sua posição original. Reaperte os novos parafusos de fixação do trilho e nivele o radiômetro de rede. Um exemplo de traço de temperatura medido com um termopar de fio fino é representado aqui.
Esse traço mostra a necessidade de análise matemática para extrair o sinal desses dados brutos. A inspeção visual desses dados revela três ou quatro rampas primárias que terminam em aproximadamente 12, 35, 46 e 72 segundos. Todos os componentes do balanço energético seguem um padrão diurno semelhante, com valores de pico ocorrendo no meio do dia.
A radiação líquida é positiva durante o dia, pois a superfície recebe mais radiação do que perde, e negativa à noite, pois a superfície perde mais radiação do que recebe. Exibindo a curva diurna esperada para os dias ensolarados de primavera no norte da Califórnia. A densidade do fluxo de calor do solo também segue um padrão diurno.
É positivo durante o dia, pois a energia é conduzida da superfície para o solo e negativo à noite. À medida que mais energia é conduzida de baixo para a superfície mais fria, o fluxo de calor latente segue a curva diurna esperada sobre uma cultura com água adequada. Durante o tempo bom, a radiação líquida é a fonte de energia dominante para a evapotranspiração.
Portanto, os valores de densidade de fluxo de calor latente rastreiam as mudanças na radiação líquida durante o dia em uma cultura que transpira ativamente. Espera-se que a maior parte da energia disponível durante condições de radiação líquida positiva seja dividida em densidade de fluxo de calor latente em vez de densidade de fluxo de calor sensível e densidade de fluxo de calor do solo. Durante as noites de vento, o fluxo de calor latente foi próximo de zero, enquanto foi negativo durante as noites calmas, possivelmente indicando condensação.
No entanto, a contribuição diurna para o fluxo de calor latente supera em muito a contribuição noturna. Portanto, as incertezas nos valores noturnos são interessantes, mas relativamente sem importância. Os valores diários de evapotranspiração cumulativa concordam bem com a estação de renovação da superfície e um lisímetro de pesagem situado lado a lado.
Em um campo de pesagem de trigo, os lisímetros são considerados um padrão-ouro para estimativas de evapotranspiração a partir de superfícies de culturas. Na maioria dos dias, a evapotranspiração cumulativa da estação de renovação da superfície foi ligeiramente superior aos valores do Lysimeter.Tower. As medições representam fluxos de uma área mais ampla do que as medições do lisímetro e, no momento dessas medições, o trigo no lisímetro era aproximadamente 10 centímetros mais curto e menos denso do que as plantas e o restante do campo.
Portanto, valores mais altos de evapotranspiração da torre de fluxo eram esperados durante a instalação do equipamento. É importante verificar se os sensores estão retornando valores para o registrador antes de sair do local Seguindo este procedimento. Outras medições, como o potencial hídrico foliar, podem ser usadas para responder a outras perguntas, como o estado da água da planta após seu desenvolvimento.
Essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo da agricultura explorarem o uso de água em escala de campo em uma variedade de culturas.
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Visão Geral
Este artigo descreve a instalação e calibração de um sistema de renovação de superfície para medir a densidade de fluxo de energia em ecossistemas. O método é particularmente útil para compreender a evapotranspiração, auxiliando nas decisões de irrigação agrícola.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Micrometeorologia
- Medição de fluxo de energia
- Ciência agrícola
Antecedentes
- A renovação da superfície é um método para determinar os fluxos de energia.
- A complexidade técnica limita o acesso a públicos mais amplos.
- Compreender a evapotranspiração é essencial para as práticas agrícolas.
- Medições precisas podem orientar decisões de irrigação.
Objetivo do Estudo
- Fornecer um guia passo a passo para a instalação de uma estação de campo de renovação superficial.
- Facilitar a aquisição e o processamento de dados.
- Aprimorar a interpretação dos resultados para aplicações práticas.
Métodos Utilizados
- Instalação do invólucro do registrador de dados da torre e do painel solar.
- Fixação dos sensores na torre e conexão dos fios ao registrador de dados.
- Conexão do registrador de dados a um laptop.
- Carregamento do programa e verificação da recepção de sinal dos sensores.
Resultados Principais
- Instalação bem-sucedida do sistema de renovação superficial.
- O datalogger recebe sinais dos sensores de forma eficaz.
- O sistema fornece medições confiáveis da evapotranspiração.
- As informações são benéficas para decisões de irrigação agrícola.
Conclusões
- A renovação da superfície é uma ferramenta valiosa para medir fluxos de energia.
- A configuração e calibração adequadas são essenciais para obter dados precisos.
- O método pode auxiliar significativamente nas práticas de manejo agrícola.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A medição em escala de campo da densidade de fluxo de energia usando a renovação da superfície fornece dados acionáveis para otimizar o manejo da água em pesquisas agrícolas e ambientais. Este método aumenta a confiança preditiva nas estimativas de evapotranspiração, apoiando decisões ajustadas ao risco no manejo de cultivos e ecossistemas. Sua integração racionaliza a aquisição e o processamento de dados, reduzindo barreiras operacionais para equipes multidisciplinares de P&D.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite avaliação quantitativa do uso de água no ecossistema para estudos orientados por hipóteses.
- Auxilia na redução de riscos mecanicistas ao esclarecer os caminhos dos fluxos de energia e água em ambientes de campo.
- Facilita a validação funcional de intervenções ambientais que afetam o desempenho de culturas ou sistemas modelo.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Prepara sistemas de medição validados em escala de campo para fluxos de trabalho de triagem ambiental ou agrícola posteriores.
- Padroniza a coleta e o processamento de dados, garantindo reprodutibilidade e comparabilidade entre locais e estudos.
- Fornece saídas quantitativas adequadas para comparação de referência e avaliação entre diferentes condições.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha medições em escala de campo com pesquisas translacionais sobre o uso de água pelas culturas e intervenções ambientais.
- Permite a continuidade do descobrimento até a validação pré-clínica em sistemas modelos agrícolas e ecológicos.
- Apoia o avanço de estratégias de manejo de água ajustado ao risco, com base em dados de campo robustos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
A medição de renovação superficial integra-se desde a descoberta inicial até a pesquisa translacional, proporcionando uma ponte entre a aquisição de dados de campo e insights acionáveis para P&D agrícola e ambiental.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a elucidação mecanicista dos fluxos de água e energia em sistemas complexos.
- Triagem: Fornece dados padronizados, reprodutíveis e quantitativos em escala de campo para análise comparativa.
- Análises: Oferece dados de fluxo processados e parâmetros de controle de qualidade para avaliação estatística robusta.
- Pesquisa Translacional: Permite alinhar medições de campo com objetivos de pesquisa pré-clínica e aplicada.
- Reutilização Empresarial: Oferece uma plataforma pronta para uso e de código aberto, adaptável a diversos ambientes agrícolas e ambientais.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista em estudos de uso da água.
- Valor Operacional: Agiliza a instalação, calibração e processamento de dados para implantação em larga escala.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguir ou não em estratégias de irrigação e manejo de recursos.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de intervenções em diversos tipos de cultivos e ecossistemas.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em micrometeorologia, instrumentação e análise de dados.
- Necessita de sensores implantáveis em campo, registradores de dados e calibração com sistemas de covariância de vórtices.
- Exige padronização entre equipes para garantir qualidade e comparabilidade dos dados.
- Adaptável a uma variedade de culturas e ecossistemas naturais com configuração apropriada.
- Depende de uma infraestrutura robusta de gerenciamento de dados e controle de qualidade.
