Методическая статья

Обновление поверхности: усовершенствованный микрометеорологический метод измерения и обработки данных о плотности потока энергии в полевых масштабах

DOI:

10.3791/50666

⸱

12 декабря 2013 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
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.

В этой статье

Краткое содержание

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

Обновление поверхности - это микрометеорологический метод, который все чаще используется для определения потоков энергии, но его техническая сложность делает его недоступным для широкой аудитории. Мы описываем шаги, необходимые для настройки и калибровки полевой станции обновления поверхности, для сбора и обработки данных, а также для правильной интерпретации результатов.

Аннотация

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

Передовые микрометеорологические методы становятся все более важными в науках о почве, сельскохозяйственных культурах и окружающей среде. Для многих ученых, не имеющих формального образования в области наук об атмосфере, эти методы относительно недоступны. Обновление поверхности и другие методы измерения потоков требуют понимания метеорологии пограничного слоя и обширной подготовки по работе с контрольно-измерительными приборами и многочисленными программами управления данными. Чтобы повысить доступность этих методов, мы описываем базовую теорию измерений обновления поверхности, демонстрируем, как настроить полевую станцию для обновления поверхности с помощью вихревой ковариационной калибровки, а также используем нашу готовую программу регистрации данных с открытым исходным кодом для сбора и обработки данных о потоках. Новая готовая программа возвращает пользователю простую таблицу данных с скорректированными потоками и параметрами контроля качества, а также избавляет исследователей от необходимости переключаться между несколькими программами обработки для получения окончательных данных о потоках. Пример данных, полученных в результате этих измерений, демонстрирует, как измеряется потребление воды растениями с помощью этого метода. Полученная информация полезна для фермеров при принятии решений по орошению в различных сельскохозяйственных экосистемах. Эти станции в настоящее время используются в многочисленных полевых экспериментах исследователей нашей группы и Калифорнийского департамента водных ресурсов на следующих культурах: рис, вино и изюм винограда, виноградники, люцерна, миндаль, грецкий орех, персик, лимон, авокадо и кукуруза.

Введение

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

Нехватка воды угрожает устойчивости сельского хозяйства в регионах засушливого выращивания. Эта ситуация, вероятно, ухудшится с изменением климатических условий и усилением конкуренции между сельскохозяйственными, муниципальными, промышленными и природоохранными организациями за ограниченные запасы воды. Чтобы справиться с этой постоянной дилеммой, производители постоянно ищут способы повышения эффективности орошения, и технологии, которые лучше оценивают использование воды растениями (т.е. эвапотранспирация, ET) в режиме реального времени, а также более совершенные агрометеорологические методы, безусловно, помогут в этих усилиях. Современные технологии, используемые производителями для оценки ET, зависят от использования эталонной эвапотранспирации (ET0) и эмпирического коэффициента урожайности (Kc), оба из которых очень подвержены ошибкам оценки. Агрометеорологи также измеряют ЭТ для оценки экспериментальных методов обработки для повышения эффективности использования воды сельскохозяйственнымикультурами1 и для параметризации региональных стратегий распределенияводы2, но эти методы являются высокотехнологичными и дорогостоящими. В настоящее время предпринимаются усилия по преобразованию существующих методов измерения ЭТ, основанных на научных исследованиях, в экономически эффективные и удобные для использования технологии для производителей.

Обновление поверхности (SR) - это один из агрометеорологических методов, используемых для измерения ET урожая. SR основан на анализе энергетического баланса воздушных посылок, которые эфемерно находятся в растительном покрове во время процесса турбулентного обмена3, измеренного с помощью станции, показанной на рисунке 1 и теоретически проиллюстрированной на рисунке 2 и фильме 1. В данных временных рядов турбулентных температур воздушные участки проявляются в виде пандусообразных форм, а амплитуда и период пандусов используются для расчета плотности потока (рис. 2 и 3). При использовании метода SR ET для данной поверхности культуры определяется путем вычисления плотности скрытого теплового потока (LE) как остатка следующего уравнения энергетического баланса
LE=R n-G-H,

Здесь LE - плотность потока энергии, связанная с изменением фазы воды с поверхности урожая, Rn - чистое излучение, G - плотность теплового потока почвы (т.е. энергия, проводимая в землю или из нее), и H - ощутимая плотность теплового потока (т.е. плотность потока энергии от поверхности к воздуху или наоборот, которая приводит к изменению температуры). Rn — положительное число, когда чистый поток направлен вниз (энергия, присоединенная к поверхности), LE и H — положительные числа, когда поток направлен вверх (энергия, добавленная в воздух), а G — положительное число, когда поток направлен вниз (энергия, добавленная в почву). LE (МДж/м2сек) затем делится на скрытую теплоту испарения (L=2,45 МДж/кг) для получения массовой плотности потока водяного пара с поверхности (т.е. ET).

Измерения R, n и G относительно просты и недороги. Прямые измерения H являются более сложными и требуют сбора данных с высокой частотой. Наиболее распространенным методом определения H является вихревая ковариация; однако звуковой анемометр, необходимый для этого метода, является дорогим, сложным и, следовательно, не широко используется агрономами, садоводами или инженерами для определения H и LE. С другой стороны, H, полученный методом SR, получен более простым и менее дорогим методом, в котором используются термопары с тонкой проволокой для измерения высокочастотных температур воздуха на границе раздела поверхность-атмосфера. Несмотря на простоту SR, текущие измерения по-прежнему требуют калибровки по вихревой ковариационной оценке H звукового анемометра для получения ощутимой плотности теплового потока.

Успешное развертывание башни потока SR для измерений ET может быть сложной задачей, особенно для многих исследователей в сельском хозяйстве, не имеющих формального образования в области наук об атмосфере. Измерения SR и вихревой ковариации требуют сложных технических навыков как в программировании регистраторов данных для выполнения задач со сложными приборами, так и в написании компьютерных программ для последующей обработки необработанных данных турбулентности в значимые потоки. В этой статье мы расскажем, как настроить полевую станцию, установить датчики и использовать нашу новую готовую программу регистратора данных для сбора и последующей обработки данных.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

  1. Выполните анализ направления ветра и контакта перед установкой на месторождении; этот шаг важен для того, чтобы убедиться, что башня расположена правильно для улавливания репрезентативного потока на исследуемом поле.
    1. Перед установкой полевой станции необходимо оценить преобладающее направление ветра на изучаемом участке и определить, сколько выборки (расстояние против ветра) необходимо для вашего конкретного применения. Расстояние до выборки зависит от высоты измеряемой поверхности и высоты приборов4. Как правило, подъем составляет 100 метров по ветру на каждый метр выше средней точки купола, где расположены датчики.
  2. В зависимости от потребностей конкретной конфигурации прикрепите датчики к регистратору данных и подготовьте как можно больше оборудования перед отправкой в поле. Установите программу в средство ведения журнала перед развертыванием в полевых условиях и проверьте правильность его работы, выполнив описанные ниже действия.
    1. Подключите ноутбук к регистратору данных с помощью кабельного порта RS-232 (не изолированного) на передней панели регистратора данных, откройте программу интерфейса для связи с регистратором данных и подключитесь к регистратору данных. Затем загрузите готовую программу регистратора данных в регистратор данных. Для связи с регистратором данных также можно использовать стандартные USB-кабели и сотовые телефоны.
      1. Программа написана для определенного набора инструментов, а именно: 3-D звукового анемометра, двух пластин теплового потока, термопары для грунта, тонкопроводовой воздушной термопары и сетевого радиометра. Можно адаптировать программу под другие конфигурации датчиков, но после любых модификаций пользователь должен тщательно протестировать программу регистратора в полевых условиях. Если в программу добавляется много новых строк сложного кода, то она может не функционировать должным образом; Особенно когда звуковой анемометр дискретизируется в последовательном, а не аналоговом режиме. Программа доступна для скачивания по адресу: <sites.google.com/site/tmshapland>.
    2. Проверьте значения данных для всех датчиков, чтобы убедиться, что все работает правильно.
      1. Примечание: Если какая-либо из этих переменных выдает «NAN» в таблице состояния интерфейсной программы регистратора, то необходимо проверить соответствующий датчик и его подключение к регистратору. После внесения необходимых исправлений вернитесь к компьютеру и убедитесь, что сигнал больше не выдает 'NAN'.
  3. Описанная ниже конфигурация предназначена для системы SR с одной термопарой тонкого провода, а проводка описана в соответствии с командами регистратора данных, встроенными в готовую программу, описанную ниже.
    1. После того, как подходящее положение для вашей станции будет определено на поле исследования, установите башню (CM6 - Рисунок 1). Стабилизируйте основания башни с помощью прилагаемых кольев, вбейте длинный медный заземляющий стержень в грунт с помощью мини-кувалды в месте, которое не будет мешать пластинам теплового потока почвы - см. ниже), и соедините заземляющий стержень с башней с помощью толстого провода и прилагаемых разъемов.
    2. Прикрепите корпус регистратора данных к главной оси башни с помощью U-образных болтов, предоставленных производителем (Рисунок 1).
    3. Установите две пластины теплового потока почвы (т.е. G1 и G2) белой точкой вверх на глубине 5 см в междурядье вдали от излучателей капельного орошения (рис. 4). Установка должна обеспечивать хороший тепловой контакт с почвой, а удлинительные провода, ведущие обратно к регистратору, должны быть заглублены во избежание повреждений в результате отрыва от почвы.
      1. Подключите провода пластины теплового потока к каналам регистратора данных 3 и 4 в качестве датчиков дифференциального ввода (G1: черный провод 3H, красный провод 3L - и G2: черный провод 4H, красный провод 4L). Коды, перечисленные в этом документе, совпадают с метками для каналов регистратора данных и будут использоваться во всей остальной части рукописи. Подробная информация обо всех датчиках приведена в таблице 1.
      2. Примечание: Термобатарея внутри наземной пластины теплового потока измеряет градиент температуры на материале с известными тепловыми свойствами для получения плотности потока энергии. Каждая пластина калибруется производителем. Поскольку пластины теплового потока грунта не могут быть размещены непосредственно на поверхности почвы без перехвата солнечного излучения, они должны быть закопаны под поверхностью почвы. Плотность потока энергии на глубине пластин теплового потока почвы отличается от плотности потока энергии на поверхности, потому что некоторая энергия накапливается в слое почвы над пластиной, поэтому набор датчиков температуры почвы, подключенных параллельно, устанавливается в слое над пластинами.
    4. Установите почвенную термопару (1 кабель с 4 зондами, подключенными параллельно, называемые Ts), чтобы охватить объем почвы над пластиной теплового потока земли, чтобы учесть изменение аккумулирующего тепла над пластинами (Рисунок 4).
      1. Подключите термопару почвы к регистратору данных на канале 5 в качестве дифференциального датчика (Ts: фиолетовый провод 5H, красный провод 5L).
      2. Примечание: Температура слоя почвы измеряется путем установки датчиков температуры почвы под углом от нижней части к верхней части слоя почвы (примерно на 0,04-0,01 м ниже поверхности почвы). Важно, чтобы датчики температуры не вставлялись слишком близко к поверхности. Если почва трескается, излучение и/или ощутимый тепловой поток к датчикам или от них могут привести к получению ложных данных. Как правило, лучше всего не располагать датчики температуры ближе 0,01 м от поверхности почвы; А более глубокое размещение необходимо в почвах, которые имеют большие трещины из-за пересыхания почвы5.
    5. Установите сетевой радиометр (названный Rn-Рисунок 5) на стреле поперечного рычага над навесом и направленном на юг.
      1. Подключите сетевой радиометр к регистратору данных на канале 2 в качестве дифференциального датчика (Rn: белый провод 2H, зеленый провод 2L, экранное (голое) сигнальное заземление)
    6. Установите термопару из тонкой проволоки (названную TC1 - Рисунок 6) на одном конце поперечного рычага и над навесом (высота будет зависеть от растений, растущих на конкретном поле, и требуемой выборки); температура воздуха будет измеряться на частоте 10 Гц. Термопары, используемые для этих измерений, обычно имеют диаметр 76 мкм.
      1. Подключите термопару тонкого провода к регистратору данных на канале 1 в качестве дифференциального датчика, где фиолетовый провод идет на 1H, красный провод на 1L, чистый провод на сигнальную землю.
      2. Примечание: Ниже приведена подробная информация о техническом обслуживании термопары после того, как система будет введена в эксплуатацию.
    7. Установите звуковой анемометр (рис. 7) на другом конце поперечного рычага (т.е. напротив термопары с тонкой проволокой) с помощью соединительного фитинга Nu-rail для измерения трехмерных скоростей ветра и звуковой температуры на частоте 10 Гц для расчета чувствительного теплового потока вихревой ковариации. Установите звуковой анемометр таким образом, чтобы центр измеряемой области находился на той же высоте, что и термопара с тонкой проволокой.
      1. Примечание: звуковой анемометр требует повторной настройки по сравнению с заводскими настройками перед развертыванием в полевых условиях для вывода желаемых сигналов (для получения дополнительной информации см. Instructions.pdf реконфигурации RM Young Model 81000RE по адресу sites.google.com/site/tmshapland).
      2. Некалиброванная плотность ощутимого теплового потока, полученная в результате анализа поверхностного обновления, затем калибруется путем определения наклона линейной регрессии вихревой ковариации по методу наименьших квадратов в зависимости от плотности чувствительного теплового потока SR.
    8. Подключите блок питания к регистратору данных.
    9. Подключите ноутбук к регистратору данных с помощью кабельного порта RS-232 (не изолированного) на передней панели регистратора данных. Загрузите готовую программу регистратора данных, если этот шаг еще не был выполнен в лаборатории.
      1. Программа написана для определенного набора инструментов, а именно: звукового анемометра, двух пластин теплового потока, термопары для грунта, термопары для тонкой проволоки и сетевого радиометра. Можно адаптировать программу под другие конфигурации датчиков, но после любых модификаций пользователь должен тщательно протестировать программу регистратора в полевых условиях. Если в программу добавляется много новых строк сложного кода, то она может не функционировать должным образом; Особенно когда звуковой анемометр дискретизируется в последовательном, а не аналоговом режиме. Программа доступна для скачивания по адресу: sites.google.com/site/tmshapland. Более подробную информацию о программе и ее использовании можно найти в нашей недавней публикации6.
    10. Проверьте значения данных для всех датчиков, чтобы убедиться, что все работает правильно.
      1. Примечание: Если какая-либо из этих переменных выдает «NAN» в таблице состояния интерфейсной программы регистратора, то соответствующий датчик необходимо проверить или заменить. После внесения изменений в датчик или его проводку вернитесь к компьютеру и убедитесь, что сигнал больше не производит «NAN».
  4. После того как станция начнет функционировать, выполните следующие действия, выполните следующие действия.
    1. Открутите шарнир Nu-Rail и опустите основную вертикальную мачту, на которой установлен сетчатый радиометр.
    2. Согните изолированный провод термопары в месте его соединения с металлическим цилиндром. Осторожно окуните открытые провода термопары (т.е. самый кончик термопары) в лимонный сок, стараясь не ударить оголенные провода о банку. Очистите датчик от лимонного сока, опустив провода в банку с деионизированной (DI) водой. Выпрямите провод термопары в месте его соединения с металлическим цилиндром.
    3. Опрыскайте сетчатый радиометр деионизированной водой. Высушите его впитывающими салфетками. Поднимите вертикальную мачту в исходное положение, снова затяните установочные винты Nu-Rail и выровняйте сетчатый радиометр.
    4. Сделайте фотографии башни, чтобы зафиксировать любые изменения в растительном пологе с течением времени.
    5. Обработка собранных данных потока в энергетическом балансе; выходная таблица из готовой программы регистратора данных содержит уже преобразованные Rn, G, H и LE. Ознакомьтесь с нашей недавней работой для получения более подробной информации о готовом программном регистраторе данных Output6,7.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Получение компонентовRn и G уравнения энергетического баланса относительно просто и недорого. Измерения H являются более сложными и требуют высокочастотных температурных трасс, измеренных с помощью термопары из тонкой проволоки для обновления поверхности или звукового анемометра для вихревой ковариации. Пример температурной кривой, измеренной с помощью термопары с тонкой проволокой, представлен на рисунке 9 и показывает необходимость математического анализа для извле...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Метод обновления поверхности предоставляет реальную возможность для разработки автономной и недорогой методики количественной оценки использования воды сельскохозяйственными культурами в режиме реального времени. Последние достижения в области обработки сигналов, программирования регистраторов данных, калибровки и управления данными сделали эту цель более очевидной. Эта рукопись и наша недавно разработанная программа регистрации данных« под ключ» делают передовые микрометеорологические методы более доступными ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что в настоящее время у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

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

Частичная поддержка этого исследования была предоставлена J. Lohr Vineyards & Wines, Национальным институтом винограда и вина, грантом NIFA Specialty Crops Research Initiative для AJM и финансированием USDA-ARS CRIS (Исследовательский проект #5306-21220-004-00).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Регистратор данныхCampbell Scientific, Inc.данных CR1000
Campbell Scientific, Inc.Башня ENC12/14-SC
(6 футов) с заземлением и громоотводамиCampbell Scientific, Inc.Поперечный рычаг CM6
(4 фута)Campbell Scientific, Inc.CM204
Кроссовер Nu-rail фитингCampbell Scientific, Inc.17953
Блок питания (12 В) с регулятором и батареейCampbell Scientific, Inc.PS100
(12 В)Campbell Scientific, Inc.CH100
Campbell Scientific, Inc.6186
Удлинительный кабель термопарыCampbell Scientific, Inc.Термопары FWC-20
Campbell Scientific, Inc.FW3
3D звуковой анемометр с длинной шейкойRM Young Company81000 RE
8-жильный кабель для анемометраRM Young Company18660
Пластины теплового потока почвыREBS, Inc.HFT3.1
Campbell Scientific, Inc.Радиометр TCAV
Net с кабелемKipp and Zonen, Inc.NR Lite 2
Сверхмощное крепление для радиометраKipp and Zonen, Inc.Л-СМВ1
Корпус регистратора Регулятор зарядного устройства Удлинительный кабель для аккумулятора Грунтовые термопары

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи