Summary
随着小型低成本环境传感器的出现, 现在可以部署高密度的传感器网络来测量超局部温度变化。在这里, 我们提供了一个详细的方法来构建一个紧凑的版本, 一个紧凑的版本, 前面描述的定制辐射屏蔽与廉价的热铬一起使用。
Abstract
低成本温度传感器越来越多地被生态学家用来评估气候变化和与生态相关的尺度上的变化。虽然成本效益高, 但如果不使用适当的太阳辐射屏蔽部署, 从这些传感器记录的观测结果将是偏置和不准确的。制造的辐射屏蔽可以有效地最大限度地减少这种偏差, 但与这些传感器的成本相比, 成本很高。在这里, 我们提供了一个详细的方法来构建一个紧凑的版本, 上面描述的定制辐射屏蔽, 这是比其他已公布的屏蔽方法, 试图最大限度地减少屏蔽尺寸或施工成本更准确。该方法需要很少的材料: 波纹塑料板, 铝箔管道胶带, 电缆领带。每个盾牌都使用一个15厘米和两个10厘米的波纹塑料正方形。切割、打分、录音和装订后, 10 厘米的方块形成太阳辐射防护罩的底层两层, 而15厘米的正方形形成顶层。这三张纸与电缆扎带在一起。这种紧凑的太阳辐射屏蔽可以悬挂, 也可以放置在任何平面上。必须注意确保屏蔽与地面完全平行, 以防止直接太阳辐射到达传感器, 可能会在上午和下午对暴露在太阳的场所造成相对于原来的、更大的地方的温暖偏差增加设计。即使如此, 较小、紧凑的屏蔽设计和原始设计之间记录的温度差异很小 (白天的平均偏差 = 0.06°c)。施工成本还不到原来盾构设计的一半, 新设计的结果是仪器不那么显眼, 在许多野外生态环境中可能是有利的。
Introduction
鉴于人为的全球变暖, 人们越来越有兴趣记录各种环境中的气温, 以了解和预测对气候变化的生态反应1、2、3.随着小型、低成本环境数据记录仪 (也称为数据记录仪、热现象或湿度记录仪) 的出现, 现在可以部署高密度的传感器网络来测量超局部温度变化, 从而增加生态学家更直接地观察所研究的生物体和生态系统所经历的环境环境条件的能力。与现有的、经过良好校准和严格测试的--但分布稀少的--永久气象站相比, 这些网络提供了在生态相关尺度上评估气候变化的机会, 但可能会降低准确性或可比性在研究中, 如果部署不一致或不适当。
近地表空气温度传感器通常需要某种类型的太阳辐射屏蔽, 以防止传感器元件直接加热, 这将导致错误的热测量。限制传感器偏差的常用方法包括: 1) 使用现有的环境特征, 如树用于遮阳4, 2) 偏置校正和传感器校准5 , 根据传感器的热特性得出校正, 3) 使用制造或定制制造的护盾6,7。许多研究人员选择使用定制的屏蔽, 因为低成本和易于部署, 以及在环境条件不能提供自然遮阳的情况下的必要性。然而, 对生态文献的回顾表明, 定制的护盾的设计在不同的研究中差别很大, 个别设计很少经过准确性测试。未经测试的屏蔽可能容易受到材料和设计选择不当的影响, 从而导致传感器周围的空气分子的额外加热、传感器本身对太阳辐射的直接吸收, 或导致平均偏差高达3°c7。另一方面, 简单且经济高效的设计6,7在屏蔽传感器 (1°c 或更低的偏差) 上相当有效, 可与商业制造的防辐射屏蔽相媲美。
在这里, 我们提供了一个详细的方法来构建一个以前评估过的定制辐射屏蔽7 , 用于廉价的热雪温度传感器。屏蔽设计是一个修改一个先前描述和测试在一个开放的 ponderosa 松树森林设置6。在最近对几种定制的屏蔽设计进行的测试中, 这种经过猴子测试的屏蔽与小热不少7配对时产生了最低的偏差, 但我们发现它既繁琐又显眼, 无法在现场部署。这里提出的设计协议将辐射屏蔽的尺寸减少了50%。这种规模的缩小有几个好处: (1) 它不那么显眼, 因此不太容易被篡改, (2) 它可以更有可能地在空间有限的更广泛的生态环境中使用 (例如,在较小的城市街道树木上), (3) 它比其他公布的屏蔽方法更准确, 这些方法试图最大限度地减少屏蔽尺寸或施工成本7, 4) 它比原来的更便宜, 由于所需建筑材料数量的减少, 设计更大。在描述了施工方法的基础上, 利用在高太阳辐射条件下进行的实地试验结果, 探讨了尺寸减小相对于原屏蔽设计的精度的影响。
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Protocol
1. 辐射盾的建造
- 使用实用刀, 将瓦楞纸板切割成正方形 (图 1a)。每个盾牌需要一个15厘米见方和两个10厘米的正方形。
- 小辐射屏蔽顶层的切割 (图 1 b; 左图像):
- 在15厘米见方的地方, 从一个边缘测量4厘米, 用铅笔画一条线。使用直直作为指南, 沿着线得分。(这里, "得分" 是指使用刀进行切割, 只穿过一层波纹塑料板, 而不是整个板材。从今以后, 广场的这一边缘将被称为 "顶部" (图 1 b; 左图)。
- 测量3.8 厘米的边缘是垂直于4厘米线。使用直杆作为参考, 从底部到4厘米线得分 (图 1 b; 左图像)。
- 从4厘米线上方的两个角绘制一条线, 到4厘米线和3.8 厘米线的交界处。沿着这条线剪切 (图 1 b; 左图)。
- 小辐射屏蔽的中间层和底层的切割 (图 1 b; 中间和右图像):
- 使用直条, 在每10厘米见方的中间画一个6厘米见方 (图 1b; 中间和右图像)。
- 得分都围绕6厘米见方, 从6厘米见方的每个角落到10厘米见方的外角 (图 1 b; 中、右图像)。
- 使用铝箔胶带完全覆盖15厘米见方和10厘米正方形之一的得分侧, 以及其他10厘米见方的未得分侧。
- 使用一个-"钻头, 钻孔如图1c 所示, 在每个屏蔽层。
- 将温度传感器连接到10厘米见方的底部, 该正方形被贴在得分侧, 并通过传感器外壳 (或其安装装置) 的小孔和10厘米平方米的孔运行电缆扎带, 将两个孔钻入中间(图 1d)。
- 把床单折叠起来
- 沿着得分线折叠15厘米的板材。可能需要压力, 以防胶带使两侧紧固, 难以折叠。
- 将小的三角形皮瓣夹在较大的背部皮瓣的内侧。正确执行此操作时, 从上方只能看到带录音的侧面。后皮瓣的切割边缘应与折叠的两侧齐平。
- 使用另一层铝胶带, 以固定折叠的两侧的背面皮瓣。背部皮瓣也可以用重型订书机钉在一起, 以增加强度。
- 取10厘米的床单, 沿对角线打分线捏两侧。使用重型订书机, 将夹紧的两侧钉在一起 (图 1e)。最终产品将有一个方形的碗形状。
- 用20厘米的电缆领带将床单绑在一起。
- 从在未得分的一侧贴上的10厘米的床单开始, 有三个洞, 把录音的一侧放下。将电缆扎带穿过两个10厘米的左后孔。在两张纸之间保持2厘米的垂直间距, 以确保温度传感器周围的气流。对右后孔重复此步骤 (图 1e; 中间和右图像)。
- 取15厘米的床单, 并通过两个并排孔的电缆领带, 在后面的左 (图 1e; 左图)。将此领带连接到10厘米的床单上, 并在15厘米的床单和上10厘米的床单顶部之间留下2厘米的空间。对右后两个并排孔重复此步骤 (图 1e; 左图)。
- 最后, 通过一个电缆扎带穿过板材前部的所有三个孔 (由箭头显示;图 1e)。拧紧电缆扎带, 确保所有三张纸之间的空间均匀 (图 1f)。
- 在最终组装产品的后端钻更多的孔, 以便在需要的地方安装。无论屏蔽安装在哪里, 请确保三张纸平行于地面。
图 1: 构建小型辐射屏蔽的分步说明.(a)从大的波纹塑料片中剪下15厘米和10厘米的方块。(b)然后切割15厘米的床单并打分, 并对10厘米的床单进行评分, 以便将盾牌弯曲到正确的形状。(c)在每张纸上钻孔。(d)传感器绑在10厘米的纸张中的一张。(e)屏蔽是使用多个电缆扎带组装而成的。(f)最后的护盾已准备好安装。请点击这里查看此图的较大版本.
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Representative Results
图 2 和图3 显示了使用配备了新的、更小的屏蔽设计、原始更大的屏蔽设计和没有辐射屏蔽的热倍体的代表性结果。这些数据记录在北卡罗来纳州 raleigh 附近的一个完全暴露的农村地点 (35.728°N、78.680°W), 并贴在一个经过良好校准的常设气象站上, 配备了安装在吸气多板辐射屏蔽7。在图2a 中, 箱图显示了使用小型辐射屏蔽的四个传感器与永久气象站之间记录的温度差异。所有四个测试传感器都存在正偏置 (平均偏置 = 0.56°c), 但与使用原始更大的屏蔽设计 (图 2b; 平均值 = 0.56°c) 发现的偏差相似, 并且远远低于非屏蔽传感器的偏差 (图 2b);平均值 = 1.23°c)。小屏蔽导致传感器记录一些异常温度相对于原来的屏蔽设计 (图 2d), 虽然整体差异很小 (平均偏置 = 0.16°c)。
图 2: 使用不同的防光处理比较温差的现场实验结果示例.温度差的分布与(a)小辐射屏蔽设计(b)原始的大辐射屏蔽, 和(c)没有屏蔽和校准, 永久气象站记录在2015年8月在北卡罗来纳州罗利的一个阳光明媚、暴露的地点。(d)显示装有小型辐射屏蔽的四个热曲之间的记录温差分布, 以及偏置最小的大型屏蔽装置热 (即 b中的传感器 3) 之间的分布。在 c 中, 在°c 中的图形中排除了7°c 以上的差异 (值扩展到 10.6 o c)。请点击这里查看此图的较大版本.
在图 3中, 偏差的日性质在时间序列中很明显。如图 2所示, 配备了大小辐射屏蔽的模型与校准的永久气象站之间的温差 (图 3a, 3a)。在太阳辐射高峰时期, 温暖的偏差是最强的, 但在这两种情况下, 都远远低于非屏蔽传感器的偏差 (图 3c)。与最初的设计 (固体黑线, 图3d) 相比, 所有配备小型辐射屏蔽的传感器组合之间的平均温差为0.002°c 和 0.002, 白天为 (707-2000小时 lst)。有趣的是, 每小时估计标准偏差 (虚线, 图 3d) 的最大差异是在1400和 0800 lst。考虑到辐射屏蔽的尺寸较小, 预计当天高温期间下午的巨大差异。然而, 日出后不久的早晨, 额外的巨大差异的来源尚不清楚, 可能是由于不理想的屏蔽传感器角度 (即, 热现象与地面不平行), 这将暴露在热铬额外的加热。
图 3: 使用不同的防光处理比较温差的现场实验的时间序列示例.温度序列之间的温差与(a)小辐射屏蔽设计, (b)原始的大辐射屏蔽, 和(c)没有屏蔽和校准, 永久气象站记录在2015年8月在北卡罗来纳州罗利的一个阳光明媚、暴露的地点。屏蔽热价 (n = 4个小护盾, n = 5个大护盾) 之间的温差 (n = 4个小护盾, n = 5个大护盾) 之间的温差的平均值 (固体黑线) 和两个标准差 (估计每小时; 虚线) 见(d)。注意与a到c相比, d中纵坐标的比例变化。请点击这里查看此图的较大版本.
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Discussion
空气温度测量的准确性和可重复性取决于使用适当的遮阳板, 以保护传感器免受直接和反射的太阳辐射。在这里, 我们描述了这样一个屏蔽的结构, 它的尺寸更紧凑, 成本更低, 或者比类似的、前面描述的设备6建造得更快, 而不牺牲精度。配备较小屏蔽的热曲的记录温度的94% 在1.0°c 内, 是配备了原始较大的辐射屏蔽的性能最好的热雪隆, 71% 的观测结果在0.5°c 以内。
这种屏蔽的设计, 就像它较大的前体一样, 是广泛使用的、被动吸气的刺挡的变化。无源屏蔽的理想特性包括从各个角度遮挡传感器免受太阳辐射的影响;允许空气自由地通过屏蔽;并将最小的辐射吸收到屏蔽材料中 8。设计通常是遮阳和气流之间的妥协。最大限度地增加被动气流的设计可防止传感器完全遮阳和直接加热的风险;具有完全屏蔽的, 会阻碍气流, 并有相对于一般空气的屏蔽空气中加热的风险。
作为被动通风的屏蔽, 小辐射屏蔽在低风速 (小于 1-2m-1)时不准确, 当缺乏通风时, 空气相对于大型7的空气会促进空气的辐射加热。这是被动通风护盾 (包括昂贵的制造护盾) 偏置的普遍来源。这种偏差在机械吸气护盾中被克服, 但在复制的现场研究中, 它们的电气要求通常令人望而却步。被动屏蔽中的偏差可以通过基于模型的校正 5、9、10来解决。然而, 这种修正需要同时测量风速和短波辐射, 这在依靠定制护盾的研究中也可能不切实际。最后一个选择是准确地报告屏蔽方法并承认偏差, 以便任何试图比较不同研究中报告的温度的读者都可以做出明智的解释。
与制造的 gill 屏蔽相比, 此处描述的小型辐射屏蔽具有0.81°c 的白天偏差, 而配备了原始屏蔽设计的热铬的偏差为 0.75°c.与此相比, 其性能与上述大型辐射屏蔽几乎没有区别, 但在材料方面节省了大量费用。我们以每台1.36 美元 (2015年美元) 的材料 (包括波纹塑料、铝带和电缆扎带) 建造了小型辐射防护罩。相比之下, 由于塑料和铝的数量较多, 最初的大型辐射屏蔽将花费3美元 (作者2013年的估计) 至4.75 美元 (我们的估计) 6.成本估算不包括记录仪本身、制造商指定的安装支架, 也不包括在现场安装屏蔽的任何结构。
还有更多的例子, 定制的盾牌, 已很好地测试对制造的盾牌11。在对不同的手工吉尔护盾进行的为期11天的测试中, 该防护罩中三分之二的空气温度测量值在制造的 gill 防护罩中测量的温度的1.0°c 以内。在我们的小型辐射屏蔽中, 热现象的精度相似, 83% 的测量值在1°c 的参考气象站仪器的阳光照射现场。手工制作的吉尔护盾花了创作者45分钟才建成, 材料的价格为2美元 (我们的估计) 至4美元 (作者2007年的估计)。同样, 小型辐射屏蔽提供了节省的材料和施工时间。
虽然我们没有测试小辐射屏蔽参数变化的影响, 但理论预测, 材料、板间距和折叠角度的变化会改变屏蔽罩阻挡辐射和允许气流的能力, 并产生结果与这里报道的不同。传感器从直接和反射太阳辐射的最大阴影要求使用所有三个板, 如图所示折叠, 不仅阻止来自上方的辐射, 而且从侧面的低角度辐射和反射辐射从下面。当传感器部署在雪、沙、路面和其他非植被表面 7、12上时, 防止反射辐射尤其重要。防护罩内的气流由板材形状和间距8决定;在目前的设计中, 对板材折叠和间距的任何改变都会影响气流。最后, 使用带有镀铝外表面的白色材料可最大限度地减少屏蔽本身的辐射加热;使用反光铝胶带完全覆盖顶部和底部屏蔽表面是复制此属性所必需的。护盾需要保持清洁, 否则污垢、鸟粪的堆积会改变它们的反射率 8.最后, 我们还要提醒, 为了可比地在阵列中的多个传感器之间进行比较, 需要将它们部署在与地面平行的屏蔽板上, 并在地面上的一致高程上部署, 当地面植被本身时, 它们并不总是简单的在高度上有所不同10。
对这种屏蔽设计的进一步改进无疑是可能的。在铝表面使用透明涂层来改善辐射屏蔽的热性能早已为人们所熟知的13。然而, 在使用大型辐射屏蔽的测试中, 其他作者仅在铝胶带上就没有发现额外涂层 (聚酯漆、白色涂层) 的好处6。在板材之间添加硬质泡沫间隔, 以前在定制的 gill 盾牌11中描述, 是另一个潜在的修改, 可以标准化的设计, 并防止在强风中移动的板。这种屏蔽的一个局限性是, 它的结构需要安装在水平杆或分支上;例如, 在保持其正确方向的同时, 很难从上面悬挂这个屏蔽组件。最后, 对于体积较大的数据记录器, 添加另一个在中心有切口的小型内板可能是可取的, 以便在不改变板距的情况下为记录器创造更多的空间。任何这些变化都会产生额外的费用和施工时间, 需要根据原来的标准或校准的气象站进行测试, 以评估性能。
我们还强调, 目前的设计是在一定范围的环境条件下进行评估的, 在这些条件之外对辐射屏蔽性能的任何推断都应谨慎进行。特别是, 在本研究和最初的论文中, 引入了较大版本的6是在通常存在于纬度 ~ 45度赤道的高夏季太阳角上进行测试的。在季节性太阳角度低、戴天长或两者兼而有之的地区 (如在高纬度或不同季节经历过), 不同的屏蔽施工方法可能更为合适。
随着小型、廉价温度记录仪的出现, 生物学家越来越多地寻求在与个别生物和当地生态过程相关的精细空间尺度上评估气温。了解气温的微气候变化可以使人们深入了解当地生物对最近和预测的气候变化的反应。虽然额外的热变量 (如土壤、表面或体温), 每个变量都有其自身的精度考虑, 但在对历史、当前和预测气候的研究中, 气温是一种常见的货币。一致使用具有有据可查特性的辐射屏蔽将确保对不同研究的结果进行有意义的比较。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
我们感谢艾米莉·梅内克对最初的学习设计和实验的贡献。我们感谢瑞安·博伊斯为进入研究地点和气象站数据提供便利。海梅·科拉佐、史蒂文·弗兰克和埃丽卡·亨利提供了数据记录仪和辐射盾牌。北卡罗来纳州气候办公室批准了进入研究地点的机会。对贸易、公司或产品名称的任何使用仅用于描述性目的, 并不意味着美国政府的认可。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Multipurpose Aluminum Foil Tape | Nashua | 1087671 | 48 mm width |
| 8" cable ties | DTOL | GEN86371 | NA |
| Corrugated plastic sheet | Highway Traffic supply | hts18X24COROW | White sheet 18"L x 24"W, 5-pack |
| Standard utility knife | NA | NA | NA |
| Standard Scissors | NA | NA | NA |
| Heavy duty stapler | Swingline | 552277715 | NA |
References
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