Byggandet av en kompakt låg kostnad strålning sköld för luft-temperatur sensorer i ekologiska fältstudier
Summary
Med tillkomsten av små, billiga miljö-sensorer är det nu möjligt att distribuera högdensitets nätverk av sensorer för att mäta hyper lokaliserade temperaturvariation. Här ger vi en detaljerad metod för att bygga en kompakt version av en tidigare beskrivna custom-fabricerade strålning sköld för användning med billiga thermochrons.
Abstract
Låg kostnad temperatursensorer används alltmer av miljöpartister att bedöma climatic ändring och ändra på ekologiskt relevanta skalor. Även kostnadseffektiv, om inte distribueras med ordentlig solens strålning avskärmning, blir de yttranden som spelats in från dessa sensorer ensidig och felaktig. Tillverkade strålskärmar är effektiva för att minimera denna bias, men är dyra i förhållande till kostnaden för dessa sensorer. Här ger vi en detaljerad metod för att bygga en kompakt version av en tidigare beskrivna anpassade fabricerade strålning sköld, som är mer exakt än andra publicerade avskärmning metoder som försöker minimera sköld storlek eller konstruktion kostnader. Metoden kräver mycket lite material: korrugerade plastskivor, aluminiumfolie silvertejp och buntband. En 15 cm och två 10 cm rutor av Korrugerad plast som används för varje sköld. Efter styckning, scoring, tejpning och häftning av täcker, bilda rutorna 10 cm botten två lager av solstrålningen sköld, medan 15 cm torget utgör det översta lagret. De tre skivor hålls samman med buntband. Denna kompakta solstrålning shield kan tillfälligt upphävas, eller placeras mot en plan yta. Försiktighet måste iakttas för att säkerställa att skölden är helt parallell med marken för att förhindra direkt solstrålning når sensorn, eventuellt orsaka ökade varma fördomar i solexponerade platser på morgonen och eftermiddagen i förhållande till ursprungliga, större design. Även så, skillnader i inspelade temperaturer mellan mindre, kompakt sköld design och den ursprungliga designen var små (menar dagtid bias = 0,06 ° C). Byggkostnaderna är mindre än hälften av den ursprungliga sköld designen, och nya resultat i ett mindre iögonfallande instrument som kan vara fördelaktigt i många Fältinställningar ekologi.
Introduction
Mot bakgrund av antropogena globala uppvärmningen, har det funnits ett växande intresse för inspelning lufttemperaturen i en mängd olika inställningar för att förstå och förutsäga ekologiska svar på klimat ändra1,2,3. Med tillkomsten av små, billiga miljödata brännare (kallas även att dataloggrar, thermochrons eller hygrochrons), är det nu möjligt att distribuera högdensitets nätverk av sensorer för att mäta hyper lokaliserade temperaturvariation, öka ekologernas möjlighet att mer direkt observera de omgivande miljöförhållandena upplevs av organismer och ekosystem studeras. Jämfört med befintliga, väl kalibrerad och rigoröst testad — men glest distribuerade — permanent väder stationer, sådana nätverk ger möjlighet för att bedöma climatic variant på ekologiskt relevanta skalor men kan minska noggrannhet eller jämförbarhet bland studier om inkonsekvent eller olämpligt distribuerat.
Ytnära luft temperaturgivare kräver normalt någon typ av solstrålning skärmning för att förhindra direkt uppvärmning av sensorelementet, vilket skulle resultera i felaktigt varma mätningar. Ett vanligt sätt att begränsa sensor bias är: 1) med befintliga miljö-funktioner såsom träd för skuggning4, 2) bias korrigering och sensor kalibrering5 som härletts korrigeringar baserat på termiska egenskaper av sensorer och 3) användningen av tillverkas eller specialtillverkade sköldar6,7. Många forskare väljer att använda anpassade fabricerade sköldar på grund av låg kostnad och enkel distribution och nödvändighet i situationer där miljöförhållanden inte ger naturlig skuggning. En översyn av de ekologiska litteraturen anges dock att utformningen av anpassade fabricerade sköldar varierar kraftigt bland studier och individuella mönster testas sällan för noggrannhet. Otestade sköldar kan vara känsliga för dåligt val av material och design som orsakar ytterligare uppvärmning av luftmolekylerna omedelbart omger sensor, direkt absorption av solstrålning av själva sensorn, eller både-leder till genomsnittliga fördomar på upp till 3 ° C7. Däremot, enkel och kostnadseffektiv design6,7 är ganska effektiva på avskärmning sensorer (fördomar på 1 ° C eller mindre) och är jämförbar med kommersiellt tillverkade strålskärmar.
Här ger vi en detaljerad metod för att konstruera en tidigare utvärderade anpassade fabricerade strålning sköld7 för användning med billig thermochron temperaturgivare. Sköld design är en ändring av en tidigare beskrivs och testas i en öppen Ponderosa Pine skogsmiljö6. I senaste tester av flera custom-fabricerade sköld design, denna fjällnära testade sköld resulterade i de lägsta fördomar när det paras ihop med små thermochrons7, men vi hittade det besvärliga och alltför iögonfallande att distribuera i fältet. Design protokollet föreslås här minskar måtten på strålning skölden med 50%. Sådan minskning i storlek har flera fördelar: 1) det är mindre iögonfallande och därför mindre känsliga mot manipulering, 2) det kan mer lämpligen användas i ett bredare utbud av ekologiska inställningar där utrymmet är begränsat (t.ex. på mindre urban street träd), 3) it är mer exakt än andra publicerade avskärmning metoder som försöker minimera sköld storlek eller konstruktion kostnader7och 4) det är billigare än original, större design på grund av den minska mängden byggnadsmaterial krävs. Efter som beskriver byggmetoder, utforskar vi effekten av storleksminskning på sensorns noggrannhet i förhållande till den ursprungliga sköld design med hjälp av resultat från ett fältförsök under hög nedåt solstrålning förhållanden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Noggrannhet och repeterbarhet av luft temperaturmätningar beror på användning av ett lämpligt solar sköld som skyddar sensorn från direkt och reflekterad solstrålning. Här beskriver vi byggandet av sådan en sköld som är mer kompakt i storlek, billigare eller snabbare att konstruera än liknande, tidigare beskrivna enheter6, utan att offra noggrannhet. 94% av de inspelade temperaturerna för den thermochrons utrustade med mindre sköld var inom 1,0 ° C av de bäst presterande thermochro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Emily Meineke för bidrag till ursprungliga studiedesign och experimentera. Vi tackar Ryan Boyles för att underlätta tillgång till studieplatser och väderstation data. Jaime Collazo, Steven Frank och Erica Henry gav dataloggrar och strålskärmar. Tillgång till studera webbplats godkändes av North Carolina State klimat kontoret. All användning av handel, företag eller produkt namn är endast för beskrivande och innebär inte godkännande av den amerikanska regeringen.
Materials
| 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
- Bowker, R. G. Anurans, the group of terrestrial vertebrates most vulnerable to climate change: A case study with acoustic monitoring in the Iberian peninsula. Computational bioacoustics for assessing biodiversity. , 43 (2007).
- Walther, G. -. R., et al. Ecological responses to recent climate change. Nature. 416 (6879), 389-395 (2002).
- Inouye, D. W. Effects of climate change on phenology, frost damage, and floral abundance of montane wildflowers. Ecology. 89 (2), 353-362 (2008).
- Lundquist, J. D., Huggett, B. Evergreen trees as inexpensive radiation shields for temperature sensors. Water Resources Research. 44 (4), W00D04 (2008).
- De Jong, S. A. P., Slingerland, J. D., Van De Giesen, N. C. Fiber optic distributed temperature sensing for the determination of air temperature. Atmospheric Measurement Techniques. 8 (1), 335-339 (2015).
- Holden, Z. A., Klene, A. E., Keefe, R. F., Moisen, G. G. Design and evaluation of an inexpensive radiation shield for monitoring surface air temperatures. Agricultural and Forest Meteorology. 180, 281-286 (2013).
- Terando, A. J., Youngsteadt, E., Meineke, E. K., Prado, S. G. Ad hoc instrumentation methods in ecological studies produce highly biased temperature measurements. Ecology and Evolution. 7 (23), 9890-9904 (2017).
- Richardson, S. J., et al. Minimizing errors associated with multiplate radiation shields. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 16 (11), 1862-1872 (1999).
- Anderson, S. P., Baumgartner, M. F., Anderson, S. P., Baumgartner, M. F. Radiative Heating Errors in Naturally Ventilated Air Temperature Measurements Made from Buoys. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 15 (1), 157-173 (1998).
- Nakamura, R., Mahrt, L. Air temperature measurement errors in naturally ventilated radiation shields. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 22 (7), 1046-1058 (2005).
- Tarara, J. M., Hoheisel, G. -. A. Low-cost shielding to minimize radiation errors of temperature sensors in the field. HortScience. 42 (6), 1372-1379 (2007).
- Huwald, H., Higgins, C. W., Boldi, M. -. O., Bou-Zeid, E., Lehning, M., Parlange, M. B. Albedo effect on radiative errors in air temperature measurements. Water Resources Research. 45 (8), (2009).
- Fuchs, M., Tanner, C. B. Radiation shields for air temperature thermometers. Journal of Applied Meteorology. 4 (4), 544-547 (1965).
