Yüzey Yenileme: Alan Ölçeğinde Enerji Akısı Yoğunluğu Verilerinin Ölçülmesi ve İşlenmesi için Gelişmiş Bir Mikrometeorolojik Yöntem

Özet

Yüzey yenileme, enerji akışlarını belirlemek için giderek daha fazla kullanılan mikrometeorolojik bir yöntemdir, ancak teknik karmaşıklığı onu geniş bir kitle için erişilemez hale getirir. Bir yüzey yenileme saha istasyonunu kurmak ve kalibre etmek, verileri elde etmek ve işlemek ve sonuçları doğru bir şekilde yorumlamak için gereken adımları açıklıyoruz.

Özet

İleri mikrometeorolojik yöntemler toprak, mahsul ve çevre bilimlerinde giderek daha önemli hale gelmiştir. Atmosfer biliminde resmi eğitimi olmayan birçok bilim insanı için bu tekniklere nispeten erişilemez. Yüzey yenileme ve diğer akı ölçüm yöntemleri, sınır tabakası meteorolojisinin anlaşılmasını ve enstrümantasyon ve çoklu veri yönetimi programlarında kapsamlı eğitim gerektirir. Bu tekniklerin erişilebilirliğini artırmak için, yüzey yenileme ölçümlerinin altında yatan teoriyi açıklıyoruz, girdap kovaryans kalibrasyonu ile yüzey yenileme için bir saha istasyonunun nasıl kurulacağını gösteriyoruz ve akı veri toplama ve işlemeyi gerçekleştirmek için açık kaynaklı anahtar teslimi veri kaydedici programımızı kullanıyoruz. Yeni anahtar teslim program, kullanıcıya düzeltilmiş akılar ve kalite kontrol parametreleri ile basit bir veri tablosu döndürür ve araştırmacıların nihai akı verilerini elde etmek için birden fazla işleme programı arasında mekik dokuma ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu ölçümlerden elde edilen verilere bir örnek, mahsul suyu kullanımının bu teknikle nasıl ölçüldüğünü göstermektedir. Çıktı bilgileri, çeşitli tarımsal ekosistemlerde sulama kararları almak için yetiştiriciler için yararlıdır. Bu istasyonlar şu anda grubumuzdaki araştırmacılar ve Kaliforniya Su Kaynakları Departmanı tarafından aşağıdaki ürünlerde çok sayıda saha deneyinde kullanılmaktadır: pirinç, şarap ve kuru üzüm üzüm bağları, yonca, badem, ceviz, şeftali, limon, avokado ve mısır.

Giriş

Su kıtlığı, kuru büyüyen bölgelerde tarımsal sürdürülebilirliği tehdit ediyor. Bu durum, değişen iklim koşulları ve sınırlı su kaynakları için tarım, belediye, sanayi ve koruma kuruluşları arasındaki rekabetin artmasıyla daha da kötüleşecektir. Devam eden bu ikilemle başa çıkmak için, yetiştiriciler sürekli olarak sulama verimliliğini artırmanın yollarını ararlar ve mahsulün su kullanımını (yani evapotranspirasyon, ET) gerçek zamanlı olarak daha iyi tahmin eden teknoloji ve daha iyi agrometeorolojik yöntemler bu çabalara kesinlikle yardımcı olacaktır. Yetiştiriciler tarafından ET'yi tahmin etmek için kullanılan mevcut teknolojiler, her ikisi de tahmin hatalarına karşı oldukça hassas olan referans evapotranspirasyon (ET₀) ve ampirik bir ürün katsayısının (K_c) kullanımına bağlıdır. Agrometeorologlar ayrıca, mahsul su kullanım verimliliğini¹ iyileştirmek için deneysel tedavileri değerlendirmek ve bölgesel su tahsis stratejilerini² parametreleştirmek için ET'yi ölçerler, ancak bu yöntemler oldukça teknik ve pahalıdır. Mevcut araştırmaya dayalı ET ölçüm yöntemlerini yetiştiriciler için uygun maliyetli ve kullanıcı dostu teknolojilere dönüştürmek için çabalar devam etmektedir.

Yüzey yenileme (SR), mahsul ET'sini ölçmek için kullanılan bir agrometeorolojik yöntemdir. SR, Şekil 1'de gösterilen istasyon ile ölçülen ve Şekil 2 ve Film 1'de teorik olarak gösterildiği gibi, türbülanslı değişim süreci³ sırasında mahsul kanopisi içinde geçici olarak bulunan hava parsellerinin enerji bütçesinin analizine dayanmaktadır. Hava parselleri, türbülanslı sıcaklık zaman serisi verilerinde rampa benzeri şekiller olarak ortaya çıkar ve akı yoğunluğunu hesaplamak için rampaların genliği ve periyodu kullanılır (Şekil 2 ve 3). SR yöntemiyle, belirli bir ürün yüzeyi için ET, aşağıdaki enerji dengesi denkleminin kalıntısı olarak gizli ısı akısı yoğunluğu (LE) hesaplanarak belirlenir
LE=R n-G-H,

Burada, LE, bir mahsul yüzeyinden suyun faz değişimi ile ilişkili enerji akışı yoğunluğudur, R_n net radyasyondur, G toprak ısı akışı yoğunluğudur (yani yerin içine veya dışına iletilen enerji) ve H, duyulur ısı akışı yoğunluğudur (yani, yüzeyden havaya veya tam tersi, bir sıcaklık değişimine neden olur). RN, net akı aşağı doğru olduğunda (yüzeye eklenen enerji) pozitif bir sayıdır, LE ve H, akı yukarı olduğunda (havaya eklenen enerji) pozitif sayılardır ve G, akı aşağı doğru olduğunda (toprağa eklenen enerji) pozitif bir sayıdır. LE (MJ/m²sn) daha sonra yüzeyden su buharının kütle akı yoğunluğunu (yani ET) elde etmek için gizli buharlaşma ısısına (L=2.45 MJ/kg) bölünür.

R n ve G ölçümleri nispeten basit ve ucuzdur. H'nin doğrudan ölçümleri daha karmaşıktır ve yüksek frekanslı veri toplama gerektirir. H'yi belirlemek için en yaygın yöntem girdap kovaryansıdır; bununla birlikte, bu yöntem için gerekli olan sonik anemometre pahalıdır, karmaşıktır ve sonuç olarak, tarım uzmanları, bahçıvanlar veya mühendisler tarafından H ve LE'yi belirlemek için yaygın olarak kullanılmaz. Öte yandan, SR tekniğinden türetilen H, yüzey-atmosfer arayüzünde yüksek frekanslı hava sıcaklıklarını ölçmek için ince telli termokupllar kullanan daha basit ve daha ucuz bir yöntemle elde edilir. SR'nin basitliğine rağmen, akım ölçümleri, makul ısı akısı yoğunluğu elde etmek için bir sonik anemometrenin girdap kovaryans H tahminine karşı kalibrasyon gerektirir.

ET ölçümleri için bir SR akı kulesinin başarılı bir şekilde konuşlandırılması, özellikle atmosfer biliminde resmi eğitim almamış birçok tarım araştırmacısı için göz korkutucu bir zorluk olabilir. SR ve girdap kovaryans ölçümleri, hem karmaşık enstrümantasyonla görevleri yürütmek için veri kaydedicilerin programlanmasında hem de ham türbülans verilerinin anlamlı akışlar halinde işlenmesi için bilgisayar programları yazılmasında gelişmiş teknik beceriler gerektirir. Burada, bir saha istasyonunun nasıl kurulacağını, sensörlerin nasıl kurulacağını ve veri toplama ve işlem sonrası prosedürler için yeni anahtar teslim veri kaydedici programımızın nasıl kullanılacağını açıklıyoruz.

Protokol

1. Saha kurulumundan önce bir rüzgar yönü ve ayak izi analizi yapın; Bu adım, kulenin çalışma alanındaki temsili akıyı yakalamak için uygun şekilde yerleştirildiğinden emin olmak için önemlidir.
   1. Saha istasyonunu kurmadan önce, etüt grafiğinde hakim rüzgar yönünü değerlendirmeli ve özel uygulamanız için ne kadar getirme (rüzgar yukarı mesafesi) gerektiğini belirlemelisiniz. Getirme mesafesi, ölçülecek yüzeyin yüksekliğine ve aletlerin^{yüksekliğine bağlıdır 4}. Genel olarak, getirme, sensörlerin bulunduğu kanopinin orta noktasının üzerindeki her metre için rüzgar yönünde 100 metredir.
2. Özel kurulumun ihtiyaçlarına bağlı olarak, sensörleri veri kaydediciye takın ve sahaya gitmeden önce mümkün olduğunca çok ekipmanı hazırlayın. Saha dağıtımından önce programı kaydediciye kurun ve aşağıda açıklanan adımları kullanarak kaydedicinin düzgün çalışıp çalışmadığını test edin.
   1. Veri kaydedicinin ön tarafındaki RS-232 kablo bağlantı noktasını (izole edilmemiş) kullanarak bir dizüstü bilgisayarı veri kaydediciye bağlayın, veri kaydedici ile iletişim kurmak için arayüz programını açın ve veri kaydediciye bağlanın. Ardından anahtar teslim veri kaydedici programını veri kaydediciye yükleyin. Veri kaydedici ile iletişim kurmak için USB standart kablolar ve cep telefonları da kullanılabilir.
      1. Program, bir 3 boyutlu sonik anemometre, iki ısı akısı plakası, bir toprak termokupl, bir ince telli hava termokupl ve bir net radyometre gibi belirli bir cihaz takımı için yazılmıştır. Program diğer sensör konfigürasyonları için uyarlanabilir, ancak kullanıcı herhangi bir değişiklikten sonra kaydedici programını dikkatli bir şekilde sahada test etmelidir. Programa birçok yeni karmaşık kod satırı eklenirse, program düzgün çalışmayabilir; özellikle sonik anemometre analog mod yerine seri olarak örneklendiğinde. Program şu adresten indirilebilir: <sites.google.com/site/tmshapland>.
   2. Her şeyin doğru çalışıp çalışmadığını görmek için tüm sensörlerin veri değerlerini kontrol edin.
      1. Not: Bu değişkenlerden herhangi biri logger arayüz programının durum tablosunda 'NAN' üretiyorsa, ilgili sensörün ve logger ile bağlantısının kontrol edilmesi gerekir. Gerekli düzeltmeleri yaptıktan sonra bilgisayara dönün ve sinyalin artık 'NAN' üretmediğinden emin olun.
3. Aşağıda açıklanan kurulum, bir ince telli termokupllu bir SR sistemi içindir ve kablolama, aşağıda açıklanan anahtar teslimi programa gömülü veri kaydedici komutlarıyla eşleşecek şekilde açıklanmıştır.
   1. Çalışma alanında istasyonunuz için uygun bir konum belirlendikten sonra kuleyi kurun (CM6- Şekil 1). Sağlanan kazıkları kullanarak kulenin ayaklarını sabitleyin, uzun bakır topraklama çubuğunu mini bir balyozla toprak ısı akışı plakalarına müdahale etmeyecek bir yerde toprağa vurun - aşağıya bakın) ve topraklama çubuğunu kalın ölçü telini ve sağlanan konektörleri kullanarak kuleye bağlayın.
   2. Üretici tarafından sağlanan u-cıvataları kullanarak veri kaydedici muhafazasını kulenin ana eksenine takın (Şekil 1).
   3. İki toprak ısı akısı plakasını (yani G1 ve G2) beyaz nokta yukarı bakacak şekilde 5 cm derinlikte sıra arası boşluğa damla sulama emitörlerinden uzağa monte edin (Şekil 4). Kurulum, toprakla iyi bir termal temas sağlamalı ve veri kaydediciye geri giden uzatma kabloları, topraktan koparılarak hasar görmesini önlemek için gömülmelidir.
      1. Isı akısı plakası kablolarını diferansiyel giriş sensörleri olarak veri kaydedici kanal 3 ve 4'e bağlayın (G1: siyah kablo 3H, kırmızı kablo 3L - ve G2: siyah kablo 4H, kırmızı kablo 4L). Bu belgede listelenen kodlar, veri kaydedici kanallarının etiketleriyle eşleşir ve makalenin geri kalanında kullanılacaktır. Tüm sensörler için ayrıntılar Tablo 1'de listelenmiştir.
      2. Not: Zemin ısı akışı plakasının içindeki termopil, enerji akısı yoğunluğuna ulaşmak için bilinen termal özelliklere sahip bir malzeme boyunca sıcaklık gradyanını ölçer. Her plaka üretici tarafından kalibre edilir. Zemin ısı akışı plakaları, güneş radyasyonunu engellemeden doğrudan toprağın üzerine yerleştirilemediğinden, toprak yüzeyinin altına gömülmeleri gerekir. Zemin ısı akısı plakalarının derinliğindeki enerji akısı yoğunluğu, yüzeydeki enerji akısı yoğunluğunda aynı değildir, çünkü bir miktar enerji plakanın üzerindeki toprak tabakasında depolanır, bu nedenle paralel olarak bağlanmış bir dizi toprak sıcaklık sensörü plakaların üzerindeki katmana monte edilir.
   4. Plakaların üzerindeki ısı depolamasındaki değişikliği hesaba katmak için toprak hacmini yer ısı akışı plakasının üzerine yaymak için toprak termokuplunu (paralel bağlanmış, Ts adı verilen 1 problu 4 kablo) takın (Şekil 4).
      1. Toprak termokuplunu diferansiyel sensör olarak kanal 5'teki veri kaydediciye bağlayın (Ts: mor kablo 5H, kırmızı kablo 5L).
      2. Not: Toprak tabakası sıcaklığı, toprak tabakasının altından üstüne yakın bir açıyla (kabaca toprak yüzeyinin yaklaşık 0.04-0.01 m altında) toprak sıcaklık problarının yerleştirilmesiyle ölçülür. Sıcaklık problarının yüzeye çok yakın yerleştirilmemesi önemlidir. Toprak çatlarsa, sensörlere gelen veya sensörlerden gelen radyasyon ve/veya duyulur ısı akışı yanlış verilere neden olabilir. Genel olarak, sıcaklık sensörlerini toprak yüzeyinden 0,01 m'den daha yakın yerleştirmemek en iyisidir; ve toprağın kuruması nedeniyle büyük çatlaklara sahip topraklarda daha derine yerleştirilmesi gerekir⁵.
   5. Net radyometreyi (Rn-Şekil 5 olarak adlandırılır) kanopinin üzerindeki ve güneyi gösterecek şekilde çapraz kol bomuna takın.
      1. Net radyometreyi diferansiyel sensör olarak kanal 2'deki veri kaydediciye bağlayın (Rn: beyaz kablo 2H, yeşil kablo 2L, blendaj (çıplak) sinyal toprağı)
   6. İnce tel termokuplunu (TC1- Şekil 6 olarak adlandırılır) çapraz kolun bir ucuna ve kanopinin üzerine monte edin (yükseklik, belirli bir tarlada yetişen bitkilere ve gerekli getirme miktarına bağlı olacaktır); hava sıcaklığı 10 Hz'de örneklenecektir. Bu ölçümler için kullanılan termokupllar tipik olarak 76 μm çapındadır.
      1. İnce telli termokupl'u, mor kablonun 1H'ye, kırmızı kablonun 1L'ye, net kablonun sinyal toprağına gittiği bir diferansiyel sensör olarak kanal 1'deki veri kaydediciye bağlayın.
      2. Not: Sistem çalışmaya başladıktan sonra termokuplun bakımıyla ilgili aşağıdaki ayrıntılara bakın.
   7. Sonik anemometreyi (Şekil 7), girdap kovaryansını hesaplamak için üç boyutlu rüzgar hızlarını ve 10 Hz'de sonik sıcaklığı ölçmek için Nu-ray bağlantı parçasını kullanarak çapraz kolun diğer ucuna (yani ince telli termokuplun karşısına) takın. Sonik anemometreyi, ölçüm alanının merkezi ince telli termokupl ile aynı yükseklikte olacak şekilde takın.
      1. Not: Sonik anemometre, istenen sinyalleri vermek için saha dağıtımından önce fabrika ayarlarından yeniden yapılandırma gerektirir (Daha fazla bilgi için, sites.google.com/site/tmshapland adresinde bulunan RM Young Model 81000RE Yeniden Yapılandırma Instructions.pdf bakın).
      2. Yüzey yenileme analizi ile elde edilen kalibre edilmemiş duyulur ısı akısı yoğunluğu, daha sonra girdap kovaryansının SR duyarlı ısı akısı yoğunluğuna karşı en küçük kareler doğrusal regresyonunun eğimi belirlenerek kalibre edilir.
   8. Güç kaynağını veri kaydediciye bağlayın.
   9. Veri kaydedicinin ön tarafındaki RS-232 kablo bağlantı noktasını (izole edilmemiş) kullanarak bir dizüstü bilgisayarı veri kaydediciye bağlayın. Bu adım laboratuvarda daha önce gerçekleştirilmemişse anahtar teslim veri kayıt programını yükleyin.
      1. Program, bir sonik anemometre, iki ısı akısı plakası, bir toprak termokupl, bir ince telli hava termokupl ve bir net radyometre gibi belirli bir cihaz takımı için yazılmıştır. Program diğer sensör konfigürasyonları için uyarlanabilir, ancak kullanıcı herhangi bir değişiklikten sonra kaydedici programını dikkatli bir şekilde sahada test etmelidir. Programa birçok yeni karmaşık kod satırı eklenirse, program düzgün çalışmayabilir; özellikle sonik anemometre analog mod yerine seri olarak örneklendiğinde. Program şu adresten indirilebilir: sites.google.com/site/tmshapland. Program ve kullanımı hakkında daha fazla ayrıntıyı son yayınımız^6'da bulabilirsiniz.
   10. Her şeyin doğru çalışıp çalışmadığını görmek için tüm sensörlerin veri değerlerini kontrol edin.
       1. Not: Bu değişkenlerden herhangi biri, kaydedici arayüz programının durum tablosunda 'NAN' üretiyorsa, ilgili sensörün kontrol edilmesi veya değiştirilmesi gerekir. Sensörde veya kablolarında ayarlamalar yaptıktan sonra bilgisayara dönün ve sinyalin artık bir 'NAN' üretmediğinden emin olun.
4. İstasyon işlevsel hale geldikten sonra aşağıdaki adımları kullanarak istasyonun bakımını yapın.
   1. Nu-Ray bağlantısını sökün ve net radyometreyi tutan ana dikey direği indirin.
   2. İzolasyonlu termokupl telini metal silindir ile birleştiği yerde bükün. Açıkta kalan termokupl tellerini (yani termokuplun en ucunu) dikkatlice limon suyuna batırın ve açıkta kalan telleri kavanoza çarpmamaya dikkat edin. Telleri deiyonize (DI) su dolu kavanoza batırarak sensördeki limon suyunu temizleyin. Termokupl telini metal silindirle birleştiği yerde tekrar düzeltin.
   3. Net radyometreye DI su püskürtün. Emici mendillerle kurulayın. Dikey direği orijinal konumuna kaldırın, Nu-Ray ayar vidalarını yeniden sıkın ve ağ radyometresini düzleştirin.
   4. Zaman içinde bitki kanopisinde meydana gelen değişiklikleri kaydetmek için kulenin fotoğraflarını çekin.
   5. Toplanan enerji dengesi akı verilerini işleyin; anahtar teslimi veri kaydedici programından alınan çıktı tablosu zaten dönüştürülmüş _RN, G, H ve LE'yi içerir. Anahtar teslimi veri kaydedici programı çıktısı^6,7 hakkında daha fazla ayrıntı için son çalışmalarımıza bakın.

Sonuçlar

Enerji dengesi denkleminin R_{, n} ve G bileşenlerini elde etmek nispeten basit ve ucuzdur. H ölçümleri daha karmaşıktır ve yüzey yenileme için ince telli bir termokupl veya girdap kovaryansı için bir sonik anemometre ile ölçülen yüksek frekanslı sıcaklık izleri gerektirir. İnce telli bir termokupl ile ölçülen örnek bir sıcaklık izi Şekil 9'da temsil edilmektedir ve bu ham verilerden sinyali çıkarmak için matematiksel analize duyulan ihtiyacı göstermektedir (^3,8-13...

Tartışma

Yüzey yenileme yöntemi, mahsulün su kullanımını gerçek zamanlı olarak ölçmek için bağımsız ve ucuz bir teknik geliştirmek için somut bir fırsat sunuyor. Sinyal işleme, veri kaydedici programlama, kalibrasyon ve veri yönetimindeki son gelişmeler bu hedefi daha net bir şekilde odak noktasına getirdi. Bu makale ve yakın zamanda geliştirdiğimiz anahtar teslimi veri kaydedici programımız⁶ , gelişmiş mikrometeorolojik yöntemleri tarımsal araştırmacılar için daha erişilebilir hale getirmektedir. Enerji dengesi teriml...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Veri kaydedici	Campbell Scientific, Inc.	CR1000
Veri Kaydedici Muhafazası	Campbell Scientific, Inc.	ENC12/14-SC
Kule (6 ft), topraklamalı ve paratonerli	Campbell Scientific, Inc.	CM6
Çapraz kol (4 ft)	Campbell Scientific, Inc.	CM204
Nu-ray geçit bağlantısı	Campbell Scientific, Inc.	17953
Regülatör ve pil ile güç kaynağı (12 V)	Campbell Scientific, Inc.	PS100
Şarj Regülatörü (12 V)	Campbell Scientific, Inc.	CH100
Pil Uzatma Kablosu	Campbell Scientific, Inc.	6186
Termokupl Uzatma Kablosu	Campbell Scientific, Inc.	FWC-20
Termokupllar	Campbell Scientific, Inc.	FW3
3D sonik anemometre	RM Young Company	81000 RE
8 anemometre için iletken kablo	RM Young Company	18660
Toprak ısı akısı plakaları	REBS, Inc.	HFT3.1
Toprak termokuplları	Campbell Scientific, Inc.	Kablolu TCAV
Net radyometre	Kipp ve Zonen, Inc.	NR Lite 2
Kipp and Zonen, Inc.	için ağır hizmet tipi direk montajı	L-CMB1