بناء درع ضغط الإشعاع المنخفضة التكلفة لأجهزة استشعار درجة حرارة الهواء في الدراسات الميدانية البيئية
Summary
مع ظهور أجهزة الاستشعار البيئية الصغيرة والمنخفضة التكلفة، من الممكن الآن لنشر شبكات عالية الكثافة من أجهزة استشعار لقياس التباين فرط الحرارة المترجمة. هنا، نحن نقدم منهجية مفصلة لبناء نسخة مدمجة من درع الإشعاع هو موضح سابقا ملفقة مخصص للاستخدام مع ثيرموتشرونس غير مكلفة.
Abstract
يتزايد استخدام أجهزة استشعار درجات الحرارة المنخفضة التكلفة من علماء البيئة لتقييم التغير المناخي وتغيير في الجداول ذات الصلة إيكولوجيا. على الرغم من أن فعالية من حيث التكلفة، إذا لم تنشر مع الإشعاع الشمسي السليم التدريع، ستكون الملاحظات المسجلة من هذه المجسات متحيزة وغير دقيقة. الدروع الإشعاعية المصنعة فعالة في التقليل من هذا التحيز، ولكن تكلفة مقارنة بتكلفة أجهزة الاستشعار هذه. هنا، نحن نقدم منهجية مفصلة لبناء نسخة مدمجة من درع الإشعاع ملفقة مخصصة تم وصفه مسبقاً، وأكثر دقة من الطرق الأخرى التدريع المنشورة التي تسعى إلى تقليل تكاليف الحجم أو بناء درع. الأسلوب يتطلب مواد قليلة جداً: المموج الألواح البلاستيكية والألومنيوم إحباط شريط لاصق والعلاقات الكابل. وتستخدم أحد 15 سم والمربعات اثنين 10 سم من البلاستيك المموج لكل درع. بعد قطع والتهديف، وتسجيل وتدبيس الأوراق، شكل مربعات 10 سم أسفل الدرع طبقتين من الإشعاع الشمسي، بينما تشكل الطبقة العليا من مربع 15 سم. الأوراق الثلاث التي تجري جنبا إلى جنب مع العلاقات الكابل. هذا الدرع ضغط الإشعاع الشمسي يمكن تعليق، أو وضعها على أي سطح مستو. يجب الحرص على التأكد من أن الدرع تماما موازية على الأرض لمنع الإشعاع الشمسي المباشر من الوصول إلى أجهزة الاستشعار، وربما تسبب زيادة التحيز الحارة في المواقع المعرضة للشمس في الصباح وبعد الظهر بالنسبة للاصلي، وأكبر التصميم. ومع ذلك، كانت الفروق في درجات الحرارة المسجلة بين تصميم درع أصغر، والتعاقد والتصميم الأصلي صغيرة (يعني التحيز أثناء النهار = 0.06 درجة مئوية). تكاليف البناء هي أقل من نصف من تصميم درع الأصلي، ونتائج التصميم الجديد في صك أقل بروزا التي قد يكون من المفيد في كثير من البيئات الإيكولوجية الميدانية.
Introduction
ضوء الصنعية الاحترار العالمي، كان هناك اهتمام متزايد في تسجيل درجة حرارة الهواء في مجموعة متنوعة من الإعدادات لفهم والتنبؤ بالاستجابات البيئية للمناخ تغيير1،،من23. مع ظهور مسجلات البيانات البيئية الصغيرة والمنخفضة التكلفة (المشار إليها أيضا كالبيانات قطع الأشجار، أو ثيرموتشرونس، أو هيجروتشرونس)، من الممكن الآن لنشر شبكات عالية الكثافة من أجهزة استشعار لقياس التباين فرط الحرارة المترجمة، زيادة علماء البيئة القدرة على ملاحظة أكثر مباشرة على الظروف البيئية المحيطة بالكائنات الحية والنظم الإيكولوجية قيد الدراسة من ذوي الخبرة. مقارنة بالقائمة، محسوبة جيدا واختبار دقة — ولكن قليلة الموزعة – الطقس الدائمة محطات، مثل هذه الشبكات فرصاً لتقييم التباين المناخي في الجداول ذات الصلة إيكولوجيا ولكن قد يقلل من دقة أو القابلية للمقارنة من بين الدراسات إذا نشر متضارب أو غير لائق.
عادة ما تتطلب أجهزة استشعار درجة حرارة الهواء قرب سطح نوع من الإشعاع الشمسي التدريع لمنع التسخين المباشر لعنصر الاستشعار، مما سيؤدي في القياسات خطأ الحارة. تتضمن الطرق الشائعة للحد من التحيز الاستشعار: 1) باستخدام الميزات الموجودة في البيئة مثل الأشجار لتظليل4, 2) التحيز تصحيح و معايرة أجهزة الاستشعار5 التي تستمد التصويبات استناداً إلى خصائص أجهزة الاستشعار الحراري، واستخدام 3) المصنعة أو مخصص ملفقة شيلدز6،7. اختر العديد من الباحثين لاستخدام دروع ملفقة مخصصة بسبب نشر منخفضة التكلفة وسهلة، والضرورة في حالات حيث لا توفر الظروف البيئية الطبيعية التظليل. بيد أن استعراض الأدبيات الإيكولوجية أشارت إلى أن تصميم دروع ملفقة مخصصة اختلافاً كبيرا بين الدراسات، ونادراً ما يتم اختبار التصاميم الفردية للتأكد من دقتها. لم تختبر دروع يمكن أن تكون عرضه لسوء اختيار المواد والتصميم الذي يسبب تدفئة إضافية من جزيئات الهواء المحيطة مباشرة استشعار أو الاستيعاب المباشر للإشعاع الشمسي بأجهزة الاستشعار نفسها على حد سواء-مما يؤدي إلى تحيز متوسط يصل إلى 3 ° ج7. من ناحية أخرى، تصاميم بسيطة وفعالة من حيث التكلفة6،7 فعالة جداً في التدريع أجهزة الاستشعار (التحيز 1 درجة مئوية أو أقل) وقابلة للمقارنة إلى دروع الإشعاع المصنوعة تجارياً.
هنا، نحن نقدم منهجية مفصلة لبناء درع إشعاع ملفقة مخصصة سابقا تقييم7 للاستخدام مع أجهزة استشعار درجات الحرارة ثيرموتشرون غير مكلفة. تصميم درع تعديل أحد الموصوفة سابقا واختبارها في غابة صنوبر بونديروزا مفتوحة إعداد6. في التجارب التي أجريت مؤخرا لعدة تصميمات الدروع ملفقة مخصص، هذا الدرع الغيمية اختبار أدى إلى التحيز أدنى عندما يقترن ثيرموتشرونس الصغيرة7، ولكن وجدنا أنها مرهقة وواضح جداً لنشر في الميدان. تصميم البروتوكول المقترح هنا يقلل من أبعاد درع الإشعاع بنسبة 50%. هذا تخفيض في حجم له فوائد عديدة: 1) أقل بروزا، وذلك أقل عرضه للتلاعب، 2) أكثر عمليا استخدامها في مجموعة متنوعة من الإعدادات الإيكولوجية حيث يقتصر مساحة (مثلاً، في أشجار الشوارع الحضرية الأصغر)، 3) تكنولوجيا المعلومات هو أكثر دقة من الآخر نشر أساليب التدريع التي تحاول التقليل من حجم الدرع أو تكاليف تشييد7و 4) أقل تكلفة من التصميم الأصلي، وأكبر بسبب انخفاض كمية مواد البناء اللازمة. بعد أن وصف أساليب البناء، ونحن استكشاف أثر تخفيض الحجم على استشعار الدقة بالنسبة لتصميم درع الأصلي باستخدام النتائج من محاكمة ميدانية أجريت في ظروف عالية الإشعاع الشمسي إلى الأسفل.
Protocol
Representative Results
Discussion
دقة والتكرار لقياسات درجات الحرارة الجوية تعتمد على استخدام درع للطاقة الشمسية المناسبة التي تحمي أجهزة الاستشعار من الإشعاع الشمسي المباشر والمنعكس. هنا يصف لنا بناء مثل هذا الدرع الذي أكثر أحكاما في الحجم وأقل تكلفة، أو أسرع لبناء أجهزة مماثلة، وهو موضح سابقا6، دون التضحي?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر مينيك إميلي للمساهمات لتصميم الدراسة الأصلية والتجربة. ونحن نشكر خدك ريان لتسهيل الوصول إلى مواقع الدراسة وبيانات محطة الأرصاد الجوية. وقدمت كولازو خايمي، وفرانك ستيفن، وهنري إيريكا البيانات قطع الأشجار ودروع الإشعاع. وأقر الوصول إلى دراسة موقع “مكتب المناخ الدولة ولاية كارولينا الشمالية”. أي استخدام للأسماء التجارية أو الشركة أو المنتج لأغراض وصفية فقط ولا يعني تأييد الحكومة الأمريكية.
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).
