Bouw van een Compact Low-Cost stralingsafscherming voor lucht-temperatuur sensoren in ecologische veldstudies
Summary
Met de komst van kleine, goedkope milieu-sensoren is het nu mogelijk voor de implementatie van high-density netwerken van sensoren voor het meten van hyper gelokaliseerde temperatuurschommelingen. Hier bieden wij een gedetailleerde methodologie voor de bouw van een compacte versie van een eerder beschreven aangepaste-verzonnen stralingsafscherming voor gebruik met goedkope thermochrons.
Abstract
Low-cost temperatuursensoren worden steeds meer gebruikt door ecologen klimatologische variatie beoordelen en wijzigen op ecologisch relevante schalen. Hoewel kosteneffectieve, als niet geïmplementeerd met goede zonnestraling afscherming, zullen de opmerkingen opgenomen van deze sensoren eenzijdig en onnauwkeurig. Vervaardigde straling schilden zijn effectief in het minimaliseren van dit vooroordeel, maar zijn duur in vergelijking met de kosten van deze sensoren. Wij bieden hier een gedetailleerde methodologie voor de bouw van een compacte versie van een eerder beschreven aangepaste verzonnen stralingsafscherming, die nauwkeuriger dan andere gepubliceerde beschermend methoden die probeert is te schild grootte of bouw kosten te minimaliseren. De methode vereist zeer weinig materiaal: gegolfde kunststof platen, aluminiumfolie plakband en Kabelbinders. Een 15 cm en twee 10 cm pleinen van gegolfde kunststof worden gebruikt voor elke schild. Na het snijden, scoren, taping en nieten van de bladen, vormen de 10 cm pleinen de onderste twee lagen van de zonnestraling schild, terwijl de 15 cm vierkant de toplaag vormt. De drie bladen worden samengehouden met kabelbinders. Deze compacte zonnestraling schild kan worden geschorst of tegen elke vlakke ondergrond geplaatst. Wees voorzichtig om ervoor te zorgen dat het schild is volledig parallel aan de grond om te voorkomen dat de directe zonnestraling van het bereiken van de sensor, waardoor eventueel verhoogd warme vertekeningen in zon-blootgesteld websites in de ochtend en middag ten opzichte van de oorspronkelijke, grotere ontwerp. Zelfs zo, verschillen in opgenomen temperaturen tussen het schild van de kleinere en compacte ontwerp en het oorspronkelijke ontwerp waren kleine (bedoel overdag bias = 0.06 ° C). Bouwkosten zijn minder dan de helft van het oorspronkelijke ontwerp van het schild, en de resultaten van het nieuwe ontwerp in een minder opvallende instrument dat kan nuttig zijn in vele Veldinstellingen ecologie.
Introduction
In het licht van antropogene global warming, is er een groeiende interesse in de luchttemperatuur opnemen in een verscheidenheid van instellingen te begrijpen en voorspellen ecologische reacties op klimaat veranderen1,2,3. Met de komst van kleine, goedkope milieu datarecorders (ook genoemd dataloggers, thermochrons of hygrochrons), is het nu mogelijk voor de implementatie van high-density netwerken van sensoren voor het meten van hyper gelokaliseerde temperatuurschommelingen, toenemende Ecologen mogelijkheid om directer observeren de ervaren door organismen en ecosystemen onder studie milieu omgevingsomstandigheden. In vergelijking met het bestaande, goed gekalibreerd en rigoureus getest — maar dun gedistribueerde — permanente weer stations, de huidige kansen van dergelijke netwerken te beoordelen van klimatologische variatie op ecologisch relevante schalen maar kan verminderen, nauwkeurigheid of vergelijkbaarheid onder studies als inconsistent of ongepast geïmplementeerd.
In de buurt van het oppervlak lucht temperatuursensoren vergen doorgaans een soort zonnestraling afscherming en voorkom directe verwarming van de sensor-element, dat leiden ten onrechte warme metingen tot zou. Gebruikte methoden voor het beperken van de sensor bias omvatten: 1) met behulp van bestaande milieu functies zoals bomen voor arcering4, 2) bias correctie en sensor kalibratie5 die afgeleid van correcties op basis van de thermische eigenschappen van sensoren en 3) het gebruik van vervaardigd of aangepast vervaardigd shields6,7. Veel onderzoekers kiezen voor aangepaste verzonnen schilden vanwege de lage kosten en gemakkelijke implementatie, en de noodzaak in situaties waar milieuomstandigheden geen natuurlijke schaduw bieden. Echter, een overzicht van de ecologische literatuur aangegeven dat het ontwerp van aangepaste verzonnen schilden sterk onder studies varieert, en individuele ontwerpen zelden voor nauwkeurigheid getest zijn. Ongeteste schilden kunnen gevoelig zijn voor slechte keuze van materialen en ontwerp waardoor extra verwarming van de lucht-moleculen onmiddellijk rond de sensor, directe absorptie van zonnestraling door de sensor zelf of zowel-leiden tot gemiddelde vertekeningen van maximaal 3 ° C7. Aan de andere kant, eenvoudige en kosteneffectieve ontwerpen6,7 zijn zeer effectief bij afscherming sensoren (vertekeningen van 1 ° C of minder) en zijn vergelijkbaar met commercieel vervaardigde straling schilden.
Hier bieden wij een gedetailleerde methodologie voor de bouw van een eerder beoordeeld op aangepaste verzonnen straling schild7 voor gebruik met goedkope thermochron temperatuursensoren. Het ontwerp van het schild is een wijziging van een eerder beschreven en getest in een open Ponderosa Pine forest6instellen. In recente tests van verschillende aangepaste-bewerkte schild ontwerpen, dit schild montane-getest resulteerde in de laagste vooroordelen wanneer in paren gerangschikt met kleine thermochrons7, maar we vonden het omslachtig en ook opvallend te implementeren in het veld. Het hier voorgestelde ontwerp-protocol vermindert de afmetingen van de straling schild met 50%. Een dergelijke verlaging in grootte heeft een aantal voordelen: 1) het is minder opvallende en dus minder vatbaar voor manipulatie, 2) redelijkerwijs meer bruikbaar in een breder scala aan ecologische instellingen waar de ruimte beperkt is (bijvoorbeeld op kleinere stedelijke laanbomen) 3) it is nauwkeuriger dan andere gepubliceerd beschermend methoden die proberen om te minimaliseren van de grootte van het schild of bouw kosten7en 4) het is minder duur dan de oorspronkelijke, grotere ontwerp als gevolg van de verminderde hoeveelheid van de bouwmaterialen nodig. Na het beschrijven van de bouwmethodes, onderzoeken we het effect van de vermindering van de grootte op sensor nauwkeurigheid ten opzichte van het oorspronkelijke ontwerp van de schild met behulp van de resultaten van een veld proces uitgevoerd onder hoog naar beneden zonnestraling voorwaarden.
Protocol
Representative Results
Discussion
De nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van de lucht temperatuurmetingen zijn afhankelijk van het gebruik van een passende zonne-schild dat de sensor tegen directe en teruggekaatste zonnestraling beschermt. Hier beschrijven we de bouw van dergelijke een schild dat is compacter van formaat, goedkoper of sneller om te bouwen dan soortgelijke, eerder beschreven apparaten6, zonder in te boeten nauwkeurigheid. 94% van de opgenomen temperaturen voor de thermochrons uitgerust met het kleinere schild waren b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Emily Meineke voor bijdragen aan het oorspronkelijke ontwerp van de studie en experimenteren. Wij danken Ryan Boyles voor toegang tot de studieplaatsen en weerstation gegevens te vergemakkelijken. Jaime Collazo, Steven Frank en Erica Henry verstrekt de dataloggers en straling schilden. Toegang tot het bestuderen van de site werd goedgekeurd door het Bureau voor het klimaat van de North Carolina staat. Elk gebruik van handel, bedrijf of product namen is voor beschrijvende doeleinden en impliceert geen goedkeuring door de Amerikaanse overheid.
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).
