基礎： 水フラックスシステム
水フラックスシステムとは何ですか?
水フラックスシステムは、大気の表層における生物圏と大気の間の水(H2O)交換を測定、記録、処理するために使用されるコンポーネントの統合システムです。 これらのシステムは、世界中のさまざまな土地タイプ (森林、草地、作物、低木など) で使用され、管理や研究の目的に必要な情報を提供します。 堅牢な設計、低電力要件、低メンテナンス、およびネットワーク監視ソフトウェアを備えた水フラックスシステムは、高額な現場訪問を必要とせずに、長期間リモートで操作できます。
注意: 「水フラックスシステム」を表す類似の用語には、「H2O フラックス」、「潜熱フラックス」、「LHF」、「蒸発散量」、「ET」などがあります。
水フラックス システムはどのように機能しますか?
Campbell Scientific が提供する水フラックスシステムは、渦共分散法を使用して生物圏と大気の間の水交換を測定します。この技術は、高解像度、高速応答の 3D 超音波風速計、高速応答のガス分析装置、データロガー、フラックス処理プログラムに依存します。
水フラックス システムのさまざまなコンポーネントは何ですか?
渦共分散法を使用する一般的な水フラックスシステムは、次のようなさまざまなコンポーネントで構成されています。
- 高解像度、高速応答の 3D 超音波風速計
- 高速応答のガス分析装置
- データロガー
- フラックス処理プログラム
- 表面エネルギー バランス センサ
- 補助的な生物気象学センサ
- 取り付け構造
- リモート通信
3D 超音波風速計
3D 超音波風速計 (Campbell Scientific の CSAT3B, CSAT3A, IRGASON® など) は、3 組のトランスデューサ間の音の飛行時間を測定することで、3 つの直交する風成分と音速を測定します。水フラックス システムでは、3D 超音波風速計で測定された垂直風の乱流変動を赤外線ガス分析装置と組み合わせて使用し、H2O 交換の規模と方向を推定します。この機器は、大気中の小さな渦を捉えるのに十分な周波数応答を備えている必要があります。Campbell Scientific のすべての超音波風速計は、水フラックスシステムで使用するのに十分な周波数応答を備えています。
ガス分析装置
水フラックスシステムのガス分析装置は、フラックスのスカラー成分を測定します。Campbell Scientific の H2O 交換測定用ガス分析装置 (IRGASON®, EC150 EC155) は、非分散型中赤外線 (NDIR) 吸収分析装置です。赤外線源は、光路に沿って検出器に渡されます。干渉フィルタを使用して、H2O 吸収と H2O 透過率に対応する光波長をフィルタします。したがって、分析装置のデュアル波長特性により、別の参照セルと検出器を必要とせずに、参照とサンプルの両方の読み取りが提供されます。
渦共分散法で水フラックスを測定するために使用されるガス分析装置は、空気力学的であり、小さな渦を分解できるほど速くサンプリングする必要があります。
- Campbell Scientific では、オープンパス ガス分析装置は、超音波風速計のサンプリング ボリュームに隣接して大きな鈍角ボディのガス分析装置を配置する他の設計と比較して、空気力学的であり、流れの歪みを最小限に抑えるように設計しました。
- クローズドパス設計では、サンプルの吸気口と入口のサイズを最小限に抑えることで、流れの歪みも最小限に抑えられます。
ガス分析装置は、大気中の小さな渦に迅速に対応できる必要もあります。IRGASON®, EC150 EC155 はすべて、水フラックスシステムで使用するのに十分な周波数応答を備えています。
注意: EC155 は、CPEC300, CPEC306 または CPEC310 システムの一部として注文されます。
データロガー
ほとんどすべてのアプリケーションにおいて、Campbell Scientific の水フラックスシステムはデータロガー (CR3000, CR6, CR1000または CR1000X) と連動して動作します。
- オープンパス水フラックスシステムの場合、データロガーは次の目的で使用されます:
- 生データを保存します。
- 生データを処理してフラックスを保存します。
- ステーションへのリモート通信を可能にします。
- システムに関する診断情報を提供します。
- クローズドパス水フラックスシステムの場合、上記の機能に加えて、データロガーはポンプの流量とバルブの切り替え (ゼロ/スパンのキャリブレーション用) の制御も提供します。
フラックス処理プログラム
の水フラックスシステムで使用されるデータロガーには、データ保存とシステム操作のためのプログラムが必要です。オープンパスおよびクローズドパス水フラックスシステムの場合、このプログラムは当社の EasyFlux® DL 製品の一部として提供されます。 EasyFlux® DL は、科学文献に記載されている一般的な補正を適用することで、生の高周波時系列データから処理された完全に補正された水フラックスをデータロガーが報告できるようにする CRBasic プログラムです。さらに、このプログラムは診断情報と校正情報を保存します。
表面エネルギーバランスセンサ
水フラックスシステムには、表面エネルギーバランスを測定するための追加のセンサが装備されていることがよくあります。表面エネルギーバランスは、正味放射 (Rn)、土壌熱フラックス (G)、潜熱フラックス (LE)、および顕熱フラックス (H) で構成されます。CNR4-L, NR01-L, または NR-LITE2-L (Campbell Scientific 製) は、正味放射を測定するために使用されます。Campbell Scientific 水フラックスシステムでは、HFP01-L または HFP01SC-L 熱フラックスプレートが、CS616 または CS65(x) 水分含有量反射計および TCAV-L 平均化熱電対とともに使用され、地表熱フラックスが計算されます。ガス分析装置と超音波風速計は、潜熱フラックスと顕熱フラックスの水フラックス測定を提供します。表面エネルギーバランスの検査を実行すると、エネルギーの保存がチェックされ、測定におけるフラックスの信頼性またはバイアスの推定値を提供できます。
バイオ気象学センサ
前のセクションで説明した表面エネルギーバランスセンサと組み合わせて、追加のバイオ気象学センサが水フラックスシステムで使用されることがよくあります。 Campbell Scientific の水フラックスシステムでは、温度および相対湿度プローブ (HMP155A-L または EE181-L など)、雨量計 (TE525-L など)、赤外線リーフ放射計 (SI-111 など) が含まれます。 これらのセンサからのデータは、ギャップ充填フラックスデータや環境条件の理解に重要です。
取り付け構造
Campbell Scientific は、高さ 2 ～ 9 m の水フラックスシステムを取り付けるための三脚とタワーを提供しています。 これらの製品には、CM106B, CM110, CM120, UT10, UT20, UT30 などがあります。
注意: 機器の配置を決定する際には、フラックス フットプリントを考慮する必要があります。
リモート通信
携帯電話、無線、または衛星遠隔周辺機器を使用して、水フラックスシステムへのリモート通信を行うことができます。これにより、完全に処理されたフラックスのデータ監視とデータ転送が可能になります。さらに、EasyFlux® Web を追加することで、世界中のどこからでもリモート水フラックスシステムの機関ネットワークを簡単に監視できます。
水フラックス システムはそれぞれどう違うのですか?
水フラックスシステムは、いくつかの異なるレベルで比較および対比できますが、次に、留意しておくと役立つ主な特性をいくつか示します。
- 品質
- 渦共分散アプローチ
- 水フラックス測定の共存
品質
Campbell Scientific は、地球上で最も過酷な環境条件でも動作する高品質のデータロガーで知られています。これらのデータロガーは、当社の水フラックスシステムの核心です。さらに、Campbell Scientific は、水フラックス測定を行うための現場で耐久性のある堅牢な分析装置も提供しています。当社の低電力 H2O 分析装置は、ガス分析装置によって生成される熱などのバイアスを測定から排除しながら、遠隔地のソーラーパネルシステムで安心して使用できるように最適化されています。さらに、当社の CSAT 超音波風速計は、乱流測定におけるトランスデューサによる影の影響を最小限に抑えるために、水平から 60 度に設定された最適化されたパス長の小径トランスデューサを使用して設計されています。CSAT には、風がトランスデューサ パス長と平行に吹く場合のオプションの補正も含まれています。
渦共分散アプローチ
蒸発散量を推定するための水フラックス測定では、渦共分散法が一般的に使用されます。ただし、オープンパスとクローズドパスの 2 つの異なるアプローチを使用できます。
- オープンパス方式で水フラックスを測定するには、ガス分析装置を使用して、光源から検出器まで大気中を伝搬する赤外線ビームの吸収を測定します。
- クローズドパス方式では、ポンプを使用してサンプルセルに空気を流し込み、密閉されたサンプル内のガスを測定します。
当然、それぞれの方式には長所と短所があります。
クローズドパス システム
クローズドパス システムの利点は次のとおりです。
- これらのシステムは、ガス測定が行われるパスの温度と圧力の両方を測定するため、水フラックス測定に対する密度の影響を補正する必要がありません。
- クローズドパス システムでは、既知の標準を使用して自動校正チェックと手順を実行できます。
- ガスの測定は密閉されたサンプルセル内で行われるため、悪天候が機器の性能に影響を与えることは通常ありません。
クローズドパス システムには、次の短所があります。
- これらのシステムは、サンプリングポンプがあるため、電力要件が高くなります。
- サンプリング ラインが汚染されると、周波数応答が低下します。
- 遅延時間の補正が必要です。
オープンパス システム
オープンパス システムの利点は次のとおりです。
- これらのシステムにはサンプリングラインが含まれないため、通常は周波数応答が高くなります。
- オープンパス システムではポンプを使用しないため、電力要件は低くなります。
- オープンパス システムでは配管やポンプが不要なため、機器の設置が簡単になります。
オープンパス システムには次の欠点があります。
- 大気にさらされるため、悪天候によりデータ ギャップが大きくなる可能性があります。
- オープンパス システムでは通常、測定パスで温度と圧力を測定しません。そのため、フラックスに対する密度の影響の補正が必要です (Webb Perman Luening 補正)。
水フラックス測定の共存
水フラックスシステムで使用される測定機器には、共存測定を行うための統合センサが付いている場合と付いていない場合があります。
真に共存する設計では、空間分離によるフラックス損失を回避できます。これは、機器が表面に近いほど重要になります。さらに、共存する設計では、ガス測定のパスに音速温度が提供されるため、ポイントごとの混合比に基づいてフラックスを計算できます。
超音波風速計とガス分析装置間の距離が固定された計測器は、大きな迎え角で分析装置ハウジングによって生じる風の流れの歪みの影響を最小限に抑えます。ただし、このような空間分離を備えた計測器では、ガス測定経路で音速温度測定が行われなくなるため、フラックス損失を考慮するための補正係数とフラックスの密度補正が必要になります。
アプリケーションに適した水フラックスシステムをどのように選択すればよいですか?
水フラックス システムの選択は、慎重に検討する必要がある重要な決定です。選択プロセスのサポートについては、下記の詳細な購入の考慮事項のセクションを確認してください。
ご購入時の注意事項 ：水フラックスシステム
利用可能なさまざまな水フラックスシステムを評価し、最終的にどのシステムが最も適しているかを判断するには、まずアプリケーションのニーズと要件を特定する必要があります。必要に応じて、関連するドキュメント、許可、または規制を確認してください。これらの項目に精通していると、選択したシステムがコンプライアンス要件を満たすことが保証されます。
注意: ここで説明する考慮事項は包括的なリストではありませんが、選択プロセスを通じてお客様を支援するために役立つ一般的な考慮事項を提供するのに役立ちます。
要件の優先順位
測定関連の優先順位は、適切な機器を選択する上で非常に重要です。
| 渦共分散アプローチ |
オープンパス アプローチとクローズドパス アプローチのどちらが必要かを判断します。
|
| 共存測定 | オープンパス アプローチを選択した場合は、風速とスカラー ガスの測定を共存させる必要があるかどうかを判断します。
|
- 水フラックス測定用に、Campbell Scientific は、IRGASON® (統合型 CO2 および H2O オープンパス ガス分析装置と 3-D 超音波風速計) や EC150 (CO2/H2O オープンパス ガス分析装置) とCSAT3A (3-D 超音波風速計) などのオープンパスセンサを提供しています。
- 個別のガス分析装置と超音波風速計を必要とする水フラックス測定用に、Campbell Scientific は CSAT3A 3-D 超音波風速計と EC150 CO2/H2O オープンパス ガス分析装置を提供しています。
サイトのアクセス不可
水フラックスシステムの設置場所が遠隔地にあり、簡単にアクセスできない場合は、予定している現場訪問頻度に適したコンポーネントを選択する必要があります。
| 電力要件 |
継続的な監視を行うには、水フラックスシステムのすべてのコンポーネントの合計消費電力を満たすサイズの電源が必要です。
|
| メンテナンス |
他の高性能機器と同様に、さまざまな水フラックス コンポーネントの一定レベルのメンテナンス (クリーニング、キャリブレーション、交換) が定期的に必要です。システム コンポーネントの推奨キャリブレーションとメンテナンスの頻度を確認し、従業員のリソース、サイト訪問の移動時間、機器コストの観点からメンテナンス予算を作成できるようにします。フィールド キャリブレーション ツールなどを使用して現場で処理できるメンテナンス タスクと、機器を製造元に送る必要があるメンテナンス タスクを判断します。データなしでのダウンタイムが許容できない場合は、十分な交換部品 (バッテリなど) とバックアップ機器を用意してください。 |
| 通信 |
現場に行かずにデータを収集して表示することが重要な場合は、利用可能な遠隔周辺機器 オプションを調べてください。ワイヤレス伝送が利用できる場合は、遠隔周辺機器を使用して水フラックスデータをリモートで送信できます。考えられる通信オプションは次のとおりです。
各通信オプションには、確認する必要がある独自の要件があります。たとえば、各オプションの伝送距離またはエリア、および該当するサービス要件を確認します。特定のオプションが利用できない、または必要なカバレッジを提供しない場合があります。 |
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