Name: exploring the effects of atmospheric forcings on evaporation: experimental integration of the atmospheric boundary layer and shallow subsurface
Uploaded: 2015-06-08T13:00:00
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이 연구는 미 육군 연구 사무실 상 W911NF-04-1-0169, 공학 연구 개발 센터 (ERDC)와 국립 과학 재단 (National Science Foundation) 부여 EAR-1029069에 의해 투자되었다. 학부 연구의 여름 프로그램 광산의 콜로라도 학교를 부여하여 또한,이 연구가 지원되었다. 저자는 자신의 공헌 라이언 Tolene와 폴 슐츠을 감사드립니다.

주 : 실험실 테스트는 기후 제어 풍동 장치와 인터페이스 이차원 벤치 스케일 탱크를 사용하여 수행된다. 벤치 규모의 탱크와 풍동 모두 다양한 센서 기술을 계측한다. 다음 프로토콜은 제 풍동 논의 모두의 계측 하였다 건설 토양 탱크의 제조에 대해 논의한다. 제시 탱크 치수 풍동 치수, 센서의 수, 및 센서 기술 유형은 특정 실험 장치의 요구에 적합하도록 변형 될 수있다. 아래 제시된 프로토콜...

<ol>
	<li>Verstraete, M. M., Schwartz, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Desertification+and+global+change.">Desertification and global change.</a> Vegetatio. 91, 3-13 (1991).</li><li>Warren, A., Adams, W. M., Goudie, A. S., Orme, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Desertification.">Desertification.</a> The Physical Geography of Africa. , 342-355 (1996).</li><li>Katata, G., Nagai, H., Ueda, H., Agam, N., Berliner, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+land+surface+model+including+evaporation+and+adsorption+processes+in+the+soil+for+the+land-air+exchange+in+arid+regions.">Development of a land surface model including evaporation and adsorption processes in the soil for the land-air exchange in arid regions.</a> J. Hydrometeorol. 8, 1307-1324 (2007).</li><li>Davarzani, H., Smits, K. M., Tolene, R., Illangasekare, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+the+effect+of+wind+speed+on+evaporation+from+soil+through+integrated+modeling+of+atmospheric+boundary+layer+and+shallow+subsurface.">Study of the effect of wind speed on evaporation from soil through integrated modeling of atmospheric boundary layer and shallow subsurface.</a> Water Resour. Res. 50, (2014).</li><li>Heitman, J. L., Horton, R., Ren, T., Nassar, I. N., Davis, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+test+of+coupled+soil+heat+and+water+transfer+prediction+under+transient+boundary+temperatures.">A test of coupled soil heat and water transfer prediction under transient boundary temperatures.</a> Soil Sci. Soc. Am. J. 72 (5), 1197-1207 (2008).</li><li>Gurr, C. G., Marshall, T. J., Hutton, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Movement+of+water+in+soil+due+to+a+temperature+gradient.">Movement of water in soil due to a temperature gradient.</a> Soil Sci. 74, 335-345 (1952).</li><li>Nassar, I. N., Horton, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+transport+in+unsaturated+non-isothermal+salty+soil:+experimental+results.">Water transport in unsaturated non-isothermal salty soil: experimental results.</a> Soil Sci. Soc. Am. J. 53, 1323-1363 (1989).</li><li>Prunty, L., Horton, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Steady-state+Temperature+Distribution+in+Nonisothermal+unsaturated+closed+soil+cells.">Steady-state Temperature Distribution in Nonisothermal unsaturated closed soil cells.</a> Soil Sci. Soc. Am. J. 58, 1358-1363 (1994).</li><li>Bachmann, J., Horton, R., Ren, T., van der Ploeg, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+thermal+properties+of+four+wettable+and+four+water-repellent+soils.">Comparison of the thermal properties of four wettable and four water-repellent soils.</a> Soil Sci. Soc. Am. J. 65 (6), 1675-1679 (2001).</li><li>Smits, K. M., Sakaki, T., Limsuwat, A., Illangasekare, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+conductivity+of+sands+under+varying+moisture+and+porosity+in+drainage-wetting+cycles.">Thermal conductivity of sands under varying moisture and porosity in drainage-wetting cycles.</a> Vadose Zone J. 9, 1-9 (2010).</li><li>Sakaki, T., Limsuwat, A., Smits, K. M., Illangasekare, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Empirical+two-point+&#945;-mixing+Model+for+calibrating+the+ECH2O+EC-5+soil+sensor+in+sands.">Empirical two-point &#945;-mixing Model for calibrating the ECH2O EC-5 soil sensor in sands.</a> Water Resources Research. 44, W00D08 (2008).</li><li>Shokri, N., Lehmann, P., Or, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaporation+from+layered+porous+media.">Evaporation from layered porous media.</a> J. Geophys. Res. 115, B06204 (2010).</li><li>Van Brakel, J., Mujumdar, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+transfer+in+convective+drying.">Mass transfer in convective drying.</a> Advances in Drying. 1, 217-267 (1980).</li><li>Yiotis, A. G., Subos, A. G. B. o. u. d. o. u. v. i. s. A. K., Tsimpanogiannis, I. N., Yortsos, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+liquid+films+on+the+drying+of+porous+media.">The effect of liquid films on the drying of porous media.</a> AIChE J. 50, 2721-2737 (2004).</li><li>Ishihara, Y., Shimojima, E., Harada, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+vapor+transfer+beneath+bare+soil+where+evaporation+is+influenced+by+a+turbulent+surface+wind.">Water vapor transfer beneath bare soil where evaporation is influenced by a turbulent surface wind.</a> J. Hydrol. 131 (1-4), 63-104 (1992).</li><li>Lehmann, P., Assouline, S., Or, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristic+lengths+affecting+evaporative+drying+of+porous+media.">Characteristic lengths affecting evaporative drying of porous media.</a> Phys. Rev. E. 77 (5 Pt 2), 056309 (2008).</li><li>Trautz, A. C., Smits, K. M., Schulte, P., Illangasekare, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sensible+heat+balance+and+heat-pulse+method+applicability+to+in+situ+soil-water+evaporation.">Sensible heat balance and heat-pulse method applicability to in situ soil-water evaporation.</a> Vadose Zone J. 13, (2014).</li></ol>

이 프로토콜의 목적은 열에 대하여 및 물질 전달 프로세스와 토지 대기 상호 작용 연구를 위해 필요한 높은 공간 및 시간 해상도 데이터의 생성을위한 실험 장치 및 관련 절차를 개발하는 것이다. 실험 장치는 적절한 토양 및 대기 변수 (측정 용 센서의 배열이 장착 된 둘 토양 탱크와 작은 풍동, 이루어져 기술 된 예를 들면, 풍속, 상대 습도, ​​토양, 공기 온도 및 토양 수분 ). 다음은 본 ?...

땅과 대기 사이의 상호 작용을 이해하는 것은 토양의 지질 학적-격리 된 탄소 이산화탄소의 누출, 기후 변화, 물, 식량 공급, 지뢰의 정확한 검출 많은 현재 세계의 문제에 대한 우리의 이해에 가장 중요하고, 지하수의 정화 토양. 또한, 글로벌 및 지역의 기상 조건을 구동 열과 물 차 교류 지구 표면에서 발생한다. 주로 대기 - 육지 표면의 상호 작용 (1)과 관련된 프로세스에 의해 구동된다 (O, 가뭄 등의 예를 들면, 허리케인, 엘니뇨 &amp; # 241)가 많은 날씨와 기후 현상. 지구 육지 표면의 절반 이상이 건조 또는 정확하게 대기하고 토양 표면 사이의 열 및 물 교환에 기초하여 이들 영역에서의 물 순환을 기술 2-4 반 건조 바와 대한 이해를 향상시키는 중요한 상기 문제,특히 확장 된 가뭄과 사막화에 취약한 지역에서. 그러나 연구의 수십에도 불구하고, 여전히 얕은 지하과 분위기 5 상호 작용하는 방식을 현재의 이해에 많은 지식 격차가 남아있다. 토양에서 액체 물, 수증기, 및 열을 포함하는 전송 프로세스는 동적 강하게 토양과의 상호 작용에 대한 결합 및 경계 조건 (즉, 온도, 상대 습도, ​​열 복사)을 적용한다. 숫자 열 및 물질 전달 모델은 일반적으로 인해 시험과 높은 공간적 해상도 데이터의 소수 인한 기존 이론 정련 부족 부분에 지나치게 단순화하거나 이러한 복잡성들을 간과. 모델 검증을 위해 개발 된 데이터 세트는 종종 제대로 수입을 고려하지 않은 수치 모델의 결과로, 제대로 이론을 테스트하는 것이 중요 대기 또는 지하 정보가 부족하다개미 프로세스 또는 조정 또는 모델에 장착되어 제대로 이해 파라미터의 사용에 의존한다. 이 방법은 널리 인해 사용의 단순하고 쉽게 사용하고 많은 장점을 보여 일부 응용 프로그램에서 가지고있다. 그러나,이 접근법은 더 나은 검사 열 및 물 (6)의 이론 전달 능력이 과도 조건에서 제어 실험을 수행하여 이러한 &quot;집중 매개 변수화&quot;뒤에 물리학 이해에 의해 개선 될 수있다. 실험실에서주의 실험은 정밀 데이터 세트 이후 수치 모델의 유효성을 확인하는 데 사용할 수 생성 할 수 있습니다. 필드 사이트에서 사용할 데이터는 종종 얻을 불완전하고 고가이며, 제어의 정도는 처리의 기본적인 이해를 얻기 위해 및 모델 검증을위한 데이터가 일부 경우에 불충분 함이 고려 될 수있다 생성 할 필요가 있었다. 토양 증발과 같은 자연 현상의 실험실 실험은 ATMOS 수 있습니다pheric 조건 (즉, 온도, 상대 습도, ​​풍속) 및 토양 조건 (즉, 토양 형, 기공, 구성, 포장은) 신중하게 제어 할 수 있습니다. 토양 증발과 토양 열 수력 특성을 연구하는 데 많은 실험실 기술은 파괴적인 샘플링 7-10을 사용합니다. 파괴 샘플링 방법은 토양 시료 과도 거동의 측정을 막고 토양의 물리적 특성을 방해, 위치 데이터를 획득하기 위해 압축 해제 될 것을 요구하고; 이러한 접근 방식은 데이터에 오류 불확실성을 소개한다. 비파괴 측정, 여기에 제시된 방법과 같은 토양 특성의 상호 의존성의 더 정확한 결정과 연구를 위해 허용 (11)을 처리합니다. 본 연구의 목표는 대기압에서의 변화 및 ​​표면 상태의 영향에 관한 높은 시공간 해상도 데이터의 생성을위한 토양 탱크 장치 및 연관된 프로토콜을 개발하는 것이다베어 토양 증발. 이 작업을 위해, 일정한 바람의 속도와 온도를 유지할 수있는 소형 풍동은 토양 탱크 장치와 인터페이스된다. 풍동 및 토양 탱크는 자율적이고 연속적인 데이터 수집을위한 첨단 센서 기술의 상태의 제품군을 계측한다. 풍속 압력 변환기에 부착 된 스테인리스 피토 정전기 튜브를 사용하여 측정된다. 온도와 상대 습도는 센서의 두 가지 유형을 사용하여 대기 중에서 모니터링된다. 상대 습도 및 온도는 토양 표면에서 모니터링된다. 지하 측정 토양 수분과 온도 센서. 탱크 장치의 무게 측정 물의 질량 균형을 통해 증발을 결정하기 위해 사용된다. 이 실험 장치 및 프로토콜의 적용 성을 입증하기 위해, 우리는 가변 풍속 조건에서 베어 토양 증발의 예를 제시한다. 잘 특성화 된 모래로 균일하게 포장 된 토양 탱크는, 처음에 완전히 SA했다(즉, 온도, 풍속) turated 조심스럽게 제어 대기 조건 하에서 자유롭게 증발하는 것을 허용했다.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>ECH2O EC-5 Soil Moisture Sensor (25)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40593</td>
			<td>For specifics visit: http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/. Sampling frequency on 10 minute intervals, accuracy is &#177;3%, and collect data using the Em50 dataloggers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECT Soil/Air Temperature Sensor (19)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40651</td>
			<td>For specifications visit http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/. Sampling frequency on 10 minute intervals, accuracy is &#177;0.5&#176;C, Measure within a temperature of 5 and 40&#176;C, and collect data using the Em50 dataloggers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EHT Relative Humidity and Temperature Sensor (5)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Sampling Frequency on 10 minute intervals, accuracy is &#177;3% between 5 and 100% relative humidity, and collect data using Em50 data loggers. For more information visit decagon.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Em50 Data Logger (10)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40800</td>
			<td>For specifics visit http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/. ECH2O decagon devices, pulls data from the ECT, EC-5, and EHT sensors, and each data logger has 5 sensor connections and a com port that connects from the logger to USB to computer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sartorius Weighing Scale (1)</td>
			<td>Sartorius Corporation</td>
			<td>11209-95</td>
			<td>Sartorius Model 11209-95, Range = 65kg, Resolution = &#177;1g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared SalamandernCeramic Radiative Heater (1)</td>
			<td>Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/</td>
			<td>FTE 500-240</td>
			<td>5 heaters needed, adjust to ge thte right ambient/free-flow temperature</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2104 Temperature Control System (1)</td>
			<td>Chromalox</td>
			<td>2104</td>
			<td>Controls the heaters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared Temperature Sensor Regulator (1)</td>
			<td>Exergen Corporation</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Monitors the heaters temperatures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Pitot-Static Tube (1)</td>
			<td>Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/</td>
			<td>Series 160</td>
			<td>For specifics visit http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160. Sensor sampling frequency is every 10 minutes, must be connected to differential pressure transducer and anemometer, and convert the pressure data collected into win velocities using Bernoulli&#39;s equation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/2 inch Acrylic (1)</td>
			<td>Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Specific heat of 1464 J kg^-1K^-1, thermal conductivity of 0.2 W m^-1K-1, and a density of 1150 kg m_-3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galvanized Steel Ducting Material (1)</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Material used to build wind- tunnel, and both round and rectangular ducting were used in construction and connected using square-to-round reducer duct</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable Speed Controller Connected to an In-Line Duct Fan (1)</td>
			<td>Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/</td>
			<td>VS200</td>
			<td>15.3 cm in Diameter Placed in-line with round duct</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galvanized Steel Damper (1)</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Used to control/reduce speeds in the wind tunnel for low velocity data</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accusand #30/40 (1)</td>
			<td>Unimin Corporation http://www.unimin.com/</td>
			<td>N/A</td>
			<td>This sand is silica sand and is 99.8% quartz, its grain shape is classified as rounded, the uniformity coefficient is approximately 1.2, and the grain density is 2.66 g/cm3.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

exploring the effects of atmospheric forcings on evaporation: experimental integration of the atmospheric boundary layer and shallow subsurface

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study evaporation under various surface boundary conditions to improve our current understanding and characterization of this multiphase phenomenon as well as to validate numerical heat and mass transfer theories that couple Navier-Stokes flow in the atmosphere and Darcian flow in the porous media. Experimental data were collected using a unique soil tank apparatus interfaced with a small climate controlled wind tunnel. The experimental apparatus was instrumented with a suite of state of the art sensor technologies for the continuous and autonomous collection of soil moisture, soil thermal properties, soil and air temperature, relative humidity, and wind speed. This experimental apparatus can be used to generate data under well controlled boundary conditions, allowing for better control and gathering of accurate data at scales of interest not feasible in the field. Induced airflow at several distinct wind speeds over the soil surface resulted in unique behavior of heat and mass transfer during the different evaporative stages.

여기에 제시된 실험의 목적은 베어 토양에서 증발에 바람 속도의 효과를 연구하는 것이었다. 본 연구에 사용 된 시험 토양의 주요 특성을 표 2에 요약되어있다. 일련의 실험되는 토양 표면 (즉, 바람의 속도와 온도)에서 다른 경계 조건 (표 3)를 적용한 실시 하였다. 다른 풍속과 온도에서 네 실험이 수행되었지만, 여기에 제시된 실험 결과 대부분 1.22 m / sec의 풍속이...

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Exploring the Effects of Atmospheric Forcings on Evaporation: Experimental Integration of the Atmospheric Boundary Layer and Shallow Subsurface

증발에 대기 강제력의 효과를 연구하기 위해 작은 기후 제어 풍동에 인터페이스 토양 탱크의 설계 및 구성에 대한 프로토콜이 제시된다. 토양 탱크 및 풍동 모두 환경 조건 인 시츄 측정을위한 연속적인 센서 기술로 계측된다.

증발에 대기 강제력의 효과를 탐구 : 대기 경계층과 얕은 표면 하의의 실험 통합

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study ...

Research

JoVE Journal

Environment

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표면 갱신 : 밀도 데이터를 측정하고 처리 현장 규모 에너지 유출에 대한 고급 미기상 방법

Advanced micrometeorological methods have become  increasingly important in soil, crop, and environmental sciences.  For many scientists without formal ...

연구

환경과학

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