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Setup, configurazione e calibrazione degli strumenti; raccolta dati.

Ecosearch. Setup, configurazione e calibrazione degli strumenti; raccolta dati. Nicola Arriga Università degli Studi della Tuscia Corso su tecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012. Ecosearch. Setup e configurazione. Cosa configurare e perché? Solo anemometro?

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Presentation Transcript

  1. Ecosearch Setup, configurazione e calibrazione degli strumenti; raccolta dati. Nicola Arriga UniversitàdegliStudidellaTuscia Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  2. Ecosearch Setup e configurazione • Cosa configurare e perché? • Solo anemometro? • Anemometro + IRGA (CO2/H2O) (Infra Red Gas Analyzer) • Anemometro + IRGA+Laser based GA (N2O, CH4) • Anemometro + IRGA+Laser based GA+particle counters. • .... • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  3. Ecosearch Solo Anemometro? • Flussi di calore sensibile tramite velocità del vento e temperatura sonica H=f(cov(W,T)) • Flusso di quantità di moto: t= f(cov(ui,uj)) • Bilancio energetico (LE stima residuale); Rapporto di Bowen (H/LE) • Ricerca sulla turbolenza nello strato limite atmosferico (PBL) • ... • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  4. Ecosearch Cosa serve oltre? • Oltre al solo anemometro • Sistema di acquisizione (PC embedded, “rugged” datalogger) • Variabili meteorologiche? Assolutamente INDISPENSABILI (alcune). • Esempio • Temperatura, Pressione, Umidità relativa dell’aria • Flusso termico e temperatura del suolo • Radiazione (SW-LW radiation) • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  5. Ecosearch Anemometro + IRGA (CO2/H2O) • V. Solo Anemometro e inoltre... • Flussi di massa: C,CO2 Fc=f(cov(W, CO2)), H2O,LE=f(cov(W, H2O))(LE=Latent Heat) • Bilancio del Carbonio (NEE,NEP) e idrico (LE, precipitazione) • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  6. Ecosearch Cosa serve oltre? • Cosa serve oltre ad anemometro + IRGA? • V. Anemometro e inoltre... • Variabili necessarie per “interpretare” quantitativamente i flussi aggiuntivi: Fc=f(?,?) • Esempio • PPFD, irradianze in gamme spettrali ridotte, • umidità del suolo, precipitazione,... • ... • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  7. Ecosearch Configurazione del sistema di misura • Dimensioni del rivelatore • Frequenza di campionamento • Separazione spaziale tra strumenti • Scala di correlazione (Integral scale) • Durata del periodo di acquisizione • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  8. Dimensioni del rivelatore • La quota di misura deve essere un ordine di grandezza (regola dei pollici) maggiore delle dimensioni caratteristiche dell’elemento sensibile del rivelatore (dimensioni della cella, distanza trasduttori anemometrici, etc.) • Perché? • Ipotesi di Taylor della turbolenza congelata. • Costanza del misurando nel tempo (o spazio) caratteristico del procedimento di misura.

  9. Frequenza di campionamento • La frequenza deve essere abbastanza alta da consentire il campionamento dei vortici più piccoli • Dipende dall’altezza: più vicino alla superficie si alza la frequenza minima • Limite massimo? Caratteristiche strumentali, capacità di memorizzazione dati. • Non è necessario assolutamente la massima frequenza: anche 1Hz o meno possono essere sufficienti. Solitamente si imposta a 10Hz/20Hz.

  10. Separazione spaziale • Gli strumenti (es. anemometro e analizzatore, o anemometro e termocoppia) devono essere vicini per garantire di “prendere” tutta la covarianza tra le variabili, ma... • ...Devono essere abbastanza lontani da non disturbarsi a vicenda (soprattutto l’anemometro è sensibile alle distorsioni del flusso). • In funzione della quota di misura e della dimensione caratteristica degli strumenti. Per applicazioni canoniche una distanza minore di 50cm tra i centri dei rivelatori è suggerita. • Preferibile analizzatore sotto all’anemometro.

  11. Scala di correlazione: L • Indica la distanza (spaziale o temporale) all’interno della quale si mantiene la covarianza tra le variabili turbolente (10m-30m; 3s-5s per misure vicine alla superficie) • Utile per determinare la massima distanza tra sensori nello stesso sistema eddy (deve essere molto minore di L) o la minima distanza tra sistemi eddy differenti (misure indipendenti separate più di 5*L)

  12. Durata del periodo di acquisizione • 30minuti(senza discutere se amate la tranquillità e, soprattutto, per condividere correttamente i dati con la comunità) • Scelto in funzione delle condizioni esterne e del sito particolare (se interssati a studi basici di turbolenza o per indagini specifiche oppure se siete masochisti)

  13. Ecosearch Che variabile misuriamo? • IRGA’s misurano direttamente la densità molare (molar density) della grandezza scalare c, (espressa in molcm-3) • Per misurare correttamente i flussi serve il rapporto di mescolanza (mixing ratio) della stessa grandezza, (espresso in mole mole-1) riferito all’aria secca. Come fare? • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  14. Ecosearch Misure dirette “da correggere” • Necessarie variabili aggiuntive per convertire tra grandezze diverse • Closed/Enclosed Path: Pressione e temperatura della cella, concentrazione H2O. • Cammino aperto: Pressione e temperatura dell’aria (termini WPL) • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  15. Ecosearch Informazioni aggiuntive • Diagnostica • Timestamps “indipendenti” • Grandezze raw (Il più possibile misure dirette) • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  16. Ecosearch Calibrazione (non Taratura) • Cos’è una calibrazione? • VIM definition: 2.39 (6.11) operation that, under specified conditions, in a first step, establishes a relation between the quantity values with measurement uncertainties provided by measurement standards and corresponding indications with associated measurement uncertainties and, in a second step, uses this information to establish a relation for obtaining a measurement result from an indication. NOTE 2 Calibration should not be confused with adjustment of a measuring system, often mistakenly called “self-calibration”, nor with verification of calibration. • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  17. Taratura? (Adjustment and verification) • Cos’è un “adjustment”? • VIM definition 3.11 set of operations carried out on a measuring system so that it provides prescribed indications corresponding to given values of a quantity to be measured NOTE 1 Types of adjustment of a measuring system include zero adjustment of a measuring system, offset adjustment, and span adjustment (sometimes called gain adjustment). NOTE 2 Adjustment of a measuring system should not be confused with calibration, which is a prerequisite for adjustment. NOTE 3 After an adjustment of a measuring system, the measuring system must usually be recalibrated.

  18. Ecosearch Calibrazione (non Taratura) • Cosa devo calibrare? • Tutto? • Tutto quello che posso? • Ordine di “preferenza” in base alla propagazione delle incertezze e all’impatto relativo • Analizzatore • Termoigrometro • Radiometro • ...? • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  19. Ecosearch Calibrazione/Taratura • Ogni quanto tempo devo verificare, “aggiustare” e calibrare? • Dotarsi di “riferimenti” e verificare in situ o in laboratorio, possibilmente • Mix Gas/Aria-secca con concentrazioni ad alta accuratezza NON UTILIZZARE Mix Gas/Azoto • Generatori di punto di rugiada per H2O • Sensori ad alta accuratezza e precisione (Igrometri a specchio raffreddato per RH, termocoppie Pt100) • Mensilmente (almeno) gli analizzatori • Annualmente presso strutture certificate o direttamente dal costruttore • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  20. Esempio pratico • Errore sistematico di 5hPa nella misura della pressione atmosferica • Errore sistematico di 5°C nella misura della temperatura dell’aria • Possiamo calibrare un solo strumento presso laboratori accreditati o direttamente dal fornitore: quale salviamo e quale sacrifichiamo?

  21. Criteri generali • Errore relativo: dx/x • Funzione della variabile e, dove possibile, propagazione delle incertezze secondo GUM Salviamo la Temperatura dell’aria

  22. Ecosearch Perché tarare o calibrare? • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  23. Ecosearch Ecco perché! • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  24. Ecosearch Bibliografia consigliata 1 Monografie sui vari aspetti della Micrometeorologia: • Aubinet, Vesala, Papale (Ed.s) 2012. Eddy Covariance. Springer • Foken, 2008. Micrometeorology. Springer • Stull, 1988. An Introduction to: Boundary Layer Meteorology. Kluwer Academic Publishers. • Garratt, 1992.The Atmospheric boundary layer. Cambridge University Press • Kaimal, J.C. & Finnigan, J.J., 1994. Atmospheric Boundary layer flows: Their structure and measurement. Oxford University Press. • WMO 2008. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. 7-th edition. WMO-Génève • BIPM-CIPM 2008. Evaluation of Measurement data - Guide to the expression of uncertainty in measurement. JCGM • BIPM-CIPM 2008. International vocabulary of metrology- Basic and general concepts and associated terms (VIM). JCGM • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

  25. Ecosearch Bibliografia consigliata 2 Articoli scientifici su riviste specializzate: • Aubinet M. at al. 2000. The EUROFLUX methodology. Adv. Ecol. Res 30, pp. 113-175 • Baldocchi D.D., 2003. Assessing the eddy covariance technique... Global Change Biology 9, pp. 479-492 • Horst, T.W. & Weil, J.C..How far is far enough? The fetch requirements for micrometeorological measurement of surface fluxes. J. Atmos. Ocean. Technol., 11, pp.1018-1025 • Kristensen , L. et al 1997.How close is close enough when measuring scalar fluxes with displaced sensors? J. Atmos. Ocean. Technol., 14, pp. 814-821 • Kroon P. et al., 2009. Uncertainties in eddy covariance flux measurements assessed from CH4 and N2O observations. Agricultural&Forest Meteorology, • Lenschow, D.H. et al 1994.How long is long enough when measuring fluxes and other turbulence statistics? J. Atmos. Ocean. Technol., 11, pp.661-673 • Mahrt L., 2010. Computing turbulent fluxes near the surface: needed improvements. Agricultural&Forest Meteorology, 150, pp. 501-509 • Rannik U. et al 2006. Uncertainties in measurement and modelling of net ecosystem exchange of a forest. Agricultural&Forest Meteorology, 138, pp. 244-257 • Corsosutecniche Eddy Covariance - Todi 12-14 e 17-19 Settembre 2012

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