Chine : Coopération en matière de mesures de flux Intégration des systèmes CPEC310 et AP200 pour explorer les théories et les techniques de mesure des flux.

Cette étude de cas traite de l'intégration des systèmes CPEC310 et AP200 pour explorer les théories et les techniques de mesure des flux de CO₂/H₂O/gaz traces sur des paysages hétérogènes dans le laboratoire du CERN de l'Académie chinoise des sciences de la forêt de Qingyuan.

Les systèmes CPEC310 (systèmes de flux turbulents à champ fermé) et AP200 (systèmes de profils atmosphériques), ainsi que des capteurs micrométéorologiques, des analyseurs de traces de gaz liés aux nitrates et des systèmes de flux de CO₂ à la surface du sol ont été intégrés dans trois tours de 50 mètres de hauteur, ce qui facilite les études d'écologie et de gestion forestières au laboratoire extérieur du CERN (figure 1) de la Chinese Academy of Sciences Qingyuan Forest. (Le CERN est le China Ecology Research Network.) Tirant parti des nouveaux développements des systèmes CPEC et AP de Campbell Scientific, le réseau intégré de systèmes est une conception de pointe pour explorer les théories et les techniques de mesure des flux de CO₂/H₂O/gaz traces sur les forêts de montagne (c'est-à-dire les paysages hétérogènes). Pour ce faire, il recueille des données à long terme sur les flux dans le bassin versant de la forêt de Qingyuan du CERN recouvert des trois types de forêts (forêt naturelle mixte de feuillus à feuilles caduques, forêt naturelle de chênes de Mongolie et forêt de mélèzes) qui sont les plus courantes au nord-est de la Chine.

Qingyuan Forest CERN CAS

Qingyuan Forest CERN est un laboratoire de terrain directement soutenu par l'Académie chinoise des sciences (CAS) et est administré principalement par l'Institut d'écologie appliquée (IAE), CAS. Il est ouvert à la collaboration internationale entre écologistes, météorologues et hydrologues dans le domaine de la foresterie. Jiaojun Zhu est le directeur de Qingyuan Forest CERN, tout en étant le directeur général de l'IAE, CAS. Sa philosophie de recherche sur les espaces forestiers étant représentative dans la plupart des cas (par exemple, les forêts de montagne sur des paysages hétérogènes, Fig. 1), il a choisi un bassin versant de montagne couvert de forêts naturelles mixtes de feuillus, de chênes naturels et de mélèzes plantés à des fins de recherche pour le CERN de Qingyuan Forest. En 2003, il a conçu et mis sur pied ce laboratoire de terrain afin qu'il soit suffisamment complet pour les grands projets d'écologie et de gestion forestière, ainsi que pour les influences environnementales qui en découlent. Ces projets sont financés par la Fondation nationale chinoise des sciences, la CAS et le Conseil chinois des sciences et de la technologie. Aujourd'hui, des douzaines de projets avec un soutien annuel de plusieurs millions de dollars américains sont en cours d'exécution ici. Des données de qualité à long terme pour quantifier l'échange de CO₂/H₂O et de gaz à l'état de traces liés à l'azote entre les écosystèmes forestiers et l'atmosphère (c.-à-d. les flux au-dessus des forêts) influencés par la croissance et le développement des forêts sous perturbation humaine sont indispensables dans ce laboratoire (Zhu et al., 2018).

Intégration des systèmes CPEC310 et AP200 avec d'autres capteurs

Le domaine des forêts de montagne dans la forêt de Qingyuan (CERN) sur un paysage hétérogène met théoriquement au défi les techniques de mesure des flux qui sont généralement applicables aux paysages homogènes. Exigeant que les données soient aussi continues que possible dans des séries temporelles de qualité, l'objectif majeur du CERN Qingyuan Forest met également en question la qualité et les fonctionnalités des systèmes de mesure de flux. Pour les trois tours, les deux défis ont conduit à choisir l'intégration du CPEC310 et de l'AP200 en tant que composants majeurs de pointe. On a également choisi des capteurs micrométéorologiques de qualité recherche, des analyseurs de traces de gaz liés aux nitrates durables dans diverses conditions météorologiques et des systèmes de flux de CO₂ dans le sol compatibles avec les CPEC310 et AP200 pour le contrôle des systèmes et le partage des données.

CPEC310

Le CPEC310 est un nouveau système CPEC (Fig. 2a et 2c) de Campbell Scientific. Ses mesures de flux de CO₂/H₂O sont la référence utilisée pour évaluer les mêmes mesures par un système d'Eddy corrélation à champ ouvert (OPEC) (Helbig et al. 2016). Comparativement à d'autres systèmes du Continuum, il a une réponse rapide de 4,2 Hz à la fréquence de coupure (Ma et al. 2017), une consommation d'énergie moindre et une performance constante dans diverses conditions météorologiques (Novick et al. 2013). Par rapport à son homologue OPEC, il mesure la température et la pression des flux d'air mesurés avec plus de précision et une meilleure synchronisation grâce à sa conception thermo-équilibrée. Cela permet d'éviter les erreurs de mesure encourues dans un système de l'OPEC dans lequel la pression est supposée statique pour la correction du WPL (Webb et al. 1980, Zhang et al. 2011), et la température pour la correction de l'effet spectroscopique des signaux CO₂/H₂O à haute fréquence (par exemple, 10 Hz) est mesurée en utilisant un capteur classique plus lent (par exemple, une sonde modèle 107. Wang et al. 2016b).

Plus important encore, le CPEC310 présente deux avantages distinctifs :

1. Fonctionnalité de mise à zéro automatique à un intervalle de temps défini par l'utilisateur. Cette fonctionnalité ajuste régulièrement (via les réglages de l'utilisateur) les paramètres du zéro et du span dans l'équation de travail d'un analyseur de CO₂/H₂O (LI-COR Biosciences 2016) en fonction de la température près de laquelle le système fonctionne, ce qui améliore techniquement la précision des mesures des flux CO₂/H₂O.
2. Le logiciel EasyFlux-DL-CR6CP. Ce logiciel contrôle et exploite les mesures et la mise à zéro automatique pendant le traitement des données relatives aux spécifications adoptées par la communauté des flux.

AP200

L'AP200, fabriqué par Campbell Scientific (Fig. 2b et 2d), est le système de profil atmosphérique permettant de mesurer le CO₂/H₂O, la température de l'air et l'humidité relative jusqu'à huit niveaux de hauteur, leur distribution verticale étant organisée par les utilisateurs. Il est couramment utilisé en combinaison avec un système de mesure des flux turbulents. Dans ce cas, il a été intégré au CPEC310. Sur un intervalle de calcul de la moyenne utilisé avec le CPEC310 pour le calcul des flux, les données provenant de différents niveaux sont utilisées pour calculer les variations individuelles du CO₂/H₂O et les accumulations de chaleur entre la biosphère et l'atmosphère au cours du profil jusqu'au niveau du CPEC310 (c.-à-d. le volume témoin). Les changements sont les augmentations/diminutions de la capacité de stockage à l'intérieur du volume de contrôle, en tant que telles, étant appelées conditions de stockage. La quantité de ces termes dépend des interactions des stratifications de la couche limite avec la composition des espèces, les densités de surface et de volume végétatif, et leur distribution spatiale à l'intérieur du couvert forestier. Dans le calcul des flux, par conséquent, l'intégration de ces termes de stockage basés sur un système de profil à réponse rapide avec des flux mesurés par un CPEC310 peut grandement améliorer la fiabilité d'une estimation des flux et même de l'échange net d'écosystème (NEE, Wang et al. 2016a). C'est ce qu'a préconisé récemment le Système international d'observation du carbone pour normaliser la méthodologie de mesure de la durée de stockage dans l'infrastructure du système (Montagnani et al. 2018).

Semblable au CPEC310, l'AP200 présente également deux avantages distinctifs :

1. Les fonctionnalités de l'auto-zero/span
2. Le logiciel EasyFlux-DL-CR1KXAP (en développement)

Le logiciel est adaptable et, pour cette étude de cas, il a été modifié pour tenir compte du profil vertical des anémomètres à coupelle (modèle : 010C, Met One Instrument, OR) et des mesures d'humidité et de température du sol (modèles : CS655, TCAV, Campbell Scientific, UT). Ces ajouts permettent à l'AP200 de mesurer plus de variables d'intérêt pour des analyses complètes.

Capteurs micrométéorologiques

Chaque tour était équipée des capteurs suivants : un radiomètre CNR4 à quatre composants (Kipp & Zonen) mesure le rayonnement entrant et sortant (ondes longues et courtes) sur le couvert forestier (Fig. 3a) ; trois répliques des plaques de flux thermique du sol auto-étalonnées HFP01SC (Hukseflux Thermal Sensors, Delft), TCAV, et CS655 mesure le flux thermique du sol, avec les profils humidité et température (Fig. 3b pour une réplication) ; les radiomètres infrarouges SI-111 mesurent la température de surface à l'intérieur (Fig. 3d2) et à l'extérieur du couvert (Fig. 3d1) ; et un pluviomètre 52202 (R. M. Young Company, MI) mesure la précipitation (Fig. 3c).

Système de flux de CO₂ dans le sol et système de flux de traces de gaz

Chaque tour a été équipée des capteurs suivants : un système de flux de CO₂ à la surface du sol compatible avec le CPEC310 et l'AP200 dans le contrôle du système et le partage des données a été conçu pour le flux de CO₂ provenant du sol forestier, et une analyse des gaz traces (TGA) (Campbell Scientific, UT) a été prévue pour les flux des gaz traces associés à l'azote. Le flux de gaz à l'état de traces sera utilisé pour étudier les cycles des éléments nutritifs dans les trois types de forêts et les interactions environnementales entre les écosystèmes agricoles et forestiers.

Options complètes, qualité recherche et intégration

Des options complètes, lorsqu'elles étaient disponibles, ont été choisies pour tous les systèmes installés dans les trois tours. Le CPEC310 a le choix entre des modules de vannes et des modules de lavage pour obtenir les meilleures performances en matière de mise à zéro automatique et de portée ; l'AP200 a l'option comprenant une bouteille de gaz zéro et le nombre maximal d'entrées d'échantillonnage pour ses mesures les plus fiables ; le CNR4 utilise le CNF4 pour obtenir de meilleures données en soirée, par vent faible et humide ; le 52202 pour les données de pluviomètre utilise un appareil de chauffage qui peut être utilisé pendant la saison froide.

Tous les capteurs installés dans les trois tours sont de qualité de recherche en écologie. Le CNR4 est un radiomètre haut de gamme à quatre composants ; le HFP01SC est la seule plaque de flux de chaleur du sol avec une capacité d'auto-étalonnage pour les forêts ; et le pluviomètre 52202 est un choix de première qualité pour son utilisation sur des tours.

Tous les systèmes de mesure et capteurs sont intégrés dans un système complet. Les données du CPEC310 sont conçues pour être partagées en ligne par l'AP200, le système de flux de CO₂ à la surface du sol et le système de gaz trace, et éventuellement pour calculer les valeurs des variables au niveau de l'écosystème (par exemple, NEE). Ce calcul peut être résumé par la centrale de mesure CR1000X dans l'AP200. Le résumé peut être un fichier de données de base suffisamment robuste pour permettre l'utilisation de la plupart des sujets de recherche sur l'écologie et la gestion des forêts.

Les défis, les avantages et les perspectives

Pour les mesures de flux et les études connexes, les forêts de montagne du CERN de la forêt de Qingyuan sur un paysage hétérogène représentent un défi, et la conception de pointe d'une intégration de CPEC310 et AP200 avec d'autres capteurs de qualité est un avantage. Pour relever le défi et tirer parti de cet avantage, le Laboratoire commun de recherche et de développement CAS-CSI pour la surveillance des flux forestiers de gaz à l'état de traces et d'éléments isotopiques (Laboratoire commun Ker) (Fig. 4) a été créé. Ce laboratoire regroupe des scientifiques de l'Institut d'écologie appliquée, d'autres instituts sous l'égide de la CAS, Campbell Scientific, Campbell Scientific (Beijing) Company Limited, Shenyang Agricultural University, Northeast Forestry University, Beijing Techno Solutions Limited, et des scientifiques étrangers invités en équipe (Fig. 4b).

Tout en recueillant des données à long terme, cette équipe se concentre principalement sur les trois tâches : (1) élaboration de théories et de techniques pour mesurer les flux de CO₂/H₂O et de gaz azotés dans les forêts de montagne des trois types ; (2) formation à la recherche pour les étudiants à la maîtrise et au doctorat, ainsi que pour les stagiaires post doctoraux ; et (3) applications des nouveaux développements de Campbell Scientific en matière de CO₂/H₂O et de systèmes de flux gazeux traces.

L'équipe projetterait trois perspectives : (1) fournir des données à long terme concernant les flux et l'environnement, influencés séparément par les trois types de forêts à l'échelle de l'écosystème, à l'appui de tous les projets de recherche menés au CERN sur la forêt de Qingyuan ; (2) améliorer les théories et techniques pour mesurer les flux des composants atmosphériques sur des paysages hétérogènes ; et (3) démontrer que l'intégration des CPEC310 et AP200 dans la communauté scientifique chinoise est la meilleure solution pour mettre les futurs systèmes de mesure des flux du CERN.

Information sur les contributeurs

• Ning Zheng: Campbell Scientific (Beijing) Company Limited, CAS-CSI Joint Laboratory of Research and Development for Monitoring Forest Fluxes of Trace Gases and Isotope Elements (Ker Joint Laboratory)
• Emily Fu: Campbell Scientific (Beijing) Company Limited
• Tian Gao: Qingyuan Forest CERN, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences; CAS-CSI Joint Laboratory of Research and Development for Monitoring Forest Fluxes of Trace Gases and Isotope Elements (Ker Joint Laboratory)
• Fengyuan Yu: Qingyuan Forest CERN, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences; CAS-CSI Joint Laboratory of Research and Development for Monitoring Forest Fluxes of Trace Gases and Isotope Elements (Ker Joint Laboratory)

References

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