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Applications and Limitations of Sustaining a Cost-Effective Embedded Sensor Network in Complex Terrain: Cordillera Blanca, Peru

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  1. 1. RESEARCH POSTER PRESENTATION DESIGN © 2012 www.PosterPresentations.com El Norte del Perú se enfrentará a una crisis en sus recursos de agua en un futuro cercano debido al retiro del hielo permanente en los Andes. Procesos hidrometeorológicos parcialmente controlados por la variabilidad en la cobertura del suelo, las fuertes pendientes y la orientación de los valles pro-glaciales a lo largo de la vertiente occidental de los Andes, no son usualmente tomados en cuenta por la predicción de los modelos climáticos actuales. Se carece de estudios que comparen factores de calentamiento regionales y locales, particularmente en los Andes peruanos. En 2005, nosotros instalamos una red integrada de sensores automáticos discretos y rentables a lo largo del eje del valle, en conjunto con cuatro estaciones meteorológicas automáticas, con el propósito de entender los factores que controlan el flujo de humedad en la capa límite del valle Llanganuco, Cordillera Blanca, Perú (9 º Sur). Durante casi una década, nuestra red de sensores integrados (embedded sensor network [ESN]), que se extiende a través de la cresta de la Cordillera de los Andes peruanos, ha proporcionado datos para evaluar las condiciones de clima y cambio climático, indicadores críticos a la gestión de recursos hídricos. La permanencia de una alta densidad de mediciones autónomas en extremas condiciones meteorológicas impone desafíos técnicos y logísticos. En este trabajo, reportamos nuestros enfoques para superar estos desafíos y el valor científico de casi una década de observaciones a resolución horaria. Este proyecto incorpora imágenes de LandSat ETM +, ESN, y simulaciones de evapotranspiración (ET) para demostrar la influencia de la topografía del valle y la cobertura de suelo en la variabilidad estacional diurna de la ET. Comparamos ciclos diurnos y estacionales de temperatura, humedad y viento obtenidos de la ESN, con datos de reanálisis tomados cada seis horas. Los resultados sugieren que procesos atmosféricos de capa límite en el valle de influencian la ET y probablemente el balance de masa glacial. Teniendo en cuenta la longitud del registro, los datos ESN pueden adicionalmente otorgar una mejor comprensión de la variabilidad interanual de procesos que ocurren sobre múltiples escalas en valles pro-glaciales, como la influencia del Niño y La Niña. Palabras clave: redes de sensores integrados, valle pro-glacial, evapotranspiración, múltiples escalas, Andes peruanos Resúmen Evapotranspiration Abstract (eng) Northern Peru will face critical water resource issues in the near future as permanent ice in the Andes retreats.  Hydrometeorological processes partially controlled by land cover variability, steep terrain, and orientation of pro‐ glacial valleys along the western slope of the Andes are largely disregarded in current climate model predictions.  Studies that compare regional and local warming factors are lacking, particularly in the Peruvian Andes. In 2005, we  installed an embedded network of discrete, cost‐effective automatic sensors along the valley axis and four automatic  weather stations to better understand near‐surface boundary layer processes controlling moisture flux from the  glacierized Llanganuco Valley, Cordillera Blanca, Peru (9º south). Over nearly a decade, an “embedded” sensor  network (ESN) of ground‐based automated instruments extending across the crest of the Cordillera Blanca of the  Peruvian Andes has provided data for evaluating weather conditions and climate change indicators critical to water  resource management. Sustaining high density autonomous ESNs exposed to extreme meteorological conditions  poses technical and logistical challenges. We report on approaches to overcome these challenges and the scientific  value of nearly a decade of hourly observations.   This project incorporates LandSat ETM+ images, the ESN, and evapotranspiration (ET) modeling to demonstrate  that control of valley topography and land cover on diurnal to seasonal variability of ET. We compare diurnal and  seasonal cycles of temperature, moisture and wind patterns from the ESN with six‐hourly upper air reanalysis data.  Results suggest that atmospheric boundary layer processes within the valley influence ET and plausibly glacial mass  balance. Given the length of record, the ESN data can also inform a better understanding of the inter‐annual  variability of multi‐scale processes in pro‐glacial valleys, including the influence of El Niño and La Niña.   Keywords: embedded sensor networks, pro‐glacial valley, evapotranspiration, multi‐scale, Peruvian Andes Valley Winds References and Acknowledgements • SST Anomaly Plot: http://www.ncdc.noaa.gov/sotc/enso/2007/7 • Evapotranspiration model: Allen RG, Pruitt WO, Wright JL, Howell TA, Ventura F, Snyder R, et al (2006) A  recommendation on standardized surface resistance for hourly calculation of reference ET0 by the FAO56  Penman–Monteith method. Agric Water Manage 81:1–22. • Valley Wind Diagram: Whiteman CD (2000) Mountain Meteorology. Fundamentals and Applications, Oxford  University Press, NewYork: 355 pp. • Special thanks to students Aimee Higgins and Derek Ferris for assitance with evapotranspiration modeling and  processing NCEP data.  Thanks to Jesus Gomez for his support for the field portion and data download and  transmission. 1 Bridgewater State university, Department of Geography, Conant Science and Math Center, Bridgewater, MA 02325, rhellstrom@bridgew.edu 2The Ohio State University, Department of Geography, Byrd Polar Research Center, 1136 Derby Hall, 154 N Oval Mall, Columbus, OH 43210 3Parque Nacional de Huascaran, Huaraz, Perú 4Unidad de Glaciologia Y Recursos Hidricos, Autoridad Nacional de Agua, Huaraz, Perú Robert Å. Hellström1, Bryan G. Mark2, Ricardo Jesus Gomez3, and Alejo Cochachin Rapre4 Applications and Limitations of Sustaining a Cost‐Effective Embedded  Sensor Network in Complex Terrain: Cordillera Blanca, Perú The Study Area and Methods Lapse Rates Southwest‐looking view of Llanganuco valley from Portachuela site near the highest elevation iButton logger (a) and instrumentation: HOBO AWS and precipitation logger (Kaser, U. Innsbruck) (b), iButton sensor and shield (c), Lascar temperature and humidity logger in tree (d), porometer measuring leaf conductance (e), and tensiometer measuring soil water potential (f). Note the highland grasses, steep rocky walls, terminus of glacier above the north wall, and Santa River valley in the distance. Dry and wet periods are compared for the 2005‐06 seasons. Note the significantly warmer. and higher freezing line elevation of the ground‐based lapse rate at 1200hr noon. This suggests strong thermally drive warming of the lower elevations in the valley not detected by the NCEP reanalysis. In combination with the valley wind shown above, it is likely that significant local warming may affect glacial mass extending below about 5700 m. 2005‐06                                              2006‐07 Period P ET0 PET 0 P/ET0 (mm) (mm) (mm) Dry 0.09 3.51 -3.42 0.03 Wet 7.06 1.47 5.59 4.80 a)18Z Dry AWS. b) 18Z Dry NCEP. c) 18Z Wet AWS. d) 18Z Wet NCEP: The results demonstrate that there is a decoupling between the regional (synoptic) and local scale valley wind systems, particularly during the wet season during periods of strong solar afternoon surface heating. 0 5 10 15 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 AirTemperature(C) Time of Day (hour) Dry Wet(a) 0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 RelativeHumidity(%) Time of Day (hours) Dry Wet(b) 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Insolation(Wm2) Time of Day (hour) Dry Wet(c) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Precipitation(mm) Time of Day (hour) Dry Wet(d) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 VapourPressure(kPa) Time of Day (hour) Dry Wet(e) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 VPDeficit(kPa) Time of Day (hour) Dry Wet(f) 0 5 10 15 20 25 30 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 SoilTemperature(C) Time of Day (hour) Dry Wet(g) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 SoilMoisture(m3m3) Time of Day (hour) Dry Wet(h) (2006‐07) Depicted are composite diurnal cycles as recorded by the AWS at the base of the lower lake compared with the upper station a Portachuela. Comparisons for the dry and wet periods include: air temperature (a), vapour pressure (b), lapse rate (c), relative humidity (d), dry period precipitation (e), wet period precipitation (f), solar radiation (g) and wind speed (h). Time is UTC‐5hrs. (2005‐06) Depicted are composite diurnal cycles as recorded by the AWS at the base of the lower lake. Comparisons for the dry and wet periods include: air temperature (a), relative humidity (b), incoming global solar radiation (c), hourly total precipitation—note dry is negligible (d), vapour pressure (e), vapour pressure deficit (f), and soil temperature (g) and volumetric water content (h) at a depth of 10 cm. Day‐to‐day variation is shown by the 1st and 3rd quartiles (25th and 75th percentile) and is designated by small symbols above or below the mean. Time is UTC‐5hrs El Niño La Niña Dry Wet Diurnal and Seasonal Variability

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