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Wissenschaftliche Vergleichstests von Wetterstationen, Daten zur Variabilität von Wettersensoren und mehr

Forschungsfähige Wettersensoren, die in Fernwetterstationen und Wetterüberwachungssysteme integriert sind, messen Klimaparameter wie Niederschlag, Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit. Diese Parameter können sich in der natürlichen Umgebung über kurze Entfernungen erheblich verändern. Bei den meisten Wetterstationsbeobachtungen wird jedoch entweder die räumliche Auflösung für die wissenschaftliche Genauigkeit geopfert oder die wissenschaftliche Genauigkeit für die räumliche Auflösung. Die wissenschaftliche All-in-One-Wetterstation ATMOS 41 für Forscher stellt eine Optimierung von beidem dar. Sie wurde sorgfältig entwickelt, um die Genauigkeit zu einem Preis zu maximieren, der räumlich verteilte Beobachtungen ermöglicht. Da viele Forscher häufige Wartungsarbeiten und lange Aufbauzeiten vermeiden müssen, wurde die wissenschaftliche Wetterstation ATMOS 41 so konzipiert, dass sie weniger komplex ist und einem langfristigen Einsatz in rauen Umgebungen standhält. Um Brüche zu vermeiden, enthält sie keine beweglichen Teile und muss nur alle zwei Jahre neu kalibriert werden. Da alle 14 Messungen in einer einzigen Einheit zusammengefasst sind, kann sie schnell und fast ohne Aufwand eingesetzt werden. Er muss lediglich auf einem Mast mit freiem Blick auf den Himmel montiert und ausgerichtet werden.

Wie funktionieren andere wissenschaftliche Wetterstationen Gegenüberstellung auf ATMOS 41?

METER hat die ATMOS 41 Fernwetterstation im Januar 2017 nach umfangreichen Entwicklungs- und Testarbeiten mit Partnerschaften auf der ganzen Welt, in Afrika, Europa und den USA, veröffentlicht. Wir haben Vergleichstests mit qualitativ hochwertigen, für die Forschung geeigneten Wettersensoren anderer Hersteller durchgeführt und Zeitserientests für die Variabilität der einzelnen Sensoren durchgeführt. Nachfolgend finden Sie die Ergebnisse.

Vergleich der Niederschlagssensoren

Die wissenschaftliche Wetterstation ATMOS 41 nutzt die neueste Technologie, um die traditionellen Messmethoden zu verbessern. Eine der wichtigsten Innovationen der ATMOS 41 ist die Technologie des Tropfenzählers für den Regenmesser. Sie verwendet vergoldete Elektroden, um einzelne Tropfen zu erkennen und zu zählen, die aus einer Düse kommen, die genau so konstruiert ist, dass sie eine äußerst wiederholbare Tropfengröße erzeugt. Diese Technologie ohne bewegliche Teile ist weniger anfällig für mechanische Störungen als herkömmliche Kipplöffelgeräte. Drei Kipplöffel-Regenmesser (Texas Electronics und ECRN-100) wurden in unserem Niederschlagstestgebiet in Forks, WA USA (der regenreichste Ort in den unteren 48 US-Staaten) zusammen mit drei ATMOS 41 Wettersensoren eingesetzt. Alle Sensoren wurden im Abstand von zwei Metern über dem Boden angebracht. Die Daten von über vier Monaten aus dem Winter und Frühjahr 2018 sind in Abbildung 1 dargestellt. Interessanterweise repräsentieren die drei Kipplöffel-Messgeräte die höchsten und die zwei niedrigsten kumulierten Niederschlagssummen, wobei alle drei ATMOS 41 Fernwetterstationen die kumulierten Niederschlagssummen zwischen den Kipplöffel-Messgeräten messen. Obwohl die Streuung bei den Kipplöffel-Messgeräten es schwierig macht, solide Schlussfolgerungen zu ziehen, stimmen alle drei ATMOS 41 Fernwetterstationen innerhalb von 3% des Durchschnitts der Kipplöffel-Messungen überein.

Sonneneinstrahlungs-Wettersensor-Vergleich

Die Vergleiche der Sonneneinstrahlungs-Wettersensoren wurden auf dem Dach des METER-Campus in Pullman durchgeführt. Ein CMP3 von Kipp & Zonen wurde im Herbst 2017 etwa einen Monat lang zusammen mit einer ATMOS 41 Fernwetterstation aufgestellt. Die Messwerte wurden über einen Zeitraum von 15 Minuten gemittelt, und die Daten zeigen eine gute Übereinstimmung auf der Grundlage des 1:1-Plots (Abbildung 2). Eine lineare Regression zeigt eine Unterschätzung von 3% durch das ATMOS 41 Pyranometer.

Lufttemperatur-Wettersensor-Vergleich

Die wissenschaftliche All-in-One-Wetterstation ATMOS 41 verwendet einen Mikrothermistor in der Anemometeröffnung und korrigiert die Auswirkungen von Sonneneinstrahlung und Wind mit Hilfe eines grundlegenden Energiebilanzansatzes. Sonneneinstrahlung und Windgeschwindigkeit werden kombiniert, um die Lufttemperaturmessung für solare Erwärmung und konvektive Abkühlung zu korrigieren, anstelle des üblichen Strahlungsschutzes mit Lamellen. Diese Methode wurde auf dem METER-Campus in Pullman optimiert und verifiziert, wobei ein Mikrothermistorsensor in einem Apogee TS-100 Strahlungsschild als Lufttemperaturstandard verwendet wurde. Die Verifizierungsergebnisse zeigen ein 95%iges Konfidenzintervall von +/- 0,6 °C für die ATMOS 41 Lufttemperaturmessung (Abbildung 4), was deutlich besser ist als der erwartete Fehler eines typischen Wettersensors, der in einem nicht angesaugten Schild untergebracht ist. Weitere Informationen zur Lufttemperaturkorrektur finden Sie in unserem Webinar "Stop Hiding Behind a Shield".

Relative Luftfeuchtigkeit Wettersensor Vergleich

Die verbesserte Lufttemperatur wird verwendet, um die relative Luftfeuchtigkeit genau zu korrigieren. Alle METER-Sensoren für relative Luftfeuchtigkeit werden einzeln kalibriert und auf drei Feuchtigkeitsstufen anhand eines Taupunkthygrometer-Standards überprüft. Abbildung 5 zeigt die Datenkonsistenz zwischen den Sensoren. Es werden jeweils ein bis 16 Sensoren kalibriert, die bei allen drei Feuchtigkeitsniveaus auf ein Pass/Fail-Kriterium von 2% relativer Luftfeuchtigkeit geprüft werden. Die Daten zeigen eine hervorragende Konsistenz zwischen den Sensoren, die in der Regel mit einer Genauigkeit von 1% der tatsächlichen Luftfeuchtigkeit kalibriert werden.

Die im Feld erfassten Daten verwenden den integrierten Sensor für relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur zur Berechnung des Dampfdrucks (kPa). Abbildung 6 zeigt die Leistung des Sensors im Feld über einen Zeitraum von acht Tagen und gibt eine Vorstellung davon, was Sie in Bezug auf die Konsistenz der Dampfdruckmessungen erwarten können.

Vergleich der Windgeschwindigkeit und -richtung von Wettersensoren

ATMOS 41 Windgeschwindigkeits- und Richtungssensoren der Wetterstation wurden von einem unabhängigen, nach ISO 17025 zertifizierten Labor getestet. Die Windgeschwindigkeit wird mit einem Ultraschallanemometer gemessen, das im Gegensatz zu einem Schalenanemometer keine beweglichen Teile hat. Die Windrichtung wird ebenfalls mit Ultraschallanemometern gemessen, da zwei Schallwandler im 90-Grad-Winkel zueinander angeordnet sind. Das eingravierte N auf dem Gerät muss auf den geografischen Norden ausgerichtet sein, um die genaue Windrichtung aufzuzeichnen. Die Daten sind in Abbildung 7 (Windgeschwindigkeit) und Tabelle 1 (Windrichtung) dargestellt.

Tabelle 1. Windrichtungsdaten, Durchschnitt von 3 Datenpunkten

Barometrischer Druck Wettersensor Vergleich

Jeder ATMOS 41 wissenschaftliche Wettersensor für den barometrischen Druck wird individuell gegen eine NIST-rückführbare Druckreferenz kalibriert. Die Differenz zwischen der Druckreferenz und dem Drucksensor muss innerhalb von +/- 0,1 kPa liegen. Die Differenz wird dann als Offset auf dem Sensor gespeichert. Abbildung 8 zeigt die Leistung von sieben ATMOS 41 Fernwetterstationen auf dem METER-Teststand. Die Unterschiede zwischen dem oberen und unteren Druck liegen bei etwa 0,2 kPa.

Vergleichsdaten des Neigungssensors

Die wissenschaftliche Wetterstation ATMOS 41 verfügt auch über einen Neigungssensor, der Sie warnt, wenn es ein Problem mit der Wasserwaage gibt. Die Neigungssensoren werden in der METER-Produktionskalibrierungsvorrichtung mit einer Wasserwaage als Indikator nullgestellt. Abbildung 9 zeigt die Leistung des Neigungssensors unter Verwendung von sieben ATMOS 41s auf dem Prüfstand. Die blauen Linien zeigen ein Beispiel für einen Sensor, der aus dem Lot geraten war und anschließend entdeckt und korrigiert wurde. Jeder Beschleunigungssensor zeigte ein relativ geringes Rauschen und eine hohe Wiederholbarkeit. Es ist wichtig anzumerken, dass gelegentliche Episoden mit höherem Rauschen auf hohe Windgeschwindigkeiten und Instabilität der Montagevorrichtung zurückzuführen sind und nicht auf Probleme mit dem Sensor.

ATMOS 41 wissenschaftliche Wetterstation - erschwinglich, genau, zuverlässig

Die Daten unabhängiger Vergleiche von Wettersensoren und gleichzeitiger Beobachtungen zeigen, dass die Wetterstation ATMOS 41 das Ziel von Messungen in Forschungsqualität in einem einfachen, robusten und leicht zu wartenden Gerät erfüllt. Ihre einzigartigen Konstruktionsmerkmale wie ein Anemometer ohne bewegliche Teile und ein tropfenzählender Regenmesser ermöglichen langfristige, genaue Messungen in einer rauen Umgebung. Und da sie erschwinglich ist, kann man sich darauf verlassen, dass sie die entscheidenden räumlich verteilten Daten liefert, die die Lücken in den meteorologischen Messungen schließen werden. Lesen Sie weiter, um mehr über die Leistung der wissenschaftlichen Wetterstation ATMOS 41 zu erfahren.

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Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.

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Kann der strahlungsexponierte Temperatursensor in der wissenschaftlichen Wetterstation ATMOS 41 genau sein?

Trotz ihrer scheinbaren Einfachheit ist die Lufttemperatur einer der am schwierigsten genau zu messenden Umweltparameter. Die derzeit beste Methode besteht darin, den Lufttemperatur-Wettersensor in einem Strahlungsschild unterzubringen, das entweder passiv belüftet oder aktiv abgesaugt wird. Aus konstruktiven Gründen kann der Lufttemperatursensor in der neuen ATMOS 41 All-in-One-Wetterstation nicht vollständig gegen Sonneneinstrahlung abgeschirmt werden.

Da die wissenschaftliche Wetterstation ATMOS 41 jedoch die Windgeschwindigkeit und die Sonneneinstrahlung misst, beides Faktoren, die die Genauigkeit der Lufttemperaturmessung maßgeblich beeinflussen, ist eine Korrektur möglich.

Problem mit dem Wettersensor

Der Lufttemperatursensor der neuen ATMOS 41 Fernwetterstation ist teilweise der Sonneneinstrahlung ausgesetzt, was zu großen Fehlern bei der gemessenen Lufttemperatur (_Tair) führen kann.

Unkorrigierte Messungen ergaben Fehler von bis zu 3 °C im Vergleich zu Messungen, die in einem hochmodernen, abgesaugten Strahlungsschild durchgeführt wurden.

Problem gelöst

Because the ATMOS 41 also measured wind speed and solar radiation, it was possible to use a simple energy balance calculation to correct the T_air measurement. After correction, error decreased to < 0.5 °C and yielded better accuracy than commonly used passive ventilation radiation shields.

Theorie

Die Energiebilanz des Thermometers wurde unten neu geordnet, um Fehler durch die Sonneneinstrahlung zu korrigieren.

• _αs= Absorptionsvermögen des Temperatursensors für Sonnenstrahlung (ohne Einheit)
• _St = gesamte einfallende kurzwellige Strahlung (W ^m-2)
• _cp = spezifische Wärme der Luft (J ^{mol-1 C-1})
• k = Konstante, die die Wärmeleitfähigkeit der Grenzschicht beschreibt
• u = Windgeschwindigkeit (m ^s-1)
• d = charakteristische Abmessung des Temperatursensors (m)

Experiment Wettersensor

Ein Apogee TS-100 Lufttemperatursensor mit Luftansaugung wurde als Referenzstandard für _Tair gewählt. Die Wetterstation ATMOS 41 und der Lufttemperatursensor von Davis Instruments in einem nicht angesaugten Strahlungsschutzschild wurden zusammen mit dem TS-100 platziert. Ein Davis-Sensor/Strahlungsschutzschild wurde hinzugefügt, um die Leistung von Gegenüberstellung ATMOS 41 mit einer typischen _Tair-Messung zu vergleichen. Die über fünf Minuten gemittelten Daten wurden über einen Zeitraum von fünf Tagen bei wechselnder Bewölkung im Spätsommer 2015 aufgenommen. _αs und k aus Gleichung 1 wurden als Anpassungsparameter verwendet, um den Fehler in _Tair für die ATMOS 41 Korrektur zu minimieren.

Ergebnisse

Der einfache Ansatz der Energiebilanz funktionierte gut, um die Lufttemperatur von einem teilweise strahlungsexponierten Sensor zu korrigieren.

Diskussion

Die unkorrigierte _{Tair-Genauigkeit} von ATMOS 41 ist vergleichbar mit der typischen, nicht durch Strahlung abgeschirmten Lufttemperaturmessung, zeigte aber eine positive Verzerrung durch die Auswirkungen der Sonnenstrahlung. Die strahlungskorrigierte ATMOS 41 übertraf die typische strahlungsabgeschirmte Lufttemperaturmessung und ergab ein 95%-Konfidenzintervall von deutlich weniger als ±0,5 °C Genauigkeit.

Tabelle 1. Zusammenfassende Statistik der Lufttemperaturmessungen für zwei untersuchte Lufttemperatur-Wettersensoren

In dem folgenden Video erklärt Dr. Doug Cobos, warum der strahlungsexponierte Temperatursensor des ATMOS 41 funktioniert.

Wie verhält sich die Wetterstation ATMOS 41 bei Minusgraden und Schneefall?

Die wissenschaftliche Wetterstation ATMOS 41 ist sehr langlebig, selbst bei Minusgraden und Schnee. Es ist nicht notwendig, die Wettersensoren winterfest zu machen, aber wir warnen Sie vor den Auswirkungen von Schnee und Eis im Anemometer oder auf dem Pyranometer. Das ATMOS 41 ist nicht beheizt. Flüssiges Wasser wird also erst gemessen, wenn Eis und Schnee schmelzen, und Schnee, der möglicherweise über den Trichter des Regenmessers gelaufen ist, wird nicht berücksichtigt. Der Lufttemperatursensor und das Korrekturmodell schneiden beide gut ab. Sehen Sie sich die Daten unten an, die im Winter 2019 auf dem Dach des METER-Teststandes aufgezeichnet wurden.

Was Sie erwartet, wenn das Pyranometer der Wetterstation mit einer Schneedecke bedeckt ist

Die Sonnenstrahlung erreicht das Pyranometer als diffuse Strahlung und wird unterdrückt, bis der Schnee entfernt wird oder schmilzt.

Was ist zu erwarten, wenn das Anemometer der ATMOS 41 Fernwetterstation Eis/Schnee enthält?

Wenn sich Schnee/Eis im Anemometer befindet, können Sie einige Dinge beobachten. Eine Beobachtung ist, dass eine Schneedecke die Öffnung des Anemometers abdeckt, was die Daten zur Windgeschwindigkeit dämpft.

Eine zweite Beobachtung ist, dass es Spitzen bei der Windgeschwindigkeit (wir begrenzen diese auf 30 m/s) oder keine Sensorausgabe (#N/A) geben kann. In diesem Fall kann eine kleine Datenbereinigung erforderlich sein, bis die Eis-/Schneeansammlungen entfernt sind oder schmelzen.

Lufttemperatur und Leistung des Korrekturmodells für die Wetterstation ATMOS 41

Wir haben beobachtet, dass eine Schneedecke, die die ATMOS 41 Fernwetterstation bedeckt, das Gerät isoliert und eine wärmere Lufttemperatur zur Folge hat, bis der Schnee entfernt wird.

Insgesamt stimmen die Lufttemperaturen gut überein, wenn man sie mit einem Referenz-Wettersensor vergleicht, der nicht von METER stammt (Apogee TS-110 Strahlungsschild mit Ventilator und ST-100 Thermistor), der auf dem Dach des METER-Teststandes angebracht und mit einem CR1000 Datenlogger verbunden war. Die Messungen der Lufttemperatur über Schnee an Tagen mit klarem Himmel liegen bei geringer Windgeschwindigkeit um bis zu 2 °C zu hoch. Diese Größenordnung des Fehlers ist aufgrund des erheblichen Anstiegs der reflektierten kurzwelligen Strahlung von Schnee mit einer Albedo nahe 1 zu erwarten und ist viel kleiner als der Fehler, der bei Lufttemperaturmessungen in einem nicht-aspirierten Strahlungsschild zu erwarten ist (Abbildung 6).

Wie wirkt sich die Vogelabwehr der Wetterstation ATMOS 41 auf die Daten des Wettersensors für die Sonneneinstrahlung aus?

With the ATMOS 41 remote weather station bird deterrent installed, expect to see dips in the pyranometer data at specific times of the day during clear sky conditions. This is caused by the wire shadows that move across the pyranometer weather sensor throughout the day on sunny days. There are negligible wire shadow effects on diffuse days, when there is continuous cloud cover. We estimated <6% error in total daily solar radiation for a clear sky day and <1% error for a diffuse day. Check out the data below, which were taken from METER’s rooftop testbed, March 2019.

An einem Tag mit überwiegend klarem Himmel betrug der durch die Vogelabschreckung verursachte Fehler eine Verringerung der Gesamtsonneneinstrahlung um 3,0% und 4,7% für zwei ATMOS 41 Pyranometersensoren (3/7/2019). An einem bewölkten Tag betrug der durch die Vogelabschreckung verursachte Fehler weniger als 1% (3/8/2019). An einem Tag mit klarem Himmel war der durch die Vogelscheuche verursachte Fehler eine Verringerung der gesamten Sonneneinstrahlung um 2,6% und 5,7% (3/9/2019). Der Fehler wurde geschätzt, indem die tägliche Sonneneinstrahlung von ATMOS 41 ferngesteuerten Wetterstationen mit Vogelvergrämung (experimentell) und ohne Vogelvergrämung (Kontrolle) addiert und der prozentuale Fehler berechnet wurde. Die Daten wurden in 5-Minuten-Intervallen gesammelt.

Die Daten in Tabelle 1 wurden an Tagen erhoben, an denen es keine Schneedecke gab und die Fehler nicht mehr als 5 % der summierten täglichen Sonneneinstrahlung betrugen.

Tabelle 1. Prozentualer Fehler der summierten täglichen Sonneneinstrahlung nach Datum
*Die Vogelabschreckung war nicht perfekt installiert.

HINWEIS: Test 1 ATMOS war etwa 1% höher als die Kontrolle, wenn man die Basisdaten ohne Vogelspike vergleicht; Test 2 ATMOS 41 war etwa -1% niedriger als die Kontrolle, wenn man die Basisdaten ohne Vogelspike vergleicht (für die summierte Tagesstrahlung an einem Tag mit klarem Himmel).

Auswirkungen der Sonneneinstrahlung durch Vogelabwehrdrähte

Einbrüche in der Sonneneinstrahlung werden durch den Schatten des Vogelabwehrdrahtes an einem Tag mit klarem Himmel verursacht (siehe 3/9/2019 in Abbildung 1). Die Einbrüche in der Sonneneinstrahlung an sonnigen Tagen variieren im Laufe des Jahres, da sich der Sonnenwinkel ändert. An völlig bewölkten Tagen, an denen keine Drahtschatten vorhanden sind (siehe 3/8/2019 in Abbildung 1), werden die Sonneneinstrahlungsdaten nicht von der Vogelabschreckung beeinflusst.

Die Installation ist wichtig

Die korrekte Installation des Vogelabwehrsystems (Abbildung 2) und die falsche Installation (Abbildung 3) sind unten dargestellt. Der Pyranometersensor sollte sich in der Mitte von zwei Drähten befinden, was durch das Dreieck angezeigt wird. Rechnen Sie mit erhöhten Fehlern, wenn die Vogelabwehr nicht korrekt installiert ist.

Ohne die tägliche Sonneneinstrahlung zu summieren, ergab der prozentuale Fehler, wenn die Pyranometer-Einbrüche am drastischsten sind, einen Rückgang der Sonneneinstrahlung von 13-17% (Tag mit klarem Himmel). Auf dem METER-Teststand war dies ein Wert von 83-113 W/m² Rückgang, als die Drahtschatten am 3/9/2019 die drastischsten Einbrüche verursachten (Abbildung 4).

Gibt es eine Möglichkeit, die Drahtschatteneffekte zu korrigieren?

Es ist möglich, die Sonneneinstrahlung an sonnigen Tagen mit einem Rechner für klaren Himmel abzuschätzen. Es wäre jedoch eine Herausforderung und nicht empfehlenswert, die Schatteneffekte zu korrigieren, die Vögel abschrecken. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich die Schatten im Laufe der Zeit ändern, und zwar aufgrund der unterschiedlichen cloud Abdeckung, der Tageszeit, der Jahreszeit und des Standorts.

Wie können Sie feststellen, ob der Pyranometersensor der Wetterstation verschmutzt ist?

Gegenüberstellung die Daten eines Tages mit klarem Himmel (wenn Sie wissen, dass der Pyranometersensor sauber war) mit den Daten eines Tages, an dem die Sonneneinstrahlung bei klarem Himmel hätte gemessen werden müssen. Wenn die Vergleichsdaten zeigen, dass der Himmel an einem Tag, der eigentlich klar sein sollte, nicht klar ist, ist dies ein Hinweis darauf, dass der Pyranometersensor verschmutzt oder verstopft ist. Sammeln Sie ein paar Tage lang Daten, um sicherzugehen, dass nicht ein Vogel den Sensor verdeckt hat, bevor Sie einen Feldbesuch machen. Wenn Sie sich auf einen Vor-Ort-Besuch wegen eines verschmutzten Pyranometersensors vorbereiten, bringen Sie Gegenstände zum Reinigen des Sensors, des Trichters, des Fallrohrs und des Schirms mit. Bringen Sie eine Vogelabschreckung an, wenn Vogelkot vorhanden ist.

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Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.

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