Los sensores meteorológicos de grado de investigación integrados en estaciones meteorológicas remotas y sistemas de vigilancia meteorológica miden parámetros climáticos como la precipitación, la temperatura del aire y la velocidad del viento. Estos parámetros pueden cambiar considerablemente en distancias cortas en el entorno natural. Sin embargo, la mayoría de las observaciones de las estaciones meteorológicas sacrifican la resolución espacial en favor de la precisión científica o la precisión de grado de investigación en favor de la resolución espacial. La estación meteorológica científica todo en uno para investigadores ATMOS 41 representa una optimización de ambas. Ha sido cuidadosamente diseñada para maximizar la precisión a un precio que permite observaciones distribuidas espacialmente. Además, dado que muchos investigadores necesitan evitar el mantenimiento frecuente y los largos tiempos de configuración, la estación meteorológica científica ATMOS 41 se diseñó para reducir la complejidad y soportar el despliegue a largo plazo en entornos difíciles. Para evitar roturas, no contiene piezas móviles y sólo requiere recalibración cada dos años. Dado que las 14 mediciones se combinan en una sola unidad, puede desplegarse rápidamente y sin apenas esfuerzo. Su único requisito es estar montado y nivelado en lo alto de un poste con una vista despejada del cielo.
METER lanzó la estación meteorológica remota ATMOS 41 en enero de 2017 después de un extenso desarrollo y pruebas con asociaciones de todo el mundo, en África, Europa y Estados Unidos. Realizamos pruebas comparativas con sensores meteorológicos de alta calidad, de grado de investigación, que no son de METER y llevamos a cabo pruebas de series temporales para la variabilidad entre sensores meteorológicos. A continuación se presentan los resultados.
La estación meteorológica científica ATMOS 41 emplea la tecnología más avanzada para mejorar los métodos de medición tradicionales. Una innovación clave en la ATMOS 41 es la tecnología del pluviómetro contador de gotas. Utiliza electrodos chapados en oro para detectar y contar gotas discretas procedentes de una boquilla diseñada con precisión para producir un tamaño de gota altamente repetible. Esta tecnología sin piezas móviles es menos susceptible a los fallos mecánicos que los pluviómetros tradicionales de cuchara basculante. Se instalaron tres pluviómetros de punta (Texas Electronics y ECRN-100) en nuestro banco de pruebas de precipitaciones de Forks, WA, EE.UU. (el lugar más lluvioso de los 48 estados más bajos de EE.UU.), junto con tres conjuntos de sensores meteorológicos de ATMOS 41. Todos los sensores se instalaron a menos de dos metros de la superficie del suelo. Todos los sensores se instalaron a una distancia espacial de dos metros entre sí y a una altura de dos metros sobre la superficie del suelo. En la Figura 1 se muestran más de cuatro meses de datos del invierno y la primavera de 2018. Curiosamente, los tres pluviómetros de cuchara basculante representan los totales de precipitación acumulada más altos y los dos más bajos, y las tres estaciones meteorológicas remotas de ATMOS 41 miden los totales de precipitación acumulada entre los pluviómetros de cuchara basculante. Aunque la dispersión de los pluviómetros de cuchara basculante dificulta la extracción de conclusiones sólidas, las tres estaciones meteorológicas remotas de ATMOS 41 coinciden dentro del 3% de la media de las mediciones de cuchara basculante.
Las comparaciones de los sensores meteorológicos de radiación solar se realizaron en el banco de pruebas de la azotea del campus METER Pullman. Se colocó un CMP3 de Kipp & Zonen junto con una estación meteorológica remota ATMOS 41 durante aproximadamente un mes en otoño de 2017. Las lecturas se promediaron durante un período de 15 minutos, y los datos muestran una buena concordancia basada en el gráfico 1:1 (Figura 2). Una regresión lineal muestra una subestimación del 3% por parte del piranómetro ATMOS 41.
La estación meteorológica científica todo en uno ATMOS 41 utiliza un micro termistor en la abertura del anemómetro y corrige los efectos de la radiación solar y el viento utilizando un enfoque básico de balance de energía. La radiación solar y la velocidad del viento se combinan para ajustar la medición de la temperatura del aire para el calentamiento solar y el enfriamiento convectivo en lugar del común escudo contra la radiación de rejilla. Este método se optimizó y verificó en el campus METER Pullman utilizando un micro sensor termistor alojado en un escudo de radiación aspirado Apogee TS-100 como patrón de temperatura del aire. Los resultados de la verificación muestran un intervalo de confianza del 95% de +/- 0,6 °C para la medición de la temperatura del aire de ATMOS 41 (Figura 4), que es significativamente mejor que el error esperado para un sensor meteorológico típico alojado en un escudo no aspirado. Encontrará más información sobre la corrección de la temperatura del aire en nuestro seminario web "Deje de esconderse detrás de un escudo".
| (Todas las unidades son °C) | ATMOS 41 #1 | ATMOS 41 #2 | ATMOS 41 #3 | ATMOS 41 #4 | ATMOS 41 #5 | ATMOS 41 #6 | ATMOS 41 #7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sesgo-> | 0.13 | 0.17 | 0.00 | -0.03 | -0.05 | 0.13 | 0.08 |
| Intervalo de confianza del 95%-> | 0.52 | 0.61 | 0.46 | 0.62 | 0.60 | 0.49 | 0.57 |
La temperatura del aire mejorada se utiliza para corregir con precisión la humedad relativa. Todos los sensores de humedad relativa METER se calibran individualmente y se verifican en tres niveles de humedad con respecto a un estándar de higrómetro de punto de rocío. La figura 5 muestra la coherencia de los datos entre sensores. Se calibran de uno a 16 sensores a la vez y se les aplica un criterio de pasa/no pasa del 2% de humedad relativa en los tres niveles de humedad. Los datos muestran una excelente coherencia entre los sensores, que suelen calibrarse con una precisión del 1% de la humedad real.
Los datos recogidos sobre el terreno utilizan el sensor integrado de humedad relativa y temperatura para calcular la presión de vapor (kPa). La figura 6 muestra el rendimiento del sensor sobre el terreno durante un periodo de ocho días y da una idea de lo que cabe esperar en términos de coherencia entre las mediciones de la presión de vapor.
ATMOS 41 sensores meteorológicos de velocidad y dirección del viento de estación meteorológica remota fueron probados por un laboratorio de terceros con certificación ISO 17025. La velocidad del viento se mide con un anemómetro ultrasónico sin piezas móviles, a diferencia de un anemómetro de cazoleta. La dirección del viento también se mide con anemómetros ultrasónicos, ya que hay dos transductores sónicos situados a 90 grados de distancia. La N grabada en la unidad debe apuntar hacia el Norte verdadero para registrar con precisión la dirección del viento. Los datos se muestran en la Figura 7 (velocidad del viento) y en la Tabla 1 (dirección del viento).
| Referencia Dirección del viento (°) | ATMOS 41 Dirección del viento (°) | Dirección Diferencia (°) |
|---|---|---|
| 2 | 1.89 | -0.11 |
| 91 | 91.08 | 0.08 |
| 180 | 179.65 | -0.35 |
| 270 | 270.23 | 0.23 |
Tabla 1. Datos de la dirección del viento, media de 3 puntos de datos
Cada sensor de presión barométrica de estación meteorológica científica ATMOS 41 se calibra individualmente con respecto a una referencia de presión trazable al NIST. La diferencia entre la referencia de presión y el sensor de presión debe estar dentro de +/- 0,1 kPa. La diferencia se almacena en el sensor como desviación. La figura 8 muestra el rendimiento de siete estaciones meteorológicas remotas ATMOS 41 en el banco de pruebas METER. Las diferencias entre la presión superior e inferior se sitúan en torno a 0,2 kPa.
La estación meteorológica científica ATMOS 41 también cuenta con un sensor de inclinación para alertar cuando hay un problema con el nivel. Los sensores de inclinación se ponen a cero en el dispositivo de calibración de producción METER utilizando un nivel de burbuja como indicador. La figura 9 muestra el rendimiento del sensor de inclinación utilizando siete ATMOS 41 en el banco de pruebas. Las líneas azules muestran un ejemplo de un sensor que se desniveló y posteriormente se descubrió y arregló. Todos los acelerómetros mostraron un ruido relativamente bajo y una alta repetibilidad. Es importante señalar que los episodios ocasionales de mayor ruido se deben a las altas velocidades del viento y a la inestabilidad del aparato de montaje, y no a problemas en el sensor.
Los datos procedentes de comparaciones independientes de sensores meteorológicos, junto con observaciones paralelas, demuestran que la estación meteorológica ATMOS 41 cumple el objetivo de realizar mediciones con calidad de investigación en una unidad sencilla, robusta y fácil de mantener. Sus características de diseño exclusivas, como un anemómetro sin piezas móviles y un pluviómetro contador de gotas, permiten realizar mediciones precisas a largo plazo en un entorno adverso y, al ser asequible, se puede confiar en ella para proporcionar los datos críticos distribuidos espacialmente que colmarán las lagunas de las mediciones meteorológicas. Siga leyendo para obtener más detalles sobre el rendimiento de la estación meteorológica científica ATMOS 41.
Nuestros científicos cuentan con décadas de experiencia ayudando a investigadores y cultivadores a medir el continuo suelo-planta-atmósfera.
Vea un estudio de caso en ATMOS 41
A pesar de su aparente sencillez, la temperatura del aire es uno de los parámetros medioambientales más difíciles de medir con precisión. La mejor práctica actual consiste en alojar el sensor meteorológico de temperatura del aire en un escudo contra la radiación con ventilación pasiva o aspiración activa. Debido a limitaciones de diseño, el sensor de temperatura del aire de la nueva estación meteorológica científica todo en uno ATMOS 41 no puede protegerse totalmente de la radiación solar.
No obstante, dado que la estación meteorológica científica ATMOS 41 mide la velocidad del viento y la radiación solar, que son dos factores primordiales que afectan a la precisión de la medición de la temperatura del aire, es posible realizar correcciones.
El sensor de temperatura del aire de la nueva estación meteorológica remota ATMOS 41 está parcialmente expuesto a la radiación solar, lo que puede dar lugar a grandes errores en la temperatura medida del aire (Tair).
Las mediciones no corregidas mostraron errores de hasta 3 °C en comparación con las mediciones realizadas en un escudo de radiación aspirado de última generación.
Because the ATMOS 41 also measured wind speed and solar radiation, it was possible to use a simple energy balance calculation to correct the Tair measurement. After correction, error decreased to < 0.5 °C and yielded better accuracy than commonly used passive ventilation radiation shields.
El balance energético del termómetro se ha reajustado a continuación para corregir los errores debidos a la radiación solar.
Se eligió un sensor de temperatura del aire aspirado TS-100 de Apogee como patrón de referencia para Tair. La estación meteorológica ATMOS 41 y el sensor de temperatura del aire Davis instruments en un escudo contra la radiación no aspirado y con rejilla se colocaron junto con el TS-100. Se incluyó un sensor/escudo contra la radiación Davis para comparar el rendimiento de 41 con la medición típica de Tair. Se incluyó un sensor/protector contra la radiación de Davis para comparar el rendimiento de ATMOS 41 con una medición típica de Tair. Se tomaron datos promediados de cinco minutos durante un período de cinco días de condiciones de nubosidad variable a finales del verano de 2015. Se utilizaron αs y k de la ecuación 1 como parámetros de ajuste para minimizar el error en Tair para la corrección de ATMOS 41.
El sencillo enfoque del balance energético funcionó bien para corregir la temperatura del aire a partir de un sensor parcialmente expuesto a la radiación.
La precisión Tair no corregida de ATMOS 41 es comparable a la medición típica de la temperatura del aire sin protección contra la radiación, pero mostró un sesgo positivo debido a los efectos de la radiación solar. La precisión de ATMOS 41 corregida en función de la radiación superó a la de las mediciones típicas de temperatura del aire protegidas contra la radiación y arrojó un intervalo de confianza del 95 % con una precisión muy inferior a ±0,5 °C.
| (Todas las unidades °C) | ATMOS 41 sin corregir | Sin aspiración | ATMOS 41 corregido |
|---|---|---|---|
| Error medio (sesgo) | 0.20 | 0.07 | -0.06 |
| Intervalo de confianza del 95 | 0.60 | 0.66 | 0.42 |
| Error positivo máximo | 1.51 | 1.58 | 0.36 |
| Error negativo máximo | -0.66 | -0.87 | -0.77 |
Tabla 1. Resumen estadístico de las mediciones de temperatura del aire de los dos sensores meteorológicos de temperatura del aire evaluados
En el siguiente vídeo, el Dr. Doug Cobos explica el funcionamiento del sensor de temperatura expuesto a la radiación del ATMOS 41.
La estación meteorológica científica ATMOS 41 es muy duradera, incluso en condiciones de temperaturas bajo cero y nieve. No es necesario acondicionar para el invierno el conjunto de sensores meteorológicos, aunque advertimos a los usuarios sobre los efectos de la nieve y el hielo en el anemómetro o encima del piranómetro. No hay calentador en el ATMOS 41, por lo que el agua líquida sólo se medirá una vez que el hielo y la nieve se derritan, y la nieve que pueda haber desbordado el embudo del pluviómetro no se tendrá en cuenta. Tanto el sensor de temperatura del aire como el modelo de corrección funcionan bien. Véanse los datos a continuación, registrados en el banco de pruebas de METER en azoteas durante el invierno de 2019.
La radiación solar llega al piranómetro como radiación difusa y se suprime hasta que la nieve se retira o se funde.
Se pueden observar un par de cosas cuando hay nieve/hielo en el anemómetro. Una observación es que un manto de nieve cubre la abertura del anemómetro, lo que amortigua los datos de velocidad del viento.
Una segunda observación es que puede haber picos de velocidad del viento (lo limitamos a 30 m/s) o que no haya salida del sensor (#N/A). En este caso, puede ser necesario limpiar un poco los datos hasta que se elimine o derrita la acumulación de hielo/nieve.
Hemos observado que un manto de nieve que cubra la estación meteorológica remota ATMOS 41 aísla la unidad, y se producirá una temperatura del aire más cálida hasta que se retire la nieve.
En general, las temperaturas del aire se mantienen bien cuando se comparan con un sensor meteorológico de referencia que no es de METER (Apogee TS-110, escudo contra la radiación aspirado por ventilador con termistor ST-100), que se colocó en el banco de pruebas de azotea de METER y se conectó a un registrador de datos CR1000. Las mediciones de la temperatura del aire sobre la nieve en días de cielo despejado varían hasta unos 2 °C en condiciones de baja velocidad del viento. Esta magnitud de error se espera debido al aumento sustancial de la radiación de onda corta reflejada por la nieve con albedo cercano a 1, y es mucho menor que el error esperado de las mediciones de temperatura del aire en un escudo de radiación no aspirado (Figura 6).
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.
En un día de cielo mayoritariamente despejado, el error causado por el disuasor de aves fue una disminución de la radiación solar total del 3,0% y del 4,7% para dos sensores de piranómetro ATMOS 41 (3/7/2019). En un día nublado, el error causado por el disuasor de aves fue inferior al 1% (3/8/2019). En un día de cielo despejado, el error causado por el disuasor de aves fue una disminución de la radiación solar total del 2,6% y del 5,7% (3/9/2019). El error se estimó sumando la radiación solar diaria de ATMOS 41 unidades de estaciones meteorológicas remotas con disuasor de aves (experimental) y sin disuasor de aves (control) y calculando el porcentaje de error. Los datos se recogieron a intervalos de 5 minutos.
Los datos del cuadro 1 se recogieron en fechas en las que no había capa de nieve, y los errores no superaron el 5% de disminución de la radiación solar diaria sumada.
| Estado del cielo, Fecha | Porcentaje de error de la radiación solar diaria sumada Prueba 1 |
Porcentaje de error de la radiación solar diaria sumada Prueba 2 |
|---|---|---|
| Parcialmente nuboso, 3/14/2019 |
1.8% | 4.7% |
| Parcialmente nuboso, 3/15/2019 |
2.4% | 2.1% |
| Parcialmente nuboso, 3/16/2019 |
2.0% | 4.2% |
| Mayormente soleado, 3/17/2019 |
2.4% | 3.7% |
| Soleado, 3/18/2019 |
2.1% | 4.2% |
| Soleado, 3/19/2019 |
2.3% | 4.1% |
| Soleado, 3/20/2019 |
2.3% | 4.1% |
| Mayormente soleado, 3/21/2019 |
1.9% | 4.5% |
Tabla 1. Porcentaje de error de la radiación solar diaria sumada por fecha
*El disuasor de aves no estaba perfectamente instalado.
NOTA: La prueba 1 ATMOS fue aproximadamente un 1% superior al control al comparar los datos de referencia sin pico de aves; la prueba 2 ATMOS 41 fue aproximadamente un -1% inferior al control al comparar los datos de referencia sin pico de aves (para la radiación diaria sumada en un día de cielo despejado).
Las caídas en los datos de radiación solar están causadas por las sombras del cable disuasorio de aves en un día de cielo despejado (véase 3/9/2019 en la Figura 1). Las caídas en la radiación solar en días soleados variarán a lo largo del año a medida que cambie el ángulo del sol. Los datos de radiación solar no se ven afectados por el disuasor de aves en días completamente nublados, cuando no hay sombras de alambre (véase 3/8/2019 en la Figura 1).
A continuación se muestra la instalación correcta del disuasor de aves (figura 2) y la incorrecta (figura 3). El sensor del piranómetro debe estar en medio de dos cables, indicado por el triángulo. Es de esperar que se produzcan más errores cuando los disuasores de aves no están correctamente instalados.
Sin sumar la radiación solar diaria, el porcentaje de error cuando las caídas del piranómetro son más drásticas dio como resultado una disminución del 13-17% de la radiación solar (día de cielo despejado). En el banco de pruebas de METER, esto supuso una disminución de 83-113 W/m2 disminución cuando las sombras de alambre causaron las caídas más drásticas el 3/9/2019 (Figura 4).
Es posible utilizar una calculadora de cielos despejados para estimar la radiación solar en días soleados; sin embargo, sería un reto y no se recomienda corregir los efectos de las sombras disuasorias de aves. La razón principal es que las sombras cambian con el tiempo, debido a las diferentes coberturas de cloud , la hora del día, la época del año y la ubicación.
Compare los datos de un día con cielo despejado (cuando sabe que el sensor del piranómetro estaba limpio) con los datos de un día que debería haber producido mediciones de radiación solar con cielo despejado. Si los datos de comparación indican condiciones de cielo no despejado en un día que debería haber sido despejado, esto es una indicación de que el sensor del piranómetro está sucio u obstruido. Recopile y revise un par de días de datos para asegurarse de que no ha sido un pájaro el que ha tapado el sensor antes de realizar una visita de campo. Cuando se prepare para una visita de campo por un sensor de piranómetro sucio, lleve artículos para limpiar el sensor, el embudo, la bajante y la pantalla. Instale un disuasor de aves si hay excrementos de aves.
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