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Stations météorologiques à distance - questions d'installation

Chez METER, nous avons installé des milliers de stations météorologiques à distance et d'instruments météorologiques au fil des ans. Nous avons donc beaucoup appris sur ce qu'il faut faire et ne pas faire lors d'une installation.

Cet article examine en détail sept étapes fondamentales auxquelles vous devez penser lorsque vous installez votre station météorologique afin d'obtenir des données météorologiques de la plus haute qualité.

1. Essais sur le terrain
2. Choisir le bon site
3. Techniques d'installation de haute qualité
4. Contrôle sur le terrain
5. Dépannage
6. Enregistrement des métadonnées
7. Considérations postérieures à l'installation

Avant de commencer : Assurez-vous d'utiliser les bons instruments météorologiques

Pour obtenir des données de qualité, il est important d'installer la station météorologique qui convient le mieux à votre application. Dans ce webinaire de 20 minutes, Doug Cobos, chercheur scientifique, explique quels types de stations météorologiques conviennent à différents types d'applications. Découvrez-le :

• Pourquoi vous devez prendre en compte la qualité des données par rapport à la maintenance et aux combinaisons de paramètres de mesure dans votre analyse des coûts ?
• Performances en 3 saisons et en 4 saisons
• Quelles sont les situations qui requièrent des solutions de qualité faible, moyenne ou élevée, et jusqu'où devez-vous aller ?
• Avantages et inconvénients des différentes solutions
• Comment la station météorologique ATMOS 41 se compare-t-elle aux autres méthodes ?
• Où se situe le point idéal pour la performance par rapport au prix dans votre application ?

Étape 1 : Les essais sur le terrain évitent les maux de tête

Une étape souvent négligée d'une bonne installation consiste à tester vos instruments météorologiques avant de les emmener sur le terrain. Il est important d'installer vos instruments avant de partir afin de vous assurer que tout fonctionne et que vous disposez de tous les outils dont vous aurez besoin. Vous pouvez tester votre équipement au bureau, dans votre cour ou même dans un parc voisin. Rassemblez tout le matériel de montage et assurez-vous que tous les instruments et capteurs météorologiques fonctionnent. Si vous disposez d'un système à batterie et d'un panneau solaire, vérifiez qu'ils se chargent. Assurez-vous que votre système d'acquisition de données fonctionne. Si vous utilisez un enregistreur de données programmable tel qu'un enregistreur Campbell Scientific, assurez-vous de comprendre comment le programmer. Testez le programme de l'enregistreur pour vous assurer qu'il fonctionne correctement et qu'il enregistre. De nombreux backbones d'acquisition de données disposent désormais d'un système de livraison de données à distance, vérifiez donc que les données arrivent bien sur le serveur et que vous pouvez y accéder.

La figure 2 est un exemple de site d'essai où Montana Mesonet installe chacune de ses stations sur un toit pour effectuer des tests de comparaison. Cela leur permet de vérifier que tout fonctionne et de s'assurer qu'ils disposent de tout l'équipement nécessaire à leur installation. Si vous procédez ainsi, vous disposerez de tous les outils, du matériel de montage et des divers gadgets dont vous aurez besoin pour vous installer.

Étape 2 : Choisir le bon emplacement pour l'installation de la station météorologique à distance

Les différentes normes d'observation météorologique énoncent des règles concernant les meilleures pratiques pour l'emplacement de vos instruments météorologiques. L'une d'entre elles consiste à choisir un site avec une pente minimale. Cela n'est pas toujours possible dans toutes les régions, mais choisissez un site dont la pente est la plus faible possible. Vous devez également placer votre station météorologique loin des obstacles : l'Organisation météorologique mondiale (OMM) préconise une distance minimale de 10 fois la hauteur de l'obstacle. Par exemple, si vous avez un arbuste de deux mètres sur votre site, vos instruments météorologiques doivent être situés à 20 mètres de cet arbuste. La norme de l'ASABE prévoit une distance de 10 à 50 fois la hauteur de l'obstacle.

Une autre bonne pratique consiste à placer vos instruments météorologiques dans une zone d'influence homogène (sans changement d'utilisation du sol ni obstruction) de 100 fois la hauteur de votre station météorologique. Ainsi, si vous avez une station météorologique à une hauteur de deux mètres, il est optimal d'avoir un fetch homogène d'environ 200 mètres. La figure 3 est un site idéal en termes d'obstacles et de fetch, ce qui en fait un site optimal pour les observations météorologiques générales.

Une autre chose à laquelle il faut faire attention est la présence d'obstacles au-dessus de votre pyranomètre et de votre pluviomètre. Si vous avez un obstacle au-dessus de votre pluviomètre, la mesure des précipitations sera faussée. Vérifiez toujours le "facteur de visibilité" de votre pyranomètre. Si vous regardez la figure 4, vous verrez un pyranomètre placé sous l'enregistreur de données et sous le couvert d'un arbre. De tels obstacles brouillent les données du pyranomètre.

En outre, si vous disposez d'un pyrgéomètre pour le rayonnement à ondes longues ou d'un radiomètre à réseau, ces instruments météorologiques ont généralement un champ de vision hémisphérique ou de 180 degrés. Si des arbres ou des bâtiments obstruent le champ de vision hémisphérique de 180 degrés, cela peut être une source de biais ou d'erreur. Il est donc important que ces types d'instruments météorologiques soient exposés au ciel ouvert.

Vous devez également installer votre station météorologique à distance loin de tout objet qui se réchauffe au soleil et augmente la température de l'air de façon anormale, comme les bâtiments, la chaussée, les sentiers et même le sol nu si vous êtes sur un site végétalisé. Ne placez pas non plus votre station météorologique à proximité d'un plan d'eau, comme sur la figure 4.

Notez que les règles mentionnées ci-dessus s'appliquent aux observations météorologiques générales et pas nécessairement aux observations spécialisées. La figure 5 illustre les normes d'un guide pour un site de niveau 1 de l'OMM.

Les lignes directrices de l'OMM recommandent une pente minimale, une végétation basse, une distance de 100 mètres par rapport aux sources de chaleur et une distance de 100 mètres par rapport aux plans d'eau.

Une dernière chose à prendre en compte lors de l'installation d'instruments météorologiques et de stations météorologiques à distance sont les effets du microclimat. Ne placez pas vos instruments dans une dépression locale. Dans une dépression locale, s'il y a une nuit claire avec des conditions stables et qu'ensuite il y a une inversion, cela peut causer un biais important, en particulier dans la température de l'air.

La figure 6 montre un diagramme d'un banc d'essai METER sur le toit où nous testons ATMOS 41 stations météorologiques tout-en-un. À environ 220 mètres sur la gauche, il y a un autre site d'essai METER dans le lit d'un ruisseau où nous testons des capteurs de sol, des équipements hydrologiques et des capteurs de profondeur d'eau. Entre les deux sites, il y a une dénivellation d'environ 30 mètres et une distance horizontale d'environ 220 mètres.

Nous avons récemment vérifié les basses températures de ces sites en ZENTRA Cloud et nous avons constaté qu'il y avait une différence de température de 6 ℃ entre le banc d'essai sur le toit et le banc d'essai au fond de la crique. Cela vous donne une idée de l'ampleur des erreurs que vous pourriez obtenir en installant votre station météorologique à distance ou vos instruments météorologiques dans une dépression localisée.

En outre, prêtez attention à la végétation qui se trouve à proximité de votre site. La végétation doit être représentative à proximité de votre station météorologique. Il est important de ne pas installer votre système de surveillance météorologique au sommet d'une crête, car cela fausserait les mesures. De même, le toit est généralement un mauvais site de surveillance météorologique. En fait, les organismes de normalisation n'acceptent pas les installations sur les toits parce qu'elles faussent considérablement la température de l'air en raison de l'échauffement du toit. (À METER, nous nous en sortons avec un banc d'essai sur le toit pour rechercher des problèmes de performance parce que nous n'essayons pas de faire des observations météorologiques de haute qualité sur ce site. Notez toutefois qu'un toit est généralement un mauvais emplacement).

Si vous devez caractériser un microclimat spécifique, vous devez placer votre station météorologique dans ce microclimat. Dans le cadre de la lutte intégrée contre les ravageurs ou de la modélisation des maladies, la surveillance doit souvent être effectuée dans le couvert végétal. Si vous étudiez le confort des animaux, vous devez placer vos instruments météorologiques dans l'enclos où se trouve l'animal, sinon les mesures ne seront pas représentatives. Si vous mesurez le confort humain dans des zones urbaines telles qu'une salle de sport, votre station météorologique doit être située dans la salle de sport. Si vous voulez mesurer le "confort des plantes" (c'est-à-dire le moment où il faut arroser ou stresser les plantes) dans une culture particulière, vous ne pouvez pas obtenir vos données météorologiques sur Internet. Vous devez placer des instruments météorologiques dans ce microclimat, sinon vos mesures ne seront pas représentatives.

Par exemple, dans la figure 8, vous pouvez voir que pour un champ de pommes de terre particulier dans l'Idaho, les données de la station météorologique du champ et les données de la station météorologique régionale sur Internet ne concordent pas. Dans cette vidéo, le Dr Colin Campbell montre comment cela peut affecter la précision des prévisions de votre modèle de degrés-jours de croissance (DJC).

Étape 3 : Techniques et bonnes pratiques pour l'installation d'une station météorologique à distance

Lorsque vous vous rendez sur le terrain, emportez plus d'outils que vous ne pensez en avoir besoin. Le fait de disposer d'une pelle et d'une boîte à outils dédiées à l'installation, remplies d'outils importants tels que des colliers de serrage, des pinces, des marqueurs, des lampes de poche et des piles, peut vous épargner des heures d'allers-retours sur le site.

En outre, pensez à utiliser un exclos pour empêcher les animaux et les personnes d'entrer (figure 9).

METER s'associe à TAHMO, qui gère actuellement le plus grand réseau météorologique opérationnel d'Afrique, avec près de 600 stations météorologiques éloignées. Ces stations ATMOS 41 sont entourées d'exclos afin d'empêcher les animaux et les personnes d'y pénétrer, car laisser les instruments météorologiques exposés en Afrique entraîne souvent leur disparition. De plus, les animaux peuvent détruire les instruments. Un chercheur d'Afrique de l'Est a eu des problèmes avec des hyènes qui arrachaient les câbles et même avec un éléphant qui s'en allait avec toute sa station météorologique. Pensez donc à installer une clôture autour de votre site.

Il est également important de resserrer votre matériel de montage avant de partir. METER dispose d'un banc d'essai pluviométrique à l'Université A&M du Texas où nous étudions les précipitations de forte intensité des orages texans. Récemment, nous avons consulté les données de ce banc d'essai et avons constaté des anomalies dans les précipitations. En vérifiant les données de l'accéléromètre, nous avons constaté que toutes les stations météorologiques n'étaient pas au même niveau. La figure 10 est une reproduction artistique de ce que notre technicien de recherche a vu lorsqu'il est allé vérifier les stations météorologiques. Les raccords avaient glissé et il a dû retravailler complètement ce banc d'essai.

Vous devez également installer des haubans pour maintenir l'ensemble stable en cas d'intempéries. Si vous n'installez pas de haubans, vous vous retrouverez avec des instruments orientés horizontalement et non verticalement.

N'oubliez pas d'orienter votre capteur de direction du vent vers le nord ou le sud (au lieu de la direction magnétique) pour tenir compte de la déclinaison magnétique. Veillez également à protéger vos capteurs de température des radiations. Ce point peut être pris en compte lorsque vous choisissez vos instruments, mais c'est un élément qui peut être négligé. Pour comprendre pourquoi c'est important, regardez le webinaire suivant où le Dr. Doug Cobos examine l'équilibre énergétique des capteurs exposés aux rayonnements et discute des erreurs qu'ils peuvent causer.

Il est important d'éloigner les oiseaux de votre station météorologique à distance. Les oiseaux adorent se percher sur des objets élevés dans des zones ouvertes, de sorte que vos instruments météorologiques placés au milieu d'une zone ouverte risquent d'être endommagés (par exemple, les pluviomètres peuvent se boucher ou les pyranomètres peuvent être recouverts lorsqu'un oiseau fait ses besoins). La plupart des chercheurs installent un anneau de protection contre les oiseaux pour les empêcher de s'approcher.

En outre, veillez à la gestion des câbles. Les connexions électriques et les câbles sont la première source de problèmes pour tout instrument environnemental. Ces connexions sont essentielles, mais il est facile de les compromettre. Par conséquent, si les câbles courent sur le sol, veillez à les protéger par des conduits flexibles, faute de quoi les petits animaux les rongeront.

La figure 13 est un exemple de mauvaise gestion des câbles pour une station météorologique à distance. Vous ne voulez pas que les câbles pendent sans être fixés.

La figure 14 est un exemple de bonne gestion des câbles. Cette installation utilise un système de gestion des câbles avec une cage qui maintient tous les câbles bien rangés et protégés. Ils ne seront pas accrochés par les animaux et il sera difficile pour les animaux d'y accéder ou de les mâcher.

Étape 4 : Vérification sur le terrain

Avant de quitter le terrain, n'oubliez pas de mettre à niveau vos instruments météorologiques. Si vous ne le faites pas, le pluviomètre présentera des erreurs évidentes parce que sa prise ou son ouverture aura été modifiée. L'anémomètre, le pyranomètre ou le capteur de rayonnement à ondes longues seront également sujets à des erreurs si vous ne vous assurez pas qu'ils sont à niveau. La figure 15 montre ce qui peut arriver aux données des capteurs de rayonnement non nivelés.

Le graphique supérieur de la figure 15 montre les données de deux pyranomètres. L'un des capteurs est orienté vers l'est et l'autre est de niveau. Le capteur orienté vers l'est se met en marche plus tôt et atteint son maximum plus tôt, de sorte qu'il y a un décalage par rapport au niveau de l'un des capteurs.

Le graphique inférieur de la figure 15 montre que les jours de ciel clair, il y a un décalage qui ressemble à une erreur d'étalonnage de l'un des capteurs de rayonnement solaire. Cependant, le dernier jour est un jour nuageux où les deux capteurs s'accordent presque parfaitement. L'erreur provient donc en fait d'un capteur légèrement orienté vers le sud et qui capte plus de rayonnement que le capteur de niveau. Vous ne voyez pas l'erreur les jours de ciel diffus, mais vous pouvez la voir les jours de ciel clair. Ces types d'erreurs sont difficiles à identifier à partir d'un seul capteur sur un site, c'est pourquoi il est important de niveler ces instruments météorologiques. Presque toutes les stations météorologiques à distance sont équipées d'un niveau à bulle pour mettre les capteurs à niveau. La station météorologique ATMOS 41 est équipée d'un accéléromètre qui fournit l'inclinaison X et Y dans votre flux de données, ce qui vous permet de vérifier si les choses sont à niveau à distance sans avoir à visiter les capteurs sur le terrain.

Avant de quitter le site, vérifiez également les données pour chaque mesure et assurez-vous qu'elles sont plausibles. Si les données relatives à la température indiquent qu'il fait froid alors que la journée semble chaude, il y a manifestement un problème. Vérifiez le capteur de rayonnement pour vous assurer qu'il indique quelque chose de raisonnable. Nous avons vu des personnes laisser le capuchon sur leur pyranomètre et ne s'en apercevoir que bien plus tard. S'ils avaient vérifié les données, ils auraient vu qu'elles étaient proches de zéro watts par mètre carré au lieu de 1000 watts par mètre carré.

ZENTRA utility mobile vous permet d'utiliser le bluetooth pour vérifier vos valeurs sur un smartphone ou une tablette. Si vous disposez de données cellulaires sur votre site, vous pouvez également utiliser l'application de terrain ZENTRA Cloud sur un smartphone ou une tablette pour vous assurer que les données sont transmises à cloud.

Utilisez également ces outils pour confirmer que l'alimentation du système est chargée et fonctionne correctement avant votre départ. Vous pourrez alors être certain de disposer des données dont vous avez besoin à votre retour au bureau.

Étape 5 : Dépannage

Préparez-vous à d'éventuels problèmes liés à l'installation de votre station météorologique à distance en vous assurant que vous pouvez accéder à la documentation d'assistance pour les différents instruments météorologiques que vous utilisez. Apportez les manuels d'utilisation (copie électronique ou papier), les guides de l'intégrateur, les fiches techniques ou tout ce dont vous pourriez avoir besoin pour le dépannage. N'oubliez pas non plus d'apporter les coordonnées des services d'assistance pour les instruments. Elles peuvent vous être utiles en cas de problème.

Étape 6 : Enregistrer les métadonnées

Une chose que les chercheurs négligent souvent est d'écrire les métadonnées pertinentes qui rendent leurs données plus significatives. Rappelez-vous la célèbre citation : "Le crayon le plus court est plus long que la mémoire la plus longue". Si vous ne les notez pas, vous oublierez des informations cruciales dont vous avez besoin pour comprendre vos données. Les métadonnées importantes à enregistrer sont votre position GPS, l'altitude du site, les hauteurs de vos instruments météorologiques et les profondeurs si vous effectuez des mesures dans le sol ou dans l'eau. Vous devrez également noter la pente et l'aspect de votre site, les caractéristiques de la végétation, les obstacles éventuels, les problèmes d'ombrage et l'exposition éventuelle à des bâtiments, des chaussées ou des plans d'eau.

La norme de l'OMM fournit un modèle qu'il peut être utile d'emporter sur le terrain et de prendre quelques notes. Mais n'oubliez pas non plus de prendre des photos. Les photos de l'installation de vos instruments seront très utiles par la suite, en particulier les photos panoramiques du site.

Si vous visitez le portail web AG WeatherNet de l'université de l'État de Washington, vous verrez des photos panoramiques de chacune de leurs centaines de stations. Sur certaines de ces photos, vous pouvez voir que le site n'est pas parfait pour une station météorologique. Certains arbres ne respectent pas les normes de l'OMM, mais si vous le savez, cela donne plus de sens à vos mesures.

Veillez à collecter également les métadonnées de votre instrumentation. La figure 19 est un fichier Excel téléchargé à partir de ZENTRA cloud . Lorsque vous téléchargez vos données à partir de ZENTRA Cloud , vous obtenez toutes les métadonnées pertinentes : des informations sur votre enregistreur : la carte SIM et le signal cellulaire, la position GPS, ainsi que les numéros de série des capteurs et les noms de tous vos instruments. Vous pouvez également ajouter des champs supplémentaires qui donnent encore plus de sens à ces métadonnées, comme les versions du micrologiciel, etc. METER améliore continuellement la fonction de métadonnées de ZENTRA cloud , alors attendez-vous à de nouvelles capacités à l'avenir.

Étape 7 : Post-installation

Enfin, une fois de retour au bureau, vérifiez les données tôt et souvent. L'accès aux données à distance pour les stations météorologiques éloignées est une aide précieuse. Avec ZENTRA Cloud et d'autres programmes d'accès aux données à distance, vos données sont déjà représentées sous forme de graphiques, ce qui vous permet de rechercher des anomalies ou des problèmes sur votre site. Des alertes sur ZENTRA Cloud vous indiquent s'il y a un problème.

Par exemple, vous pouvez vérifier le niveau de charge de la batterie pour savoir quand vous devez vous rendre sur le terrain pour remplacer les batteries. Si vous examinez régulièrement vos données, vous obtiendrez un ensemble de données de haute qualité.

Station météo à distance FAQS

Lors de la mise à niveau et de l'orientation de vos instruments météorologiques, quel niveau de précision devez-vous rechercher ?

Plus le niveau est élevé, mieux c'est. L'idéal est d'avoir une valeur de 00 pour x et y, sinon vous obtiendrez des erreurs dans le rayonnement. Si vous consultez la loi du cosinus de Lambert, elle vous indiquera les erreurs auxquelles vous pouvez vous attendre par temps clair en ce qui concerne la mesure du rayonnement solaire. Les pluviomètres sont particulièrement problématiques, surtout avec un seau basculant ou un pluviomètre qui compte les gouttes. S'il n'est pas suffisamment à niveau, il ne recueillera pas la mesure des précipitations. Nous vous recommandons de maintenir le niveau de votre station à deux degrés en x et en y pour obtenir les meilleures mesures possibles, car si vous vous décalez de quatre ou cinq degrés, cela posera des problèmes pour vos données.

Quelles sont les meilleures pratiques pour mesurer les variables météorologiques dans les zones urbaines ? Avez-vous des recommandations pour ce type d'installation ?

Les micro-environnements des zones urbaines sont plus sévères que ceux des zones naturelles. Placez donc votre station météorologique à l'endroit qui vous intéresse, et non à deux rues de là ou de l'autre côté du bâtiment, là où il y a du soleil et non de l'ombre. Vous devez tenir compte des effets du microclimat. De nombreuses zones urbaines mettent en place des réseaux denses d'instruments météorologiques pour tenter de caractériser les effets du microclimat et d'obtenir des observations plus localisées pour leurs parties prenantes.

Avez-vous une liste de contrôle spécifique à suivre pour l'installation d'une station météorologique à distance ?

Nous vous recommandons vivement d'utiliser une liste de contrôle. Vous trouverez ici une liste de contrôle générale pour l'installation et ici les considérations relatives à l'installation d'une station météorologique.

Avez-vous des recommandations pour l'étalonnage ou l'entretien de vos instruments météorologiques ?

La plupart des instruments présentent un certain degré de dérive dans les mesures et perdent de leur précision au fil du temps. Le réétalonnage régulier des instruments météorologiques est une pratique courante. Chaque fabricant de capteurs de rayonnement, d'humidité, de température ou de pression barométrique spécifie une dérive et donne des recommandations sur la fréquence de réétalonnage des capteurs. Nous recommandons de remplacer le capteur de rayonnement solaire ATMOS 41 tous les deux ans. Nous avons la même recommandation pour la carte fille de la pression barométrique et de l'humidité relative. Nous tenons beaucoup à ce que les capteurs restent précis, c'est pourquoi ces composants peuvent être remplacés sur le terrain et nous avons essayé de faciliter la tâche de l'utilisateur.

S'il s'agit d'installer une station météorologique à distance dans un endroit qui peut ne pas être très stable, comme la surface d'un glacier, que suggérez-vous dans une telle situation ? 

Dans un glacier, vous devez enfoncer un poteau très profondément dans le glacier pour vous assurer que la stabilité est suffisante pour maintenir votre station météorologique en place. C'est une situation difficile car les hauteurs au-dessus de la surface vont changer avec le temps. De plus, la présence de la station météorologique pourrait avoir des effets sur le microclimat, comme la fonte. Il serait bon que vous disposiez d'un accès à distance aux données et de photos dans votre cours d'eau afin de voir ce qui se passe presque en temps réel et de pouvoir réparer l'installation en cas de problème.

Découvrez la station météorologique ATMOS 41 et l'enregistreur de données ZL6 .

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Vous voulez savoir comment les stations météorologiques peuvent être utilisées dans votre application ? Nos scientifiques ont des dizaines d'années d'expérience pour aider les chercheurs et les agriculteurs à mesurer le continuum sol-plante-atmosphère.

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