Les capteurs météorologiques de qualité scientifique intégrés dans les stations météorologiques à distance et les systèmes de surveillance météorologique mesurent les paramètres climatiques tels que les précipitations, la température de l'air et la vitesse du vent. Ces paramètres peuvent varier considérablement sur de courtes distances dans l'environnement naturel. Cependant, la plupart des observations des stations météorologiques sacrifient la résolution spatiale au profit de la précision scientifique ou la précision de niveau recherche au profit de la résolution spatiale. La station météorologique scientifique tout-en-un ATMOS 41 pour les chercheurs représente une optimisation des deux. Elle a été soigneusement conçue pour maximiser la précision à un prix permettant des observations réparties dans l'espace. En outre, comme de nombreux chercheurs ont besoin d'éviter une maintenance fréquente et des temps d'installation longs, la station météorologique scientifique ATMOS 41 a été conçue pour réduire la complexité et résister à un déploiement à long terme dans des environnements difficiles. Pour éviter les ruptures, elle ne contient aucune pièce mobile et ne nécessite un réétalonnage que tous les deux ans. Comme les 14 mesures sont combinées en une seule unité, elle peut être déployée rapidement et presque sans effort. Il suffit de le monter et de le mettre à niveau au sommet d'un poteau avec une vue dégagée sur le ciel.
METER a lancé la station météorologique à distance ATMOS 41 en janvier 2017 après un développement et des tests approfondis avec des partenaires du monde entier, en Afrique, en Europe et aux États-Unis. Nous avons effectué des tests de comparaison avec des capteurs météorologiques de haute qualité et de niveau de recherche autres que ceux de METER, ainsi que des tests de séries temporelles pour la variabilité d'un capteur météorologique à l'autre. Vous trouverez ci-dessous les résultats.
La station météorologique scientifique ATMOS 41 utilise les dernières technologies pour améliorer les méthodes de mesure traditionnelles. L'une des principales innovations du ATMOS 41 est la technologie du pluviomètre à comptage de gouttes. Elle utilise des électrodes plaquées or pour détecter et compter les gouttes discrètes provenant d'une buse conçue avec précision pour produire une taille de goutte hautement reproductible. Cette technologie sans pièces mobiles est moins sensible aux défaillances mécaniques que les pluviomètres à cuillère basculante traditionnels. Trois pluviomètres à cuillère basculante (Texas Electronics et ECRN-100) ont été déployés sur notre banc d'essai des précipitations de Forks, WA USA (l'endroit le plus pluvieux des 48 états américains inférieurs) avec trois ensembles de capteurs météorologiques ATMOS 41. Tous les capteurs ont été déployés à moins de deux mètres les uns des autres dans l'espace, à une hauteur de deux mètres au-dessus de la surface du sol. Plus de quatre mois de données de l'hiver et du printemps 2018 sont présentés dans la figure 1. Il est intéressant de noter que les trois jauges à cuillère basculante représentent les totaux de précipitations cumulées les plus élevés et les deux plus bas, les trois stations météorologiques à distance ATMOS 41 mesurant les totaux de précipitations cumulées entre les jauges à cuillère basculante. Bien que la dispersion des jauges à cuillère basculante rende difficile l'établissement de conclusions solides, les trois unités de la station météorologique à distance ATMOS 41 s'accordent à 3% près sur la moyenne des mesures à cuillère basculante.
Les comparaisons des capteurs météorologiques de rayonnement solaire ont été effectuées sur le banc d'essai en toiture du campus METER Pullman. Un CMP3 de Kipp & Zonen a été installé au même endroit qu'une station météorologique à distance ATMOS 41 pendant environ un mois à l'automne 2017. Les relevés ont été moyennés sur une période de 15 minutes, et les données montrent un bon accord basé sur le tracé 1:1 (figure 2). Une régression linéaire montre une sous-estimation de 3 % par le pyranomètre ATMOS 41.
La station météorologique scientifique tout-en-un ATMOS 41 utilise une micro thermistance dans l'ouverture de l'anémomètre et corrige les effets du rayonnement solaire et du vent en utilisant une approche d'équilibre énergétique de base. Le rayonnement solaire et la vitesse du vent sont combinés pour ajuster la mesure de la température de l'air en fonction du chauffage solaire et du refroidissement par convection, au lieu de l'habituelle protection contre le rayonnement par persiennes. Cette méthode a été optimisée et vérifiée sur le campus METER de Pullman en utilisant un capteur à micro thermistance logé dans un bouclier anti-rayonnement Apogee TS-100 aspiré comme étalon de température de l'air. Les résultats de la vérification montrent un intervalle de confiance à 95 % de +/- 0,6 °C pour la mesure de la température de l'air sur le site ATMOS 41 (figure 4), ce qui est nettement supérieur à l'erreur attendue pour un capteur météorologique typique logé dans un bouclier non aspiré. Vous trouverez plus d'informations sur la correction de la température de l'air dans notre webinaire "Stop Hiding Behind a Shield" (Arrêtez de vous cacher derrière un bouclier).
| (Toutes les unités sont en °C) | ATMOS 41 #1 | ATMOS 41 #2 | ATMOS 41 #3 | ATMOS 41 #4 | ATMOS 41 #5 | ATMOS 41 #6 | ATMOS 41 #7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Biais-> | 0.13 | 0.17 | 0.00 | -0.03 | -0.05 | 0.13 | 0.08 |
| Intervalle de confiance à 95%-> | 0.52 | 0.61 | 0.46 | 0.62 | 0.60 | 0.49 | 0.57 |
La température de l'air améliorée est utilisée pour corriger avec précision l'humidité relative. Tous les capteurs d'humidité relative METER sont étalonnés individuellement et vérifiés à trois niveaux d'humidité par rapport à un hygromètre à point de rosée. La figure 5 montre la cohérence des données entre les capteurs. Un à seize capteurs sont étalonnés à la fois et sont soumis à un critère de réussite/échec de 2 % d'humidité relative aux trois niveaux d'humidité. Les données montrent une excellente cohérence entre les capteurs, qui sont généralement étalonnés à 1 % près de l'humidité réelle.
Les données recueillies sur le terrain utilisent le capteur intégré d'humidité relative et de température pour calculer la pression de vapeur (kPa). La figure 6 montre les performances du capteur sur le terrain pendant une période de huit jours et donne une idée de ce à quoi on peut s'attendre en termes de cohérence entre les mesures de la pression de vapeur.
ATMOS Les capteurs de vitesse et de direction du vent de 41 stations météorologiques à distance ont été testés par un laboratoire tiers certifié ISO 17025. La vitesse du vent est mesurée par un anémomètre à ultrasons sans pièces mobiles, contrairement à un anémomètre à coupelles. La direction du vent est également mesurée par des anémomètres à ultrasons, car il y a deux transducteurs soniques situés à 90 degrés l'un de l'autre. Le N gravé sur l'appareil doit être orienté vers le nord véritable pour enregistrer la direction du vent avec précision. Les données sont présentées dans la figure 7 (vitesse du vent) et le tableau 1 (direction du vent).
| Référence Direction du vent (°) | ATMOS 41 Direction du vent (°) | Direction Différence (°) |
|---|---|---|
| 2 | 1.89 | -0.11 |
| 91 | 91.08 | 0.08 |
| 180 | 179.65 | -0.35 |
| 270 | 270.23 | 0.23 |
Tableau 1. Données sur la direction du vent, moyenne de 3 points de données
Chaque capteur de pression barométrique de la station météorologique scientifique ATMOS 41 est étalonné individuellement par rapport à une référence de pression traçable au NIST. La différence entre la référence de pression et le capteur de pression doit être de +/- 0,1 kPa. La différence est ensuite stockée sur le capteur en tant que décalage. La figure 8 montre les performances de sept stations météorologiques à distance ATMOS 41 dans le banc d'essai METER. Les différences entre les pressions supérieure et inférieure sont de l'ordre de 0,2 kPa.
La station météorologique scientifique ATMOS 41 est également équipée d'un capteur d'inclinaison qui vous avertit en cas de problème de niveau. Les capteurs d'inclinaison sont mis à zéro dans le dispositif d'étalonnage de la production METER à l'aide d'un niveau à bulle comme indicateur. La figure 9 montre les performances du capteur d'inclinaison avec sept ATMOS 41 dans le banc d'essai. Les lignes bleues montrent un exemple de capteur qui s'est écarté du niveau et qui a été découvert et corrigé par la suite. Chaque accéléromètre a montré un bruit relativement faible et une répétabilité élevée. Il est important de noter que les épisodes occasionnels de bruit élevé sont dus à des vitesses de vent élevées et à l'instabilité de l'appareil de montage, et non à des problèmes au niveau du capteur.
Les données issues de comparaisons indépendantes de capteurs météorologiques et d'observations côte à côte montrent que la station météorologique ATMOS 41 répond à l'objectif de mesures de qualité pour la recherche dans un appareil simple, robuste et facile à entretenir. Ses caractéristiques de conception uniques, telles qu'un anémomètre sans pièces mobiles et un pluviomètre à comptage de gouttes, permettent d'effectuer des mesures précises à long terme dans un environnement difficile. De plus, comme elle est abordable, on peut compter sur elle pour fournir les données critiques réparties dans l'espace qui combleront les lacunes dans les mesures météorologiques. Pour en savoir plus sur les performances de la station météorologique scientifique ATMOS 41, lisez la suite.
Nos scientifiques ont des dizaines d'années d'expérience pour aider les chercheurs et les cultivateurs à mesurer le continuum sol-plante-atmosphère.
Consultez l'étude de cas ATMOS 41
Malgré sa simplicité apparente, la température de l'air est l'un des paramètres environnementaux les plus difficiles à mesurer avec précision. La meilleure pratique actuelle consiste à placer le capteur météorologique de température de l'air dans un écran de protection contre les rayonnements qui est soit ventilé de manière passive, soit aspiré de manière active. En raison de contraintes de conception, le capteur de température de l'air de la nouvelle station météorologique scientifique tout-en-un ATMOS 41 ne peut pas être entièrement protégé du rayonnement solaire.
Cependant, comme la station météorologique scientifique ATMOS 41 mesure la vitesse du vent et le rayonnement solaire, qui sont tous deux des facteurs primaires affectant la précision de la mesure de la température de l'air, une correction est possible.
Le capteur de température de l'air de la nouvelle station météorologique à distance ATMOS 41 est partiellement exposé au rayonnement solaire, ce qui peut entraîner des erreurs importantes dans la température de l'air mesurée (Tair).
Les mesures non corrigées ont montré des erreurs allant jusqu'à 3 °C par rapport aux mesures effectuées dans un bouclier de rayonnement aspiré de pointe.
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.
Le bilan énergétique du thermomètre a été réorganisé ci-dessous pour corriger les erreurs dues au rayonnement solaire.
Un capteur de température de l'air aspiré Apogee TS-100 a été choisi comme norme de référence pour Tair. La station météorologique ATMOS 41 et le capteur de température de l'air Davis instruments dans un bouclier de rayonnement non aspiré et à persiennes ont été placés au même endroit que le TS-100. Un capteur Davis/écran anti-rayonnement a été inclus pour comparer la performance de ATMOS 41 à une mesure typique de Tair. Les données moyennées sur cinq minutes ont été prises sur une période de cinq jours de conditions nuageuses variables à la fin de l'été 2015. αs et k de l'équation 1 ont été utilisés comme paramètres d'ajustement pour minimiser l'erreur dans Tair pour la correction ATMOS 41.
L'approche simple du bilan énergétique a bien fonctionné pour corriger la température de l'air à partir d'un capteur partiellement exposé au rayonnement.
La précision non corrigée de Tair à partir de ATMOS 41 est comparable à la mesure typique de la température de l'air sans protection contre les radiations, mais a montré un biais positif dû aux effets des radiations solaires. Le site ATMOS 41 corrigé en fonction du rayonnement est plus performant que les mesures typiques de la température de l'air protégé contre le rayonnement et donne un intervalle de confiance à 95 % d'une précision bien inférieure à ±0,5 °C.
| (Toutes les unités °C) | ATMOS 41 non corrigé | Non-aspiré | ATMOS 41 corrigé |
|---|---|---|---|
| Erreur moyenne (biais) | 0.20 | 0.07 | -0.06 |
| Intervalle de confiance à 95 | 0.60 | 0.66 | 0.42 |
| Erreur positive maximale | 1.51 | 1.58 | 0.36 |
| Erreur négative maximale | -0.66 | -0.87 | -0.77 |
Tableau 1. Statistiques récapitulatives des mesures de la température de l'air pour les deux capteurs météorologiques de température de l'air évalués
Dans la vidéo ci-dessous, le Dr Doug Cobos explique le fonctionnement du capteur de température exposé aux radiations du site ATMOS 41.
La station météorologique scientifique ATMOS 41 est très résistante, même en cas de gel ou de neige. Il n'est pas nécessaire d'hiverner l'ensemble des capteurs météorologiques, bien que nous mettions en garde les utilisateurs contre les effets de la neige et de la glace dans l'anémomètre ou sur le pyranomètre. Il n'y a pas de chauffage dans le ATMOS 41, donc l'eau liquide ne sera mesurée que lorsque la glace et la neige auront fondu, et la neige qui pourrait avoir débordé de l'entonnoir du pluviomètre ne sera pas prise en compte. Le capteur de température de l'air et le modèle de correction fonctionnent bien. Voir les données ci-dessous, enregistrées au banc d'essai sur le toit de METER pendant l'hiver 2019.
Le rayonnement solaire atteint le pyranomètre sous forme de rayonnement diffus et est supprimé jusqu'à ce que la neige soit enlevée ou qu'elle fonde.
On peut observer plusieurs choses lorsque de la neige ou de la glace se trouve dans l'anémomètre. D'une part, un manteau de neige protège l'ouverture de l'anémomètre, ce qui atténue les données relatives à la vitesse du vent.
Une deuxième observation est qu'il peut y avoir des pointes de vitesse du vent (nous plafonnons à 30 m/s) ou aucune sortie de capteur (#N/A). Dans ce cas, un petit nettoyage des données peut être nécessaire jusqu'à ce que l'accumulation de glace/neige soit enlevée ou qu'elle fonde.
Nous avons observé qu'une couche de neige recouvrant la station météorologique à distance ATMOS 41 isole l'unité et que la température de l'air se réchauffe jusqu'à ce que la neige soit enlevée.
Dans l'ensemble, les températures de l'air sont bien suivies lorsqu'elles sont comparées à un capteur météorologique de référence non-METER (Apogee TS-110, bouclier anti-rayonnement à aspiration par ventilateur avec thermistance ST-100), qui a été installé sur le banc d'essai sur le toit de METER et connecté à un enregistreur de données CR1000. Les mesures de la température de l'air au-dessus de la neige par temps clair sont supérieures d'environ 2 °C dans des conditions de faible vitesse du vent. Cette erreur est attendue en raison de l'augmentation substantielle du rayonnement de courte longueur d'onde réfléchi par la neige dont l'albédo est proche de 1. Elle est beaucoup plus faible que l'erreur attendue des mesures de la température de l'air dans un bouclier de rayonnement non aspiratif (figure 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.
Lors d'une journée au ciel essentiellement dégagé, l'erreur causée par le dispositif de dissuasion des oiseaux a été une diminution du rayonnement solaire total de 3,0 % et de 4,7 % pour deux capteurs pyranométriques ATMOS 41 (3/7/2019). Par temps nuageux, l'erreur causée par le dispositif de dissuasion des oiseaux était inférieure à 1 % (3/8/2019). Par temps clair, l'erreur causée par le dispositif de dissuasion des oiseaux correspondait à une diminution du rayonnement solaire total de 2,6 % et de 5,7 % (3/9/2019). L'erreur a été estimée en additionnant le rayonnement solaire quotidien de ATMOS 41 unités de stations météorologiques à distance avec un dispositif de dissuasion des oiseaux (expérimental) et sans dispositif de dissuasion des oiseaux (contrôle) et en calculant le pourcentage d'erreur. Les données ont été collectées à intervalles de 5 minutes.
Les données du tableau 1 ont été collectées à des dates où il n'y avait pas de couverture neigeuse, et les erreurs n'ont pas dépassé une diminution de 5 % du rayonnement solaire journalier additionné.
| État du ciel, date | Erreur en pourcentage de la somme du rayonnement solaire journalier Essai 1 |
Erreur en pourcentage de la somme du rayonnement solaire journalier Essai 2* |
|---|---|---|
| Partiellement nuageux, 3/14/2019 |
1.8% | 4.7% |
| Partiellement nuageux, 3/15/2019 |
2.4% | 2.1% |
| Partiellement nuageux, 3/16/2019 |
2.0% | 4.2% |
| Majoritairement ensoleillé, 3/17/2019 |
2.4% | 3.7% |
| Ensoleillé, 3/18/2019 |
2.1% | 4.2% |
| Ensoleillé, 3/19/2019 |
2.3% | 4.1% |
| Ensoleillé, 3/20/2019 |
2.3% | 4.1% |
| Majoritairement ensoleillé, 3/21/2019 |
1.9% | 4.5% |
Tableau 1. Pourcentage d'erreur de la somme du rayonnement solaire journalier par date
*Le dispositif de dissuasion des oiseaux n'a pas été parfaitement installé.
NOTE : Le test 1 ATMOS était environ 1% plus élevé que le contrôle en comparant les données de base sans pic d'oiseaux ; le test 2 ATMOS 41 était environ -1% plus bas que le contrôle en comparant les données de base sans pic d'oiseaux (pour la somme des radiations journalières par jour de ciel clair).
Les creux dans les données relatives au rayonnement solaire sont causés par les ombres du fil dissuasif pour les oiseaux lors d'une journée de ciel clair (voir 3/9/2019 dans la figure 1). Les creux dans le rayonnement solaire lors des journées ensoleillées varient tout au long de l'année en fonction de l'angle du soleil. Les données relatives au rayonnement solaire ne sont pas affectées par le dispositif de dissuasion des oiseaux les jours complètement nuageux, lorsqu'il n'y a pas d'ombres de fils (voir 3/8/2019 dans la figure 1).
L'installation correcte (figure 2) et l'installation incorrecte (figure 3) du dispositif de dissuasion des oiseaux sont illustrées ci-dessous. Le capteur du pyranomètre doit se trouver au milieu de deux fils, comme l'indique le triangle. Attendez-vous à une augmentation des erreurs lorsque les dispositifs de dissuasion des oiseaux ne sont pas correctement installés.
Sans additionner le rayonnement solaire journalier, le pourcentage d'erreur au moment où les chutes du pyranomètre sont les plus importantes a entraîné une diminution de 13 à 17 % du rayonnement solaire (jour de ciel clair). Au banc d'essai de METER, il s'agit d'une baisse de 83-113 W/m2 lorsque les ombres filaires ont provoqué les baisses les plus importantes le 3/9/2019 (figure 4).
Il est possible d'utiliser un calculateur de ciel clair pour estimer le rayonnement solaire les jours ensoleillés ; cependant, il serait difficile et non recommandé de corriger les effets de l'ombre des dispositifs de dissuasion des oiseaux. La principale raison est que les ombres changent avec le temps, en raison des différences de couverture cloud , de l'heure de la journée, de l'époque de l'année et de l'emplacement.
Comparez les données d'un jour de ciel clair (lorsque vous savez que le capteur du pyranomètre était propre) aux données d'un jour qui aurait dû produire des mesures de rayonnement solaire par ciel clair. Si les données de comparaison indiquent des conditions de ciel non clair lors d'une journée qui aurait dû être claire, cela indique que le capteur du pyranomètre est sale ou obstrué. Recueillez et examinez les données de quelques jours pour vous assurer que ce n'est pas un oiseau qui a recouvert le capteur avant de vous rendre sur le terrain. Lorsque vous vous préparez à une visite sur le terrain pour un capteur de pyranomètre sale, apportez de quoi nettoyer le capteur, l'entonnoir, le tuyau de descente et la grille. Installez un dispositif de dissuasion des oiseaux s'il y a des fientes d'oiseaux.
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