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Stazioni meteorologiche remote - questioni di impostazione

Nel corso degli anni METER ha installato migliaia di stazioni meteorologiche remote e di strumenti meteorologici, per cui ha imparato molto su cosa fare e cosa non fare durante l'installazione.

Questo articolo analizza in modo approfondito i sette passaggi fondamentali a cui dovrete pensare durante la configurazione della vostra stazione meteorologica, al fine di ottenere dati meteo della massima qualità.

1. Test pre-campo
2. Scegliere il sito giusto
3. Tecniche di installazione di alta qualità
4. Controllo sul campo
5. Risoluzione dei problemi
6. Registrazione dei metadati
7. Considerazioni sulla post-installazione

Prima di iniziare: Assicuratevi di utilizzare gli strumenti meteorologici giusti

Una cosa importante da ricordare è che per ottenere dati di alta qualità è necessario installare la stazione meteorologica giusta per la propria applicazione. In questo webinar di 20 minuti, il dottor Doug Cobos, ricercatore, esplora quali tipi di stazioni meteorologiche si adattano a diversi tipi di applicazioni. Scopritelo:

• Perché considerare la qualità dei dati rispetto alla manutenzione e alle combinazioni di parametri di misura nell'analisi dei costi?
• Prestazioni a 3 stagioni contro 4 stagioni
• Quali sono le situazioni che richiedono soluzioni di basso, medio o alto livello e fino a che punto?
• Pro e contro delle diverse soluzioni
• Come si colloca la stazione meteorologica ATMOS 41 rispetto ad altri metodi?
• Qual è il punto di forza delle prestazioni in rapporto al prezzo nella vostra applicazione?

Fase 1: il test pre-campo previene i mal di testa

Un passo spesso trascurato per una buona installazione è testare gli strumenti meteorologici prima di portarli sul campo. È importante impostare la strumentazione prima di partire, in modo da sapere che tutto funziona e da avere a disposizione tutti gli strumenti necessari. Potete testare la strumentazione in ufficio, nel vostro cortile o anche in un parco vicino. Preparate tutta la ferramenta per il montaggio e assicuratevi che tutti gli strumenti e i sensori meteorologici funzionino. Se disponete di un sistema a batteria e di un pannello solare, verificate che siano in carica. Assicuratevi che il sistema di acquisizione dati funzioni. Se si utilizza un registratore di dati programmabile, come un registratore Campbell Scientific, assicurarsi di aver capito come programmarlo. Testare il programma del logger per assicurarsi che funzioni correttamente e che registri. Molte dorsali di acquisizione dati sono ora in grado di fornire dati in remoto, quindi verificate che i dati affluiscano al server e che siate in grado di accedervi.

La Figura 2 è un esempio di sito di prova in cui Montana Mesonet installa tutte le sue stazioni su un tetto per effettuare test di confronto. Questo li aiuta a verificare che tutto funzioni e ad assicurarsi di avere tutte le attrezzature necessarie per l'installazione. Se lo fate, avrete tutti gli strumenti giusti, la ferramenta per il montaggio e i vari widget necessari per l'installazione.

Fase 2: scegliere il sito giusto per l'installazione della stazione meteorologica remota

Le varie norme di osservazione meteorologica elencano le migliori pratiche per la collocazione degli strumenti meteorologici. Una delle migliori pratiche standard è quella di scegliere un sito con una pendenza minima. Questo potrebbe non essere possibile in tutte le aree, ma scegliete un sito con la minore pendenza possibile. La stazione meteorologica deve essere collocata lontano da ostacoli: l'Organizzazione meteorologica mondiale (OMM) richiede una distanza minima di 10 volte l'altezza dell'ostacolo. Ad esempio, se nel vostro sito c'è un arbusto di due metri, gli strumenti meteorologici dovrebbero essere posizionati a 20 metri di distanza dall'arbusto. Lo standard ASABE prevede una distanza da 10 a 50 volte l'altezza dell'ostacolo.

Un'altra pratica ottimale è quella di posizionare gli strumenti meteorologici con un fetch omogeneo (senza cambiamenti nell'uso del suolo e senza ostacoli) pari a 100 volte l'altezza della stazione meteorologica. Quindi, se la stazione meteorologica si trova a un'altezza di due metri, è ottimale avere un fetch omogeneo di circa 200 metri. La Figura 3 è un sito ideale per quanto riguarda le ostruzioni e il fetch, il che lo rende un sito ottimale per le osservazioni meteorologiche generali.

Un'altra cosa a cui prestare attenzione è la presenza di ostacoli sopraelevati al piranometro e al pluviometro. Se c'è un'ostruzione sopra il pluviometro, la misurazione delle precipitazioni sarà falsata. Controllate sempre il "fattore di vista" del vostro piranometro. Se si osserva la Figura 4, il piranometro si trova sotto il data logger e sotto la chioma di un albero. Ostruzioni come queste confondono i dati del piranometro.

Inoltre, se si dispone di un pirgeometro per la radiazione a onde lunghe o di un radiometro netto, questi strumenti meteorologici hanno in genere un campo visivo emisferico o di 180 gradi. Se ci sono alberi o edifici che ostruiscono il campo visivo emisferico di 180 gradi, potrebbe essere una fonte di distorsione o di errore. È quindi importante che questi tipi di strumenti meteorologici siano esposti al cielo aperto.

La stazione meteorologica remota deve essere posizionata lontano da qualsiasi oggetto che possa riscaldarsi al sole e aumentare la temperatura dell'aria in modo innaturale, come edifici, marciapiedi, sentieri e persino il terreno nudo se si trova in un sito vegetato. Inoltre, non posizionate la stazione meteorologica vicino a corpi idrici, come nella Figura 4.

Si noti che le regole discusse sopra si riferiscono alle osservazioni meteorologiche generali e non necessariamente alle osservazioni specialistiche. La Figura 5 illustra gli standard di una guida per un sito di livello 1 dell'OMM.

Le linee guida dell'OMM raccomandano una pendenza minima, una vegetazione bassa, un'ubicazione a 100 metri dalle fonti di calore e un'ubicazione a 100 metri dai corpi idrici.

Un'ultima cosa da considerare quando si posizionano gli strumenti meteorologici e le stazioni meteorologiche remote sono gli effetti del microclima. Non collocate gli strumenti in una depressione locale. In una depressione locale, se c'è una notte serena con condizioni stabili e poi un'inversione, può causare una grande distorsione, soprattutto nella temperatura dell'aria.

La Figura 6 mostra un diagramma di un banco di prova METER sul tetto dove testiamo ATMOS 41 stazioni meteorologiche all-in-one. A circa 220 metri a sinistra, c'è un altro sito di prova METER nel letto di un torrente, dove testiamo i sensori del suolo, le apparecchiature idrologiche e i sensori di profondità dell'acqua. Tra i due siti c'è una variazione di altitudine di circa 30 metri e una distanza orizzontale di circa 220 metri.

Di recente, abbiamo controllato le basse temperature di questi siti in ZENTRA Cloud e abbiamo scoperto che c'era una differenza di temperatura di ben 6 ℃ tra il banco di prova sul tetto e quello sul fondo del torrente. Questo dà un'idea dell'entità degli errori che si possono ottenere collocando la stazione meteorologica remota o gli strumenti meteorologici in una depressione localizzata.

Inoltre, prestate attenzione alla vegetazione presente nei pressi del vostro sito. La vegetazione deve essere rappresentativa in prossimità della stazione meteorologica. È importante non collocare il sistema di monitoraggio meteorologico sulla cima di un crinale, in quanto ciò potrebbe causare una distorsione delle misurazioni. Allo stesso modo, il tetto è generalmente un sito di monitoraggio meteorologico poco adatto. Infatti, gli enti normativi non accettano un'installazione sul tetto perché si verificano notevoli distorsioni della temperatura dell'aria dovute al riscaldamento del tetto. (Noi di METER possiamo utilizzare un banco di prova sul tetto per verificare i problemi di prestazione, perché non stiamo cercando di effettuare osservazioni meteorologiche di alta qualità in quel sito. Ma si noti che il tetto è in genere una posizione inadeguata).

Se dovete caratterizzare un microclima specifico, allora dovrete collocare la vostra stazione meteorologica in quel microclima. Per la gestione integrata dei parassiti o per qualsiasi tipo di modellazione delle malattie, spesso il monitoraggio deve essere effettuato nella chioma della coltura. Se si sta valutando il comfort degli animali, è necessario collocare gli strumenti meteorologici nel recinto in cui si trovano gli animali, altrimenti le misurazioni non saranno rappresentative. Se si tratta di misurare il comfort umano in aree urbane come un impianto sportivo, la stazione meteorologica deve essere collocata nell'impianto stesso. Se si vuole misurare il "comfort delle piante" (cioè quando irrigare o sottoporre le piante a stress) in una particolare coltura, non si possono ottenere i dati meteo da internet. È necessario collocare gli strumenti meteorologici in quel microclima, altrimenti le misurazioni non saranno rappresentative.

Ad esempio, nella Figura 8 si può vedere che per un particolare campo di patate nell'Idaho, i dati della stazione meteorologica interna e quelli della stazione meteorologica regionale su Internet non concordano. In questo video, il Dr. Colin Campbell mostra come questo possa influire sull'accuratezza delle previsioni del modello dei gradi giorno di crescita (GDD).

Fase 3: Tecniche di installazione della stazione meteorologica remota e buone pratiche

Quando andate sul campo, portate con voi più strumenti di quelli che pensate siano necessari. Avere una pala da installazione dedicata e una cassetta degli attrezzi dedicata, piena di strumenti importanti come fascette, pinze, pennarelli, torce e batterie, può far risparmiare ore di viaggi avanti e indietro dal cantiere.

Inoltre, pensate di utilizzare una recinzione per tenere fuori gli animali e le persone (Figura 9).

METER collabora con TAHMO, che ora gestisce la più grande rete meteorologica operativa in Africa con quasi 600 stazioni meteorologiche remote. Hanno messo dei recinti intorno a tutte le loro stazioni ATMOS 41 per tenere lontani gli animali e le persone, perché lasciare gli strumenti meteorologici esposti in Africa spesso porta alla loro scomparsa. Inoltre, gli animali possono distruggere la strumentazione. Un ricercatore dell'Africa orientale ha avuto problemi con le iene che hanno strappato i cavi e persino con un elefante che si è portato via l'intera stazione meteorologica. Pensate quindi a mettere una recinzione intorno al vostro sito.

È anche importante stringere la ferramenta di montaggio prima di partire. METER ha un banco di prova per le precipitazioni presso la Texas A&M University dove studiamo le precipitazioni ad alta intensità dei temporali del Texas. Di recente abbiamo recuperato i dati del banco di prova e abbiamo notato alcune anomalie nelle precipitazioni. Quando abbiamo controllato i dati dell'accelerometro, abbiamo visto che tutte le stazioni meteorologiche erano fuori livello. La Figura 10 è una ricostruzione artistica di ciò che il nostro tecnico di ricerca ha visto quando è andato a controllare le stazioni meteorologiche. I raccordi erano scivolati e il tecnico ha dovuto rielaborare completamente il banco di prova.

È inoltre necessario installare dei tiranti per mantenere tutto stabile in caso di eventi atmosferici avversi. Se non si fissano i tiranti, si finisce per avere la strumentazione orientata in orizzontale anziché in verticale.

Ricordarsi di orientare il sensore di direzione del vento verso il nord o il sud vero (anziché magnetico) per tenere conto della declinazione magnetica. Assicuratevi anche di schermare i sensori di temperatura dalle radiazioni. Questo aspetto può essere preso in considerazione al momento della scelta della strumentazione, ma può essere trascurato. Per capire perché è importante, guardate il seguente webinar in cui il Dr. Doug Cobos esamina il bilancio energetico dei sensori esposti alle radiazioni, discutendo gli errori che possono causare.

È importante tenere lontani gli uccelli dalla stazione meteorologica remota. Gli uccelli amano appollaiarsi su oggetti alti in aree aperte, quindi gli strumenti meteorologici che si trovano in mezzo a un'area aperta possono essere a rischio di danni (ad esempio, i pluviometri possono essere intasati o i piranometri possono essere coperti quando un uccello defeca). La maggior parte dei ricercatori applica un anello di protezione per gli uccelli per tenerli lontani.

Inoltre, prestate attenzione alla gestione dei cavi. I collegamenti elettrici e i cavi sono la prima fonte di problemi per qualsiasi strumentazione ambientale. Le connessioni sono fondamentali, ma è facile che vengano compromesse. Quindi, se i cavi corrono lungo il terreno, assicuratevi di proteggerli con guaine flessibili, altrimenti i piccoli animali li rosicchieranno.

La Figura 13 è un esempio di cattiva gestione dei cavi per una stazione meteorologica remota. Non è opportuno che i cavi pendano senza essere fissati.

La Figura 14 è un esempio di buona gestione dei cavi. Questa installazione utilizza un sistema di gestione dei cavi con una gabbia che mantiene tutti i cavi in ordine e protetti. I cavi non verranno impigliati dagli animali e sarà difficile per loro accedervi o masticarli.

Fase 4: Controllo sul campo

Prima di lasciare il campo, ricordatevi di livellare gli strumenti meteorologici. In caso contrario, il pluviometro presenterà errori evidenti perché il suo fermo o la sua apertura sono alterati. Anche l'anemometro, il piranometro o il sensore di radiazione a onde lunghe saranno soggetti a errori se non ci si assicura che siano in piano. La Figura 15 mostra cosa può accadere ai dati dei sensori di radiazione non livellati.

Il grafico superiore della Figura 15 mostra i dati di due piranometri. Uno dei due sensori è orientato verso est e l'altro è in piano. Quello che punta a est si attiva prima e raggiunge il picco prima, quindi c'è un offset dovuto al fatto che un sensore è fuori livello.

Il grafico inferiore della Figura 15 mostra che nei giorni di cielo sereno c'è un offset che sembra un errore nella calibrazione di uno dei sensori di radiazione solare. Tuttavia, l'ultimo giorno è un giorno nuvoloso in cui entrambi i sensori concordano quasi perfettamente. Quindi l'errore è dovuto al fatto che un sensore è puntato leggermente a sud e raccoglie più radiazioni rispetto al sensore di livello. L'errore non si nota nei giorni di cielo diffuso, ma si nota nei giorni di cielo sereno. Questi tipi di errori sono difficili da identificare da un singolo sensore in un sito, quindi è importante livellare gli strumenti meteorologici. Quasi tutte le stazioni meteorologiche remote includono una livella a bolla per livellare i sensori. La stazione meteorologica ATMOS 41 è dotata di un accelerometro che fornisce l'inclinazione X e Y nel flusso di dati, in modo da poter controllare se le cose sono a livello da remoto senza dover visitare i sensori sul campo.

Inoltre, prima di lasciare il sito, controllate i dati per ogni misurazione e assicuratevi che siano plausibili. Se i dati sulla temperatura dicono che fa freddo in un giorno che sembra caldo, c'è ovviamente un problema. Controllate il sensore di radiazioni per assicurarvi che legga qualcosa di ragionevole. Abbiamo visto persone lasciare il tappo del piranometro e accorgersene solo molto tempo dopo. Se avessero controllato i dati, avrebbero visto che la lettura era prossima a zero watt per metro quadrato invece che a 1000 watt per metro quadrato.

ZENTRA utility mobile consente di utilizzare il bluetooth per controllare i valori su uno smartphone o un tablet. Se si dispone di dati cellulari nel sito, è possibile utilizzare anche l'app da campo ZENTRA Cloud su uno smartphone o un tablet per assicurarsi che i dati vengano trasmessi in streaming a cloud.

Inoltre, utilizzate questi strumenti per verificare che l'alimentatore del sistema sia in carica e funzioni bene prima di partire. In questo modo potrete avere la certezza di disporre dei dati necessari quando tornerete in ufficio.

Fase 5: Risoluzione dei problemi

Preparatevi a eventuali problemi con la configurazione della stazione meteorologica remota assicurandovi di poter accedere alla documentazione di supporto per i diversi strumenti meteorologici che state utilizzando. Portate con voi manuali d'uso (in formato elettronico o cartaceo), guide per gli integratori, schede tecniche o tutto ciò che potrebbe servirvi per la risoluzione dei problemi. Non dimenticate di portare con voi le informazioni di contatto dei dipartimenti di supporto alla strumentazione. Possono essere utili in caso di problemi.

Fase 6: registrazione dei metadati

Una cosa che i ricercatori spesso trascurano è la scrittura dei metadati rilevanti che rendono i loro dati più significativi. Ricordate la famosa citazione: "La matita più corta è più lunga della memoria più lunga". Se non si scrive, si dimenticano informazioni cruciali per comprendere i dati. I metadati importanti da registrare sono la posizione GPS, l'altitudine del sito, le altezze degli strumenti meteorologici e le profondità se si misura nel terreno o nell'acqua. È inoltre necessario registrare la pendenza e l'aspetto del sito, le caratteristiche della vegetazione, eventuali ostacoli, problemi di ombreggiamento e l'esposizione a edifici, marciapiedi o corpi idrici.

Lo standard WMO fornisce un modello che potrebbe essere utile portare sul campo e annotare alcuni appunti. Ma assicuratevi anche di scattare delle fotografie. Le foto della vostra strumentazione saranno preziose in seguito, soprattutto le foto panoramiche del sito.

Se visitate il portale web AG WeatherNet dell'Università di Stato di Washington, vedrete le foto panoramiche di ognuna delle centinaia di stazioni. In alcune immagini si può notare che non si tratta di un sito perfetto per una stazione meteorologica. Ci sono alcuni alberi che violano alcuni degli standard WMO, ma se lo sapete, le vostre misurazioni avranno un significato maggiore.

Assicuratevi di raccogliere anche i metadati della vostra strumentazione. La Figura 19 mostra un file Excel scaricato da ZENTRA cloud . Quando si scaricano i dati da ZENTRA Cloud , si ottengono tutti i metadati pertinenti: informazioni sul logger: la scheda SIM e il segnale cellulare, la posizione GPS, oltre ai numeri di serie dei sensori e ai nomi di tutta la strumentazione. È inoltre possibile aggiungere campi extra che danno un significato ancora più ampio ai metadati, come le versioni del firmware e così via. METER sta migliorando continuamente la funzione dei metadati di ZENTRA cloud , per cui si attendono ulteriori funzionalità in futuro.

Fase 7: post-installazione

Infine, quando tornate in ufficio, controllate i dati presto e spesso. L'accesso remoto ai dati delle stazioni meteorologiche remote è di grande aiuto. Con ZENTRA Cloud e altri programmi di accesso remoto ai dati, i dati sono già rappresentati in forma grafica, in modo da poter cercare anomalie nei dati o problemi con il sito. In ZENTRA Cloud sono presenti avvisi che segnalano la presenza di un problema.

Ad esempio, è possibile controllare il livello di carica delle batterie per capire quando è necessario recarsi sul campo per sostituirle. Se si esaminano i dati su base regolare, si otterrà un set di dati di alta qualità.

Stazione meteorologica remota FAQS

Quando si livella e si orienta la strumentazione meteorologica, quale livello di precisione si deve ricercare?

Più il livello è alto, meglio è. La cosa migliore è che i valori di x e y siano pari a zero, altrimenti si finisce per avere errori nella radiazione. Se cercate la legge del coseno di Lambert, vi indicherà gli errori che potreste aspettarvi nelle giornate di cielo sereno dalla misurazione della radiazione solare. I pluviometri sono particolarmente problematici, soprattutto se si tratta di un secchio ribaltabile o di un pluviometro che conta le gocce. Se è abbastanza fuori livello, non raccoglie la misura delle precipitazioni. Per ottenere le migliori misurazioni possibili, si consiglia di mantenere il livello della stazione entro due gradi sia in x che in y, perché se il dislivello è di quattro o cinque gradi, i dati risulteranno problematici.

Quali sono le migliori pratiche per misurare le variabili meteorologiche nelle aree urbane? Ci sono raccomandazioni per questo tipo di installazione?

I microambienti delle aree urbane sono più severi di quelli delle aree naturali. Quindi mettete la vostra stazione meteorologica nel luogo che vi interessa, non a due isolati di distanza o dall'altro lato dell'edificio dove c'è il sole invece dell'ombra. È necessario tenere conto degli effetti del microclima. Molte aree urbane realizzano fitte reti di strumentazione meteorologica per cercare di caratterizzare gli effetti del microclima e ottenere osservazioni più localizzate per i loro stakeholder.

Avete una lista di controllo specifica da seguire quando si tratta di installare una stazione meteorologica a distanza?

Consigliamo vivamente di utilizzare una lista di controllo. Abbiamo una lista di controllo generale per l'installazione qui e considerazioni sull'installazione della stazione meteorologica qui.

Avete qualche raccomandazione per la calibrazione o la manutenzione dei vostri strumenti meteorologici?

La maggior parte degli strumenti presenta un certo grado di deriva nella misurazione e perde precisione nel tempo. La ricalibrazione di routine degli strumenti meteorologici è una pratica standard. Ogni produttore di sensori di radiazione, di umidità, di temperatura o di pressione barometrica specifica una deriva e fornisce raccomandazioni sulla frequenza di ricalibrazione dei sensori. Noi consigliamo di sostituire il sensore di radiazione solare ATMOS 41 ogni due anni. La stessa raccomandazione vale per la scheda figlia della pressione barometrica e dell'umidità relativa. Ci teniamo molto a mantenere i sensori precisi, quindi questi componenti possono essere sostituiti sul campo e abbiamo cercato di semplificare la procedura per l'utente.

Se avete a che fare con l'installazione di una stazione meteorologica remota in un luogo che potrebbe non essere molto stabile, come la superficie di un ghiacciaio, cosa suggerite per una situazione del genere? 

In un ghiacciaio, è necessario conficcare un palo molto in profondità per assicurarsi che la stabilità sia sufficiente a mantenere la stazione meteorologica in posizione. È una situazione difficile perché le altezze sopra la superficie cambiano nel tempo. E la presenza della stazione meteorologica potrebbe indurre alcuni effetti microclimatici come la fusione. Sarebbe una buona idea avere accesso remoto ai dati e alle foto del flusso per vedere cosa sta succedendo in tempo quasi reale, in modo da poter sistemare l'installazione in caso di problemi.

Scoprite la stazione meteo ATMOS 41 e ildata logger ZL6 .

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Volete sapere come le stazioni meteorologiche possono essere utilizzate nelle vostre applicazioni? I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.

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