I sensori meteorologici di ricerca integrati nelle stazioni meteorologiche remote e nei sistemi di monitoraggio meteorologico misurano parametri climatici come le precipitazioni, la temperatura dell'aria e la velocità del vento. Questi parametri possono cambiare notevolmente a breve distanza nell'ambiente naturale. Tuttavia, la maggior parte delle osservazioni delle stazioni meteorologiche sacrifica la risoluzione spaziale per l'accuratezza scientifica, oppure l'accuratezza di livello ricerca per la risoluzione spaziale. La stazione meteorologica scientifica all-in-one ATMOS 41 per i ricercatori rappresenta un'ottimizzazione di entrambe. È stata attentamente progettata per massimizzare l'accuratezza a un prezzo che consente osservazioni distribuite nello spazio. Inoltre, poiché molti ricercatori devono evitare frequenti manutenzioni e lunghi tempi di installazione, la stazione meteorologica scientifica ATMOS 41 è stata progettata per ridurre la complessità e resistere a lungo in ambienti difficili. Per evitare rotture, non contiene parti mobili e richiede una ricalibrazione solo ogni due anni. Poiché tutte le 14 misurazioni sono riunite in un'unica unità, può essere installata rapidamente e senza alcuno sforzo. L'unico requisito è quello di essere montato e livellato in cima a un palo con una vista libera sul cielo.
METER ha rilasciato la stazione meteorologica remota ATMOS 41 nel gennaio 2017 dopo un ampio sviluppo e test con partnership in tutto il mondo, in Africa, Europa e Stati Uniti. Abbiamo eseguito test di confronto con sensori meteorologici di alta qualità e di livello di ricerca non METER e abbiamo condotto test di serie temporali per la variabilità da sensore a sensore. Di seguito i risultati.
La stazione meteorologica scientifica ATMOS 41 impiega le più recenti tecnologie per migliorare gli approcci di misurazione tradizionali. Un'innovazione fondamentale di ATMOS 41 è la tecnologia del pluviometro a conteggio di gocce. Utilizza elettrodi placcati in oro per rilevare e contare gocce discrete da un ugello progettato con precisione per produrre gocce di dimensioni altamente ripetibili. Questa tecnologia senza parti mobili è meno soggetta a guasti meccanici rispetto ai tradizionali pluviometri a cucchiaio ribaltabile. Tre pluviometri a cucchiaio ribaltabile (Texas Electronics e ECRN-100) sono stati installati nel nostro banco di prova per le precipitazioni di Forks, WA USA (la località più piovosa dei 48 Stati Uniti) insieme a tre suite di sensori meteorologici ATMOS 41. Tutti i sensori sono stati installati a due metri di distanza dal suolo. Tutti i sensori sono stati dislocati a due metri di distanza l'uno dall'altro, a un'altezza di due metri dalla superficie del suolo. La Figura 1 mostra oltre quattro mesi di dati relativi all'inverno e alla primavera del 2018. È interessante notare che i tre misuratori a cucchiaio ribaltabile rappresentano i totali di pioggia accumulati più alti e i due più bassi, con tutte e tre le stazioni meteorologiche remote ATMOS 41 che misurano i totali di pioggia accumulati tra i misuratori a cucchiaio ribaltabile. Sebbene la dispersione dei misuratori a cucchiaio ribaltabile renda difficile trarre conclusioni solide, tutte e tre le unità della stazione meteorologica remota ATMOS 41 concordano entro il 3% della media delle misurazioni a cucchiaio ribaltabile.
I confronti tra i sensori meteorologici di radiazione solare sono stati effettuati sul banco di prova sul tetto del campus METER di Pullman. Una CMP3 di Kipp & Zonen è stata collocata insieme a una stazione meteorologica remota ATMOS 41 per circa un mese nell'autunno del 2017. Le letture sono state mediate su un periodo di 15 minuti e i dati mostrano un buon accordo sulla base del grafico 1:1 (Figura 2). Una regressione lineare mostra una sottostima del 3% da parte del piranometro ATMOS 41.
La stazione meteorologica scientifica all-in-one ATMOS 41 utilizza un micro termistore nell'apertura dell'anemometro e corregge gli effetti della radiazione solare e del vento utilizzando un approccio basato sul bilancio energetico. La radiazione solare e la velocità del vento sono combinate per regolare la misurazione della temperatura dell'aria per il riscaldamento solare e il raffreddamento convettivo, invece del comune schermo antiradiazioni a lamelle. Questo metodo è stato ottimizzato e verificato presso il campus METER di Pullman, utilizzando come standard di temperatura dell'aria un sensore a micro termistore alloggiato in uno schermo antiradiazioni Apogee TS-100 aspirato. I risultati della verifica mostrano un intervallo di confidenza del 95% di +/- 0,6 °C per la misurazione della temperatura dell'aria di ATMOS 41 (Figura 4), che è significativamente migliore dell'errore previsto per un tipico sensore meteorologico alloggiato in uno schermo non aspirato. Ulteriori informazioni sulla correzione della temperatura dell'aria sono disponibili nel nostro webinar "Stop Hiding Behind a Shield".
| (Tutte le unità sono °C) | ATMOS 41 #1 | ATMOS 41 #2 | ATMOS 41 #3 | ATMOS 41 #4 | ATMOS 41 #5 | ATMOS 41 #6 | ATMOS 41 #7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bias-> | 0.13 | 0.17 | 0.00 | -0.03 | -0.05 | 0.13 | 0.08 |
| Intervallo di confidenza al 95%-> | 0.52 | 0.61 | 0.46 | 0.62 | 0.60 | 0.49 | 0.57 |
La temperatura dell'aria migliorata viene utilizzata per correggere con precisione l'umidità relativa. Tutti i sensori di umidità relativa METER sono calibrati individualmente e verificati a tre livelli di umidità rispetto a uno standard di igrometro del punto di rugiada. La Figura 5 mostra la coerenza dei dati tra i sensori. Vengono calibrati da uno a 16 sensori alla volta, rispettando il criterio "pass/fail" del 2% di umidità relativa a tutti e tre i livelli di umidità. I dati mostrano un'eccellente coerenza tra i sensori, che in genere sono calibrati entro l'1% dell'umidità effettiva.
I dati raccolti sul campo utilizzano il sensore integrato di umidità relativa e temperatura per calcolare la pressione di vapore (kPa). La Figura 6 mostra le prestazioni del sensore sul campo per un periodo di otto giorni e dà un'idea di cosa aspettarsi in termini di coerenza tra le misurazioni della pressione di vapore.
ATMOS 41 sensori meteo remoti di velocità e direzione del vento sono stati testati da un laboratorio di terze parti certificato ISO 17025. La velocità del vento è misurata da un anemometro a ultrasuoni senza parti in movimento, a differenza di un anemometro a coppa. Anche la direzione del vento è misurata da anemometri a ultrasuoni, poiché sono presenti due trasduttori sonici posizionati a 90 gradi l'uno dall'altro. La N incisa sull'unità deve essere puntata verso il Nord vero per registrare una direzione del vento accurata. I dati sono riportati nella Figura 7 (velocità del vento) e nella Tabella 1 (direzione del vento).
| Direzione del vento di riferimento (°) | ATMOS 41 Direzione del vento (°) | Differenza di direzione (°) |
|---|---|---|
| 2 | 1.89 | -0.11 |
| 91 | 91.08 | 0.08 |
| 180 | 179.65 | -0.35 |
| 270 | 270.23 | 0.23 |
Tabella 1. Dati sulla direzione del vento, media di 3 punti dati
Ogni sensore di pressione barometrica della stazione meteorologica scientifica ATMOS 41 è calibrato individualmente rispetto a un riferimento di pressione tracciabile NIST. La differenza tra il riferimento di pressione e il sensore di pressione deve essere compresa tra +/- 0,1 kPa. La differenza viene quindi memorizzata sul sensore come offset. La Figura 8 mostra le prestazioni di sette stazioni meteorologiche remote ATMOS 41 presso il banco di prova METER. Le differenze tra la pressione superiore e inferiore sono di circa 0,2 kPa.
La stazione meteorologica scientifica ATMOS 41 è dotata anche di un sensore di inclinazione che segnala i problemi di livello. I sensori di inclinazione vengono azzerati nel dispositivo di calibrazione della produzione METER utilizzando una livella a bolla come indicatore. La Figura 9 mostra le prestazioni del sensore di inclinazione utilizzando sette ATMOS 41 nel banco di prova. Le linee blu mostrano un esempio di sensore che è stato spostato fuori livello e che è stato successivamente scoperto e riparato. Ogni accelerometro ha mostrato un rumore relativamente basso e un'elevata ripetibilità. È importante notare che gli episodi occasionali di rumore più elevato sono il risultato di velocità del vento elevate e dell'instabilità dell'apparato di montaggio e non di problemi del sensore.
I dati ottenuti da confronti indipendenti tra sensori meteorologici e osservazioni affiancate dimostrano che la stazione meteorologica ATMOS 41 soddisfa l'obiettivo di effettuare misurazioni di qualità per la ricerca in un'unità semplice, robusta e di facile manutenzione. Le sue caratteristiche di progettazione uniche, come l'anemometro senza parti mobili e il pluviometro con conta gocce, consentono di effettuare misurazioni accurate a lungo termine in un ambiente difficile e, grazie al suo prezzo accessibile, si può fare affidamento su di essa per fornire i dati critici distribuiti nello spazio che colmeranno le lacune nelle misurazioni meteorologiche. Continuate a leggere per maggiori dettagli sulle prestazioni della stazione meteorologica scientifica ATMOS 41.
I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.
Vedere un caso di studio su ATMOS 41
Nonostante la sua apparente semplicità, la temperatura dell'aria è uno dei parametri ambientali più difficili da misurare con precisione. L'attuale pratica migliore prevede che il sensore meteorologico della temperatura dell'aria sia alloggiato in uno schermo antiradiazioni ventilato passivamente o aspirato attivamente. A causa dei vincoli di progettazione, il sensore di temperatura dell'aria della nuova stazione meteorologica scientifica all-in-one ATMOS 41 non può essere completamente schermato dalla radiazione solare.
Tuttavia, poiché la stazione meteorologica scientifica ATMOS 41 misura la velocità del vento e la radiazione solare, entrambi fattori primari che influenzano l'accuratezza della misurazione della temperatura dell'aria, è possibile una correzione.
Il sensore di temperatura dell'aria della nuova stazione meteorologica remota ATMOS 41 è parzialmente esposto alla radiazione solare, il che può comportare grandi errori nella temperatura dell'aria misurata (Tair).
Le misurazioni non corrette hanno mostrato errori che vanno fino a 3 °C rispetto alle misurazioni effettuate in uno scudo antiradiazioni aspirato di ultima generazione.
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.
Il bilancio energetico del termometro è stato riorganizzato di seguito per correggere gli errori dovuti alla radiazione solare.
Un sensore di temperatura dell'aria aspirato Apogee TS-100 è stato scelto come standard di riferimento per Tair. La stazione meteorologica ATMOS 41 e il sensore di temperatura dell'aria Davis instruments in uno schermo antiradiazioni non aspirato sono stati posizionati insieme al TS-100. Per confrontare le prestazioni di ATMOS 41 con quelle di una tipica misurazione Tair, è stato incluso un sensore/scudo antiradiazioni Davis. I dati medi di cinque minuti sono stati rilevati in un periodo di cinque giorni con condizioni di nuvolosità variabile alla fine dell'estate 2015. αs e k dell'Equazione 1 sono stati utilizzati come parametri di adattamento per ridurre al minimo l'errore in Tair per la correzione di ATMOS 41.
Il semplice approccio del bilancio energetico ha funzionato bene per correggere la temperatura dell'aria da un sensore parzialmente esposto alla radiazione.
L'accuratezza della Tair non corretta di ATMOS 41 è paragonabile alla tipica misurazione della temperatura dell'aria non schermata dalle radiazioni, ma ha mostrato una distorsione positiva dovuta agli effetti della radiazione solare. L'accuratezza di ATMOS 41, corretta per le radiazioni, ha superato la tipica misurazione della temperatura dell'aria schermata dalle radiazioni e ha fornito un intervallo di confidenza del 95% con un'accuratezza di molto inferiore a ±0,5 °C.
| (Tutte le unità °C) | ATMOS 41 non corretto | Non aspirato | ATMOS 41 corretto |
|---|---|---|---|
| Errore medio (bias) | 0.20 | 0.07 | -0.06 |
| Intervallo di confidenza al 95% | 0.60 | 0.66 | 0.42 |
| Errore positivo massimo | 1.51 | 1.58 | 0.36 |
| Errore negativo massimo | -0.66 | -0.87 | -0.77 |
Tabella 1. Statistiche di riepilogo delle misure di temperatura dell'aria per i due sensori meteorologici di temperatura dell'aria oggetto della valutazione
Nel video che segue, il Dr. Doug Cobos spiega perché il sensore di temperatura esposto alle radiazioni di ATMOS 41 funziona.
La stazione meteorologica scientifica ATMOS 41 è molto resistente, anche in condizioni di gelo e neve. Non è necessario svernare la suite di sensori meteorologici, anche se mettiamo in guardia gli utenti dagli effetti della neve e del ghiaccio nell'anemometro o sulla parte superiore del piranometro. Non c'è un riscaldatore nel sito ATMOS 41, quindi l'acqua liquida sarà misurata solo una volta che il ghiaccio e la neve si saranno sciolti, e la neve che potrebbe essere traboccata dall'imbuto del pluviometro non sarà presa in considerazione. Il sensore di temperatura dell'aria e il modello di correzione si comportano entrambi bene. Si vedano i dati qui sotto, registrati sul banco di prova sul tetto di METER durante l'inverno 2019.
La radiazione solare raggiunge il piranometro come radiazione diffusa e viene soppressa finché la neve non viene rimossa o si scioglie.
In presenza di neve/ghiaccio nell'anemometro si possono osservare un paio di cose. Una prima osservazione è che una coltre di neve protegge l'apertura dell'anemometro, smorzando i dati sulla velocità del vento.
Una seconda osservazione è che potrebbero verificarsi picchi di velocità del vento (il limite è di 30 m/s) o nessuna uscita del sensore (#N/A). In questo caso, potrebbe essere necessaria una piccola pulizia dei dati fino alla rimozione o allo scioglimento dell'accumulo di ghiaccio/neve.
Abbiamo osservato che una coltre di neve che ricopre la stazione meteorologica remota ATMOS 41 isola l'unità e la temperatura dell'aria è più calda finché la neve non viene rimossa.
Nel complesso, le temperature dell'aria si comportano bene se confrontate con un sensore meteorologico di riferimento diverso da quello di METER (Apogee TS-110 con schermo antiradiazioni a ventola e termistore ST-100), collocato sul banco di prova sul tetto di METER e collegato a un data logger CR1000. Le misurazioni della temperatura dell'aria sulla neve in giornate di cielo sereno variano fino a circa 2 °C in condizioni di bassa velocità del vento. Questa entità di errore è prevista a causa dell'aumento sostanziale della radiazione a onde corte riflessa dalla neve con albedo prossimo a 1, ed è molto inferiore all'errore previsto dalle misure di temperatura dell'aria in uno schermo radiante non aspirato (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.
In una giornata con cielo prevalentemente sereno, l'errore causato dal deterrente per uccelli è stato una diminuzione della radiazione solare totale del 3,0% e del 4,7% per due sensori piranometrici ATMOS 41 (3/7/2019). In una giornata nuvolosa, l'errore causato dal deterrente per uccelli è stato inferiore all'1% (3/8/2019). In una giornata di cielo sereno, l'errore causato dal deterrente per uccelli è stato una diminuzione della radiazione solare totale del 2,6% e del 5,7% (3/9/2019). L'errore è stato stimato sommando la radiazione solare giornaliera di ATMOS 41 unità della stazione meteorologica remota con il deterrente per uccelli (sperimentale) e senza deterrente per uccelli (controllo) e calcolando l'errore percentuale. I dati sono stati raccolti a intervalli di 5 minuti.
I dati della Tabella 1 sono stati raccolti in date prive di copertura nevosa e gli errori non hanno superato il 5% di diminuzione della radiazione solare giornaliera sommata.
| Condizione del cielo, Data | Errore percentuale della radiazione solare giornaliera sommata Test 1 |
Errore percentuale della radiazione solare giornaliera sommata Test 2* |
|---|---|---|
| Parzialmente nuvoloso, 3/14/2019 |
1.8% | 4.7% |
| Parzialmente nuvoloso, 3/15/2019 |
2.4% | 2.1% |
| Parzialmente nuvoloso, 3/16/2019 |
2.0% | 4.2% |
| Prevalentemente soleggiato, 3/17/2019 |
2.4% | 3.7% |
| Soleggiato, 3/18/2019 |
2.1% | 4.2% |
| Soleggiato, 3/19/2019 |
2.3% | 4.1% |
| Soleggiato, 3/20/2019 |
2.3% | 4.1% |
| Prevalentemente soleggiato, 3/21/2019 |
1.9% | 4.5% |
Tabella 1. Errore percentuale della radiazione solare giornaliera sommata per data
*Il dissuasore per uccelli non è stato perfettamente installato.
NOTA: il test 1 ATMOS è risultato superiore di circa l'1% rispetto al controllo quando si confrontano i dati di base senza picchi di uccelli; il test 2 ATMOS 41 è risultato inferiore di circa l'1% rispetto al controllo quando si confrontano i dati di base senza picchi di uccelli (per la somma delle radiazioni giornaliere in una giornata di cielo sereno).
I cali nei dati della radiazione solare sono causati dalle ombre del filo dissuasore per uccelli in una giornata di cielo sereno (vedi 3/9/2019 nella Figura 1). I cali di radiazione solare nei giorni di sole variano nel corso dell'anno al variare dell'angolo del sole. I dati di radiazione solare non sono influenzati dal deterrente per uccelli nelle giornate completamente nuvolose, quando non sono presenti ombre di fili (vedere 3/8/2019 nella Figura 1).
Di seguito è illustrata l'installazione corretta del dissuasore per uccelli (Figura 2) e quella non corretta (Figura 3). Il sensore del piranometro deve trovarsi al centro di due fili, come indicato dal triangolo. Se i deterrenti per uccelli non sono installati correttamente, gli errori aumentano.
Senza sommare la radiazione solare giornaliera, l'errore percentuale quando i cali del piranometro sono più drastici risulta in una diminuzione del 13-17% della radiazione solare (giorno di cielo sereno). Al banco di prova di METER, questo corrispondeva a 83-113 W/m2 quando le ombre dei fili hanno causato i cali più drastici il 3/9/2019 (Figura 4).
È possibile utilizzare un calcolatore di cielo sereno per stimare la radiazione solare nelle giornate di sole; tuttavia, sarebbe difficile e non consigliabile correggere gli effetti delle ombre dei deterrenti per uccelli. Il motivo principale è che le ombre cambiano nel tempo, a causa della diversa copertura cloud , dell'ora del giorno, del periodo dell'anno e della posizione.
Confrontare i dati di un giorno di cielo sereno (quando si sa che il sensore del piranometro era pulito) con i dati di un giorno che avrebbe dovuto produrre misure di radiazione solare con cielo sereno. Se i dati di confronto indicano condizioni di cielo non limpido in un giorno che avrebbe dovuto essere limpido, ciò indica che il sensore del piranometro è sporco o ostruito. Raccogliere ed esaminare un paio di giorni di dati per assicurarsi che non sia stato un uccello a coprire il sensore prima di effettuare una visita sul campo. Quando si prepara una visita sul campo per un sensore piranometrico sporco, portare con sé oggetti per pulire il sensore, l'imbuto, il pluviale e la griglia. Installare un deterrente per uccelli se sono presenti escrementi di uccelli.
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