貢献者

科学的な気象観測所の比較テスト、気象センサーの変動データなど

リモートウェザーステーションや気象モニタリングシステムに組み込まれた研究グレードの気象センサーは、降水量、気温、風速などの気候パラメーターを測定する。これらのパラメータは、自然環境では短距離で大きく変化する可能性がある。しかし、ほとんどのウェザーステーション観測は、科学的精度のために空間分解能を犠牲にするか、空間分解能のために研究グレードの精度を犠牲にしている。ATMOS 41研究者用オールインワン科学測候所は、その両方を最適化したものです。空間的に分散した観測を可能にする価格帯で、精度を最大化するよう慎重に設計されている。さらに、多くの研究者は頻繁なメンテナンスや長いセットアップ時間を避ける必要があるため、ATMOS 41科学用ウェザーステーションは複雑さを軽減し、過酷な環境での長期的な展開に耐えるように設計されています。破損をなくすため、可動部はなく、2年ごとに再校正が必要なだけである。14の測定値が1つのユニットにまとめられているため、ほとんど手間をかけずに素早く設置することができる。唯一の条件は、空を遮るもののないポールの上に設置し、水平にすることです。

他の科学測候所はATMOS 41と比べてどうなのか？

METERは、アフリカ、ヨーロッパ、米国など、世界中のパートナーシップとの広範な開発とテストを経て、2017年1月にATMOS 41リモートウェザーステーションをリリースした。高品質で研究グレードのMETER製以外の気象センサーとの比較試験を行い、気象センサー間の変動の時系列試験を実施した。以下はその結果である。

降水気象センサーの比較

ATMOS 41科学測候所は、従来の測定アプローチを改善するために最新技術を採用しています。ATMOS 41の主な革新技術は、滴下式雨量計テクノロジーです。金メッキを施した電極を使用し、再現性の高い液滴サイズを生成するよう精密に設計されたノズルから、個別の液滴を検知してカウントします。この可動部品のない技術は、従来のティッピング・スプーン式雨量計よりも機械的故障の影響を受けにくい。3つのティッピング・スプーン型雨量計（テキサス・エレクトロニクス社製およびECRN-100）が、3つのATMOS 41気象センサー・スイートとともに、米国ワシントン州フォークス降水テストベッド（米国48州の中で最も雨が多い場所）に設置された。すべてのセンサーは、地表から2メートルの高さで、空間的に互いに2メートル以内に配置された。2018年の冬から春にかけての4ヶ月以上のデータを図1に示す。興味深いことに、3つのティッピング・スプーン計が最高と最低の2つの積算降雨量を表しており、3つのATMOS 41リモート気象観測所すべてがティッピング・スプーン計の間の積算降雨量を測定している。ティッピング・スプーン計のばらつきがあるため、確かな結論を導き出すのは難しいが、3つのATMOS 41遠隔気象観測所ユニットはすべて、ティッピング・スプーン測定の平均値の3%以内で一致している。

日射センサーの比較

日射量気象センサーの比較は、METERプルマンキャンパスの屋上テストベッドで行われた。Kipp & Zonen CMP3が2017年秋の約1ヶ月間、ATMOS 41リモート気象ステーションと同位置に設置された。測定値は15分間で平均化され、データは1:1プロットに基づき良好な一致を示した（図2）。線形回帰は、ATMOS 41 日射計による3%の過小評価を示している。

気温センサー比較

ATMOS 41オールインワン科学 ウェザーステーションは、風速計の開口部にマイクロサーミスタを使用し、基本的なエネルギーバランスアプローチを使用して日射と風の影響を補正します。日射と風速は、一般的なルーバー式放射シールドの代わりに、太陽熱と対流冷却のための気温測定を調整するために組み合わされます。この方法は、Apogee TS-100吸引式放射シールドに収納されたマイクロサーミスタセンサーを気温標準として使用し、METER Pullmanキャンパスで最適化され検証されました。検証の結果、ATMOS 41 の気温測定（図4）の95%信頼区間は+/-0.6 °Cであり、非吸気シールドに収納された一般的な気象センサーで予想される誤差よりもかなり良好であった。気温補正の詳細については、ウェビナー "Stop Hiding Behind a Shield" をご覧ください。

相対湿度ウェザーセンサー比較

改善された気温は、相対湿度を正確に補正するために使用されます。すべてのMETER相対湿度センサーは個別に校正され、露点湿度計標準に対して3つの湿度レベルで検証されます。図5はセンサー間のデータの一貫性を示しています。一度に1～16個のセンサーが校正され、3つの湿度レベルすべてで相対湿度2%の合否基準に保持されます。データは、通常実際の湿度の1%以内に校正されるセンサー間の優れた一貫性を示しています。

フィールドで収集されたデータは、統合された相対湿度と温度センサーを使用して蒸気圧（kPa）を計算します。図6は、8日間にわたる現場でのセンサー性能を示しており、蒸気圧測定間の一貫性という点で、何が期待できるかを示しています。

風速・風向センサー比較

ATMOS 41個のリモート・ウェザーステーション風速・風向気象センサーは、第三者機関であるISO 17025認定ラボでテストされました。風速は、カップ風速計とは対照的に、可動部のない超音波風速計によって測定される。風向は、90度離れた位置に2つの音波振動子があるため、超音波風速計でも測定される。正確な風向を記録するためには、本体に刻まれたNが真北を向いていなければならない。データを図7（風速）と表1（風向）に示す。

表1.風向データ、3点の平均値

気圧センサー比較

ATMOS 41科学的気象観測所気圧センサーは、NISTトレーサブルな圧力基準に対して個別に校正されています。圧力基準と圧力センサーの差は+/- 0.1 kPa以内でなければなりません。その差はオフセットとしてセンサーに保存されます。図 8 は、METER テストベッドにおける 7 つのATMOS 41 リモート気象ステーションの性能を示しています。上下の圧力の差は約 0.2 kPa です。

チルトセンサー比較データ

ATMOS 41科学観測用ウェザーステーションは、水平に問題がある場合に警告を発する傾斜センサーも備えています。傾斜センサーは、バブル・レベルをインジケーターとして使用し、METER製造校正治具でゼロ調整されます。図9は、テストベッドで7台のATMOS 41を使用した傾斜センサーの性能を示しています。青い線は、水平から外れたセンサーの例を示しており、その後発見され修正されました。各加速度センサーは比較的ノイズが少なく、高い再現性を示した。時折ノイズが大きくなることがあるが、これは風速が高く、取り付け器具が不安定であった結果であり、センサーの問題ではないことに注意することが重要である。

ATMOS 41 科学測候所-手頃な価格で正確、信頼できる

独立した気象センサーの比較や、並べての観測から得られたデータは、ATMOS 41ウェザーステーションが、シンプルで堅牢、メンテナンスが容易なユニットで研究品質の測定という目標を満たしていることを示しています。可動部のない風向風速計や落下カウント式雨量計などのユニークな設計機能により、過酷な環境下での長期にわたる正確な測定が可能であり、手頃な価格であるため、気象測定のギャップを埋める重要な空間分布データを提供する上で頼りになる。ATMOS 41科学測候所の性能の詳細については、こちらをお読みください。

質問は？

当社の科学者は、研究者や生産者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験がある。

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ATMOS 41科学測候所の放射線被曝温度センサーは正確なのだろうか？

一見簡単そうに見えるが、気温は正確に測定するのが最も難しい環境パラメータのひとつである。現在のベストプラクティスは、受動的に換気するか、積極的に吸引する放射シールドに気温センサーを収容することである。設計上の制約から、新しいATMOS 41オールインワン科学測候所の気温センサーは、日射から完全に遮蔽することができません。

しかし、ATMOS 41 科学測候所は風速と日射量を測定しており、どちらも気温測定の精度に影響を与える主要因であるため、補正は可能である。

気象センサーの問題

新しいATMOS 41リモート気象ステーションの気温センサーは、部分的に日射にさらされているため、気温（_Tair）の測定値に大きな誤差が生じる可能性がある。

未補正の測定値は、最新の吸引式放射線シールドで行われた測定値と比較して、3℃の誤差を示した。

問題解決

Because the ATMOS 41 also measured wind speed and solar radiation, it was possible to use a simple energy balance calculation to correct the T_air measurement. After correction, error decreased to < 0.5 °C and yielded better accuracy than commonly used passive ventilation radiation shields.

理論

温度計のエネルギーバランスは、日射による誤差を補正するために、以下に再整理されている。

• _αs=温度センサーの日射吸収率（単位なし）
• _St= 全入射短波放射量 (W ^m-2)
• _cp= 空気の比熱 (J ^{mol-1 C-1})
• k = 境界層の熱伝導率を表す定数
• u = 風速 (m ^s-1)
• d = 温度センサーの特性寸法 (m)

気象センサー実験

_Tairの基準標準としてApogee TS-100吸気式気温センサーが選ばれた。ATMOS 41 ウェザーステーションと、非吸気式ルーバー式放射シールドのDavis計器気温センサーがTS-100と同位置に設置された。Davis センサー／放射シールドは、ATMOS 41 の性能を典型的な_Tair測定と比較するために含まれた。5分平均データは、2015年晩夏の曇りがちな5日間にわたって取得された。式1からの_αsとkは、ATMOS 41補正のための_Tairの誤差を最小化するためのフィッティングパラメータとして使用された。

結果

単純なエネルギーバランスのアプローチは、部分的に放射線を浴びたセンサーからの気温を補正するのに有効だった。

ディスカッション

ATMOS 41による補正前の_Tair精度は、典型的な非放射線遮蔽気温測定と同等であったが、太陽放射の影響による正のバイアスが見られた。放射線補正されたATMOS 41は、典型的な放射線遮蔽された気温測定を上回り、95%信頼区間では±0.5 °C以下の精度を示した。

表1.評価対象の2つの気温センサーにおける気温測定値の統計量のまとめ。

以下のビデオでは、ダグ・コボス博士が、ATMOS 41 の放射線露出型温度センサーが機能する理由を説明している。

ATMOS 41ウェザーステーションは、氷点下や積雪の条件下でどのような性能を発揮しますか？

ATMOS 41科学観測用ウェザーステーションは、氷点下や雪が降るような条件下でも非常に丈夫です。風速計や日射計の上に積もった雪や氷の影響にご注意ください。ATMOS 41にはヒーターがないため、氷や雪が溶けて液体の水が測定されるだけで、雨量計の漏斗からあふれた雪は考慮されない。気温センサーと補正モデルはともに良好な結果を示している。2019年の冬にMETERの屋上テストベッドで記録された以下のデータを参照。

気象観測所の日射計が雪に覆われた場合の予想

日射は拡散放射として日射計に到達し、雪が取り除かれるか溶けるまで抑制される。

ATMOS 41 リモート気象ステーション風速計に氷/雪が含まれる場合の注意点

風速計の中に雪や氷があると、いくつかのことが観察される。一つは、雪が風速計の開口部を覆い、風速データを減衰させることである。

2つ目の観察は、風速が急上昇したり（30m/sを上限とする）、センサーの出力がなかったり（#N/A）することである。この場合、積もった氷や雪が取り除かれるか溶けるまで、少しデータのクリーンアップが必要かもしれません。

ATMOS 41測候所の気温と補正モデルの性能

私たちは、ATMOS 41遠隔気象観測所を覆う雪の毛布がユニットを断熱し、雪が取り除かれるまで気温が上昇することを観察した。

METERの屋上テストベッドに設置され、CR1000データロガーに接続された非METER基準気象センサー（ST-100サーミスタ付きApogee TS-110ファン吸引式放射シールド）と比較した場合、全体的に気温は良好に追跡された。 晴天日の雪上の気温測定は、低風速条件下で最高約2℃の誤差がある。 この誤差の大きさは、アルベドが1に近い雪からの反射短波放射が大幅に増加するために予想されるもので、非吸気放射シールドでの気温測定から予想される誤差よりもはるかに小さい（図6）。

ATMOS 41 ウェザーステーションの防鳥装置は、日射量気象センサーのデータにどのような影響を与えますか？

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.

ほぼ晴天の日、鳥害防止装置による誤差は、2つのATMOS 41日射計センサーで3.0%と4.7%の全日射量の減少であった（2019/3/7）。曇りの日、鳥害防止装置による誤差は1%未満であった（2019/3/8）。晴天の日、鳥阻止装置による誤差は、全日射量の2.6%と5.7%の減少であった（2019/3/9）。この誤差は、鳥害防止装置あり（実験）と鳥害防止装置なし（対照）のリモートウェザーステーション（ATMOS ）41基の1日の日射量を合計し、誤差のパーセントを計算することで推定された。データは5分間隔で収集した。

表1のデータは、積雪のない日に収集されたもので、誤差は日射量の合計が5%減少する程度であった。

表1.日別日射量合計の誤差の割合
*鳥害防止装置は完璧に設置されていない。

注：バードスパイクなしのベースラインデータを比較した場合、試験1ATMOS は対照より約1％高かった。バードスパイクなしのベースラインデータを比較した場合、試験2ATMOS 41 は対照より約-1％低かった（晴天日の1日の放射線の合計について）。

防鳥ワイヤーによる日射効果

日射量データのディップは、晴天の日に鳥害防止ワイヤーの影によって引き起こされる（図1の2019/3/9を参照）。晴天時の日射量の落ち込みは、太陽の角度の変化により年間を通して変化する。日射量データは、ワイヤーシャドウが存在しない完全な曇りの日には、鳥害抑止装置の影響を受けない（図1の2019/3/8参照）。

設置に関する問題

鳥害防止装置の正しい設置方法（図2）と誤った設置方法（図3）を以下に示します。日射計センサーは、三角形で示された2本のワイヤーの中間にあるべきです。 鳥害防止装置が正しく設置されていない場合、誤差が大きくなることが予想されます。

毎日の日射量を合計しなくても、日射計の落ち込みが最も激しい時の誤差の割合は、13-17%の日射量の減少（晴天日）となった。METERのテストベッドでは、これは83-113W/mであった。² 2019年3月9日（図4）、ワイヤーの影が最も急激な落ち込みを引き起こした。

ワイヤーの影の影響を補正する方法はありますか？

晴天時の日射量を見積もるために晴天計算機を使用することは可能であるが、鳥除けの影の影響を補正することは困難であり、お勧めできない。主な理由は、cloud 、時間帯、時期、場所の違いにより、影が時間とともに変化するからである。

ウェザーステーションの日射計センサーが汚れているかどうかを見分ける方法は？

晴天の日（日射計センサーが汚れていないことが分かっている日）のデータを、晴天の日射測定ができるはずの日のデータと比較する。晴れているはずの日に、比較データが晴天でないことを示す場合、これは日射計センサーが汚れているか、障害物があることを示している。現地視察を行う前に、鳥がセンサーを覆っていないことを確認するため、数日分のデータを収集し、確認する。日射計センサーが汚れている場合は、センサー、ファンネル、樋、スクリーンを清掃するものを持参する。鳥の糞がある場合は、鳥除けを設置する。

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