기여자

과학적 기상 관측소 비교 테스트, 기상 센서 변동성 데이터 등

원격 기상 관측소와 기상 모니터링 시스템에 통합된 연구용 기상 센서는 강수량, 기온, 풍속과 같은 기후 매개변수를 측정합니다. 이러한 매개변수는 자연 환경의 짧은 거리에서도 상당히 변화할 수 있습니다. 그러나 대부분의 기상 관측소는 과학적 정확도를 위해 공간 해상도를 희생하거나 공간 해상도를 위해 연구용 정확도를 희생합니다. 연구자용 올인원 과학 기상 관측소인 ATMOS 41은 이 두 가지를 모두 최적화한 제품입니다. 이 제품은 공간적으로 분산된 관측이 가능한 가격대에서 정확도를 극대화하도록 세심하게 설계되었습니다. 또한, 많은 연구자들이 잦은 유지 보수와 긴 설정 시간을 피해야 하기 때문에 ATMOS 41 과학 기상 관측소는 복잡성을 줄이고 열악한 환경에서도 장기간 배포를 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 파손을 방지하기 위해 움직이는 부품이 없으며 2년마다 재보정만 하면 됩니다. 14가지 측정 기능이 모두 단일 장치에 결합되어 있어 거의 수고 없이 신속하게 배포할 수 있습니다. 하늘이 막히지 않는 기둥 위에 장착하고 수평을 맞추기만 하면 됩니다.

다른 과학 기상 관측소는 ATMOS 41과 어떻게 비교되나요?

기상청은 아프리카, 유럽, 미국 등 전 세계 파트너십과 함께 광범위한 개발 및 테스트를 거쳐 2017년 1월에 ATMOS 41 원격 기상 관측소를 출시했습니다. 고품질의 연구용 비(非) 기상 센서와 비교 테스트를 수행하고 기상 센서 간 변동성에 대한 시계열 테스트를 수행했습니다. 아래는 그 결과입니다.

강수량 기상 센서 비교

ATMOS 41 과학 기상 관측소는 기존 측정 방식을 개선하기 위해 최신 기술을 사용합니다. ATMOS 41의 핵심 혁신은 강수량 계수 강우량계 기술입니다. 이 기술은 금도금 전극을 사용하여 정밀하게 설계된 노즐에서 개별적인 낙하를 감지하고 계수하여 반복 가능한 낙하 크기를 산출합니다. 부품이 움직이지 않는 이 기술은 기존의 티핑 스푼 게이지에 비해 기계적 고장에 덜 민감합니다. 미국 워싱턴주 포크스 강수량 테스트베드(미국 하위 48개 주에서 가장 비가 많이 내리는 지역)에 3개의 티핑스푼 강우량계(텍사스 일렉트로닉스 및 ECRN-100)가 3개의 ATMOS 41 기상 센서 제품군과 함께 배치되었습니다. 모든 센서는 지표면에서 2미터 높이에서 공간적으로 서로 2미터 이내에 배치되었습니다. 2018년 겨울과 봄에 걸쳐 4개월 동안의 데이터는 그림 1에 나와 있습니다. 흥미롭게도 3개의 티핑 스푼 계측기는 가장 높은 누적 강우량과 가장 낮은 누적 강우량 총합을 나타내며, 3개의 ATMOS 41개 원격 기상 관측소 모두 티핑 스푼 계측기 사이의 누적 강우량 총합을 측정합니다. 티핑 스푼 게이지의 분산으로 인해 확실한 결론을 내리기 어렵지만, 세 개의 ATMOS 41 원격 기상 관측소 모두 티핑 스푼 측정값 평균의 3% 이내에서 일치합니다.

일사량 기상 센서 비교

태양 복사 기상 센서 비교는 METER 풀만 캠퍼스의 옥상 테스트베드에서 이루어졌습니다. 2017년 가을에 약 한 달 동안 Kipp & Zonen CMP3와 ATMOS 41 원격 기상 관측소를 함께 배치했습니다. 15분 동안 측정값의 평균을 구했으며, 데이터는 1:1 플롯에 따라 잘 일치하는 것으로 나타났습니다(그림 2). 선형 회귀 분석 결과 ATMOS 41 피라노미터는 3% 과소평가된 것으로 나타났습니다.

공기 온도 기상 센서 비교

ATMOS 41 올인원 과학 기상 관측소는 풍속계 입구에 마이크로 서미스터를 사용하고 기본적인 에너지 균형 접근법을 사용하여 태양 복사와 바람의 영향을 보정합니다. 일반적인 루버형 복사 차폐 대신 태양 복사와 풍속을 결합하여 태양열 가열 및 대류 냉각을 위한 기온 측정을 조정합니다. 이 방법은 공기 온도 표준으로 Apogee TS-100 흡기식 방열 실드에 내장된 마이크로 서미스터 센서를 사용하여 METER 풀만 캠퍼스에서 최적화 및 검증되었습니다. 검증 결과, ATMOS 41 공기 온도 측정의 95% 신뢰 구간은 +/- 0.6°C로 나타났으며(그림 4), 이는 비흡기형 실드에 장착된 일반적인 기상 센서에서 예상되는 오차보다 훨씬 나은 수치입니다. 공기 온도 보정에 대한 자세한 내용은 웨비나 "쉴드 뒤에 숨지 마세요"에서 확인할 수 있습니다.

상대 습도 기상 센서 비교

개선된 공기 온도는 상대 습도를 정확하게 보정하는 데 사용됩니다. 모든 METER 상대 습도 센서는 이슬점 습도계 표준에 따라 세 가지 습도 수준에서 개별적으로 보정 및 검증됩니다. 그림 5는 센서 간의 데이터 일관성을 보여줍니다. 한 번에 하나에서 16개의 센서를 보정하고 세 가지 습도 수준 모두에서 2% 상대 습도라는 합격/불합격 기준을 유지합니다. 데이터는 일반적으로 실제 습도의 1% 이내로 보정되는 센서 간의 우수한 일관성을 보여줍니다.

현장에서 수집된 데이터는 통합 상대 습도 및 온도 센서를 사용하여 증기압(kPa)을 계산합니다. 그림 6은 8일 동안 현장에서의 센서 성능을 보여주며 증기압 측정 간의 일관성 측면에서 무엇을 기대할 수 있는지 알려줍니다.

풍속 및 방향 기상 센서 비교

ATMOS 41개의 원격 기상 관측소 풍속 및 풍향 기상 센서는 제3자 ISO 17025 인증 실험실에서 테스트를 거쳤습니다. 풍속은 컵 풍속계와 달리 움직이는 부품이 없는 초음파 풍속계로 측정합니다. 풍향도 초음파 풍속계로 측정하는데, 두 개의 초음파 트랜스듀서가 90도 간격으로 배치되어 있기 때문입니다. 정확한 풍향을 기록하려면 기기에 새겨진 N이 진북을 가리켜야 합니다. 데이터는 그림 7(풍속)과 표 1(풍향)에 나와 있습니다.

표 1. 풍향 데이터, 3개 데이터 포인트의 평균

기압 기상 센서 비교

각 ATMOS 41 과학 기상 관측소 기압 기상 센서는 NIST 추적 가능한 압력 기준과 비교하여 개별적으로 보정됩니다. 압력 기준과 압력 센서의 차이는 +/- 0.1kPa 이내여야 합니다. 그런 다음 그 차이가 센서에 오프셋으로 저장됩니다. 그림 8은 METER 테스트베드에 있는 7개의 ATMOS 41 원격 기상 관측소의 성능을 보여줍니다. 상단과 하단 압력의 차이는 약 0.2kPa입니다.

기울기 센서 비교 데이터

ATMOS 41 과학 기상 관측소에는 수평에 문제가 있을 때 알려주는 기울기 센서도 있습니다. 틸트 센서는 버블 레벨을 지표로 사용하여 METER 생산 교정 고정 장치에서 영점을 맞춥니다. 그림 9는 테스트베드에서 7개의 ATMOS 41을 사용한 틸트 센서 성능을 보여줍니다. 파란색 선은 수평을 벗어난 센서의 예를 보여 주며, 이후 이를 발견하여 수정했습니다. 각 가속도계는 비교적 낮은 노이즈와 높은 반복성을 보여주었습니다. 간혹 높은 노이즈가 발생하는 경우는 센서의 문제가 아니라 높은 풍속과 장착 장치의 불안정성으로 인한 결과라는 점에 유의해야 합니다.

ATMOS 41 과학 기상 관측소 - 경제적이고 정확하며 신뢰할 수 있는 기상 관측소

독립적인 기상 센서 비교와 나란히 관측한 데이터에 따르면 ATMOS 41 기상 관측소는 간단하고 견고하며 유지 관리가 쉬운 장치로 연구 품질의 측정 목표를 충족하는 것으로 나타났습니다. 부품이 움직이지 않는 풍속계와 낙하 계수 강우량계와 같은 독특한 설계 기능으로 열악한 환경에서도 장기간 정확한 측정이 가능하며, 가격이 저렴하기 때문에 기상 측정의 공백을 메우는 데 중요한 공간 분산 데이터를 제공하는 데 신뢰할 수 있습니다. 자세한 내용은 ATMOS 41 과학 기상 관측소의 성능에서 확인하세요.

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저희 과학자들은 수십 년 동안 연구자와 재배자들이 토양-식물-대기 연속체를 측정할 수 있도록 지원해 온 경험을 가지고 있습니다.

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ATMOS 41 과학 기상 관측소의 방사선에 노출된 온도 센서가 정확할 수 있나요?

공기 온도는 단순해 보이지만 정확하게 측정하기 가장 어려운 환경 변수 중 하나입니다. 현재 가장 좋은 방법은 수동적으로 환기되거나 능동적으로 흡기되는 방사선 차폐막에 기온 기상 센서를 장착하는 것입니다. 설계상의 제약으로 인해 새로운 ATMOS 41 올인원 과학 기상 관측소의 기온 센서는 태양 복사열을 완전히 차단할 수 없습니다.

그러나 ATMOS 41 과학 기상 관측소는 기온 측정의 정확도에 영향을 미치는 주요 요인인 풍속과 태양 복사열을 측정하므로 보정이 가능합니다.

날씨 센서 문제

새로운 ATMOS 41 원격 기상 관측소의 기온 센서는 부분적으로 태양 복사에 노출되어 있어 측정된 기온(_Tair)에 큰 오차가 발생할 수 있습니다.

보정하지 않은 측정값은 최첨단 흡기식 방사선 차폐막에서 측정한 값과 비교했을 때 최대 3°C의 오차를 보였습니다.

문제 해결

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.

이론

온도계의 에너지 균형은 태양 복사로 인한 오류를 수정하기 위해 아래에서 다시 정렬되었습니다.

• _αs= 태양 복사에 대한 온도 센서의 흡수율(단위 없음)
• _St = 들어오는 총 단파 복사량(W ^m-2)
• _cp = 공기 비열(J ^{mol-1 C-1})
• k = 경계층 열전도율을 설명하는 상수
• u = 풍속(^m/s-1)
• d = 온도 센서의 특성 치수(m)

날씨 센서 실험

_Tair의 기준 표준으로 Apogee TS-100 흡기식 공기 온도 센서가 선택되었습니다. 비흡기식 루버형 방사선 차폐가 있는 ATMOS 41 기상 관측소와 Davis 인스트루먼트 공기 온도 센서를 TS-100과 함께 배치했습니다. ATMOS 41 성능을 일반적인 _Tair 측정과 비교하기 위해 Davis 센서/방사선 차폐가 포함되었습니다. 5분 평균 데이터는 2015년 늦여름에 흐린 날씨가 계속되는 5일 동안 측정되었습니다. 공식 1의 _αs와 k는 ATMOS 41 보정을 위한 _Tair의 오차를 최소화하기 위해 피팅 파라미터로 사용되었습니다.

결과

간단한 에너지 균형 접근 방식은 부분적으로 방사선에 노출된 센서의 공기 온도를 보정하는 데 효과적이었습니다.

토론

ATMOS 41의 보정되지 않은 _Tair 정확도는 일반적인 비흡기 방사선 차폐 공기 온도 측정과 비슷하지만 태양 복사 효과로 인한 양의 편향이 나타났습니다. 방사선 보정 ATMOS 41은 일반적인 방사선 차폐 공기 온도 측정보다 성능이 뛰어났으며 95% 신뢰 구간에서 ±0.5°C 미만의 정확도를 보였습니다.

표 1. 평가 대상인 두 개의 기온 기상 센서에 대한 기온 측정 요약 통계

아래 동영상에서 더그 코보스 박사가 ATMOS 41의 방사선에 노출된 온도 센서가 작동하는 이유를 설명합니다.

영하의 날씨와 눈이 내리는 조건에서 ATMOS 41 기상 관측소의 성능은 어떻게 되나요?

ATMOS 41 과학 기상 관측소는 영하의 날씨와 눈이 내리는 환경에서도 내구성이 매우 뛰어납니다. 기상 센서 제품군을 방한 처리할 필요는 없지만, 풍속계나 풍속계 상단의 눈과 얼음의 영향에 대해 사용자에게 주의를 기울이고 있습니다. ATMOS 41에는 히터가 없으므로 얼음과 눈이 녹은 후에만 액체 수분이 측정되며, 강우량계 깔때기를 넘쳤을 수 있는 눈은 측정되지 않습니다. 공기 온도 센서와 보정 모델은 모두 잘 작동합니다. 2019년 겨울 동안 기상청의 옥상 테스트베드에서 기록한 아래 데이터를 참조하세요.

기상 관측소 피라노미터가 눈으로 덮여 있을 때 예상되는 상황

태양 복사는 확산 복사로 피라노미터에 도달하여 눈이 제거되거나 녹을 때까지 억제됩니다.

ATMOS 41 원격 기상 관측소 풍속계에 얼음/눈이 포함된 경우 예상되는 사항

풍속계에 눈/얼음이 있을 때 몇 가지 현상이 관찰될 수 있습니다. 한 가지 관찰은 눈이 풍속계의 입구를 가려서 풍속 데이터를 약화시킨다는 것입니다.

두 번째 관찰 사항은 풍속이 급격히 증가하거나(30m/s로 제한) 센서 출력이 없을 수 있다는 것입니다(#N/A). 이 경우, 쌓인 얼음/눈이 제거되거나 녹을 때까지 약간의 데이터 정리가 필요할 수 있습니다.

ATMOS 41 기상 관측소의 기온 및 보정 모델 성능

ATMOS 41 원격 기상 관측소를 덮고 있는 눈이 장치를 단열하고 있으며, 눈이 제거될 때까지 기온이 더 따뜻해지는 것을 관찰했습니다.

전반적으로 기온은 METER의 옥상 테스트베드에 배치되어 CR1000 데이터 로거에 연결된 비-METER 기준 기상 센서(ST-100 서미스터가 장착된 Apogee TS-110 팬 흡기식 복사 방패)와 비교했을 때 잘 추적됩니다. 맑은 날의 눈 위 기온 측정은 풍속이 낮은 조건에서 최대 약 2°C까지 오차가 발생합니다. 이 오차의 크기는 알베도가 1에 가까운 눈에서 반사되는 단파 복사가 크게 증가하기 때문에 예상되며, 흡기되지 않은 복사 차폐막에서 공기 온도를 측정할 때 예상되는 오차보다 훨씬 작습니다(그림 6).

ATMOS 41 기상 관측소의 조류 억지력은 태양 복사 기상 센서 데이터에 어떤 영향을 미치나요?

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.

대체로 맑은 날, 조류 방지 장치로 인한 오차는 두 개의 ATMOS 41 피라노미터 센서(2019년 3월 7일)에서 총 일사량이 3.0%와 4.7% 감소한 것으로 나타났습니다. 흐린 날에는 조류 방지 장치로 인한 오차가 1% 미만이었습니다(2019년 3월 8일). 하늘이 맑은 날에는 조류 방지 장치로 인한 오차가 총 일사량 2.6%와 5.7% 감소(2019/3/9)로 나타났습니다. 오차는 조류 억제 장치가 있는(실험) 원격 기상 관측소( ATMOS ) 41개와 조류 억제 장치가 없는(대조) 원격 기상 관측소( )의 일일 일사량을 합산하고 오차 비율을 계산하여 추정했습니다. 데이터는 5분 간격으로 수집되었습니다.

표 1의 데이터는 눈이 덮이지 않은 날짜에서 수집되었으며, 오차는 일일 총 일사량 감소율의 5%를 초과하지 않았습니다.

표 1. 날짜별 일일 일사량 합계의 오차 백분율
*조류 방지 장치가 완벽하게 설치되지 않았습니다.

참고: 테스트 1 ATMOS 은 조류 스파이크가 없는 기준 데이터를 비교할 때 대조군보다 약 1% 높았고, 테스트 2 ATMOS 41 은 조류 스파이크가 없는 기준 데이터를 비교할 때 대조군보다 약 -1% 낮았습니다(맑은 날의 일일 방사능 합계).

조류 방지 와이어의 태양 복사 효과

맑은 날의 일사량 데이터의 하락은 조류 방지용 철조망 그림자 때문에 발생합니다(그림 1의 2019년 3월 9일 참조). 맑은 날의 일사량 감소는 태양 각도의 변화에 따라 일 년 내내 달라집니다. 완전히 흐린 날, 즉 철조망 그림자가 없는 날에는 일사량 데이터는 조류 방지기의 영향을 받지 않습니다(그림 1의 2019년 3월 8일 참조).

설치 문제

올바른 조류 퇴치기 설치(그림 2)와 잘못된 설치(그림 3)는 아래와 같습니다. 피라노미터 센서는 삼각형으로 표시된 두 개의 전선 가운데에 있어야 합니다. 조류 방지기가 올바르게 설치되지 않은 경우 오류가 증가할 수 있습니다.

일일 태양 복사열을 합산하지 않고 피라노미터가 가장 급격하게 하락할 때의 오차 비율은 13~17%(맑은 날)의 태양 복사열 감소로 나타났습니다. METER의 테스트베드에서 이 수치는 83~113W/m였습니다.² 는 2019년 3월 9일 와이어 그림자가 가장 급격하게 감소했을 때 감소했습니다(그림 4).

와이어 그림자 효과를 보정할 수 있는 방법이 있나요?

맑은 날의 일사량을 추정하기 위해 맑은 하늘 계산기를 사용할 수는 있지만, 조류의 그림자 효과를 보정하는 것은 어렵고 권장하지 않습니다. 주된 이유는 시간이 지남에 따라 그림자가 달라지기 때문인데, 그림자는 시간, 시간대, 계절, 위치( cloud )에 따라 달라지기 때문입니다.

기상 관측소 피라노미터 센서가 더러워졌는지 어떻게 알 수 있나요?

하늘이 맑은 날의 데이터(파이라노미터 센서가 깨끗했다는 것을 알고 있는 날)와 맑은 하늘에서 태양 복사열 측정값이 나왔어야 하는 날의 데이터를 비교합니다. 비교 데이터에 맑아야 할 날의 하늘 상태가 맑지 않은 것으로 나타나면, 이는 파이라노미터 센서가 더럽거나 막혀 있다는 것을 나타냅니다. 현장 방문을 하기 전에 며칠간의 데이터를 수집하고 검토하여 새가 센서를 가리지 않았는지 확인하세요. 더러워진 피라노미터 센서에 대한 현장 방문을 준비할 때는 센서, 깔때기, 낙수구, 스크린을 청소할 수 있는 물품을 준비하세요. 새 배설물이 있는 경우 조류 퇴치기를 설치하세요.

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저희 과학자들은 수십 년 동안 연구자와 재배자들이 토양-식물-대기 연속체를 측정할 수 있도록 지원해 온 경험을 가지고 있습니다.

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