Porównanie systemów monitorowania pogody: Który jest odpowiedni dla Ciebie?
Porównanie popularnych metod monitorowania pogody, zalet i wad oraz technologii, które mogą mieć zastosowanie do różnych rodzajów badań terenowych.
Czujniki pogodowe klasy badawczej zintegrowane ze zdalnymi stacjami pogodowymi i systemami monitorowania pogody mierzą parametry klimatyczne, takie jak opady, temperatura powietrza i prędkość wiatru. Parametry te mogą ulegać znacznym zmianom na krótkich dystansach w środowisku naturalnym. Jednak większość obserwacji stacji pogodowych albo poświęca rozdzielczość przestrzenną na rzecz dokładności naukowej, albo dokładność klasy badawczej na rzecz rozdzielczości przestrzennej. Naukowa stacja pogodowa ATMOS 41 all-in-one dla badaczy reprezentuje optymalizację obu. Została starannie zaprojektowana, aby zmaksymalizować dokładność w punkcie cenowym, który pozwala na obserwacje rozproszone przestrzennie. Ponadto, ponieważ wielu badaczy musi unikać częstej konserwacji i długich czasów konfiguracji, naukowa stacja pogodowa ATMOS 41 została zaprojektowana w celu zmniejszenia złożoności i wytrzymania długotrwałego wdrażania w trudnych warunkach. Aby wyeliminować uszkodzenia, nie zawiera ona żadnych ruchomych części i wymaga jedynie ponownej kalibracji co dwa lata. Ponieważ wszystkie 14 pomiarów jest połączonych w jednej jednostce, można ją wdrożyć szybko i prawie bez wysiłku. Jego jedynym wymaganiem jest zamontowanie i wypoziomowanie na szczycie słupa z niezakłóconym widokiem na niebo.
METER wydał zdalną stację pogodową ATMOS 41 w styczniu 2017 r. po szeroko zakrojonych pracach rozwojowych i testach z partnerami na całym świecie, w Afryce, Europie i Stanach Zjednoczonych. Przeprowadziliśmy testy porównawcze z wysokiej jakości, badawczymi czujnikami pogodowymi innymi niż METER i przeprowadziliśmy testy szeregów czasowych pod kątem zmienności między czujnikami pogodowymi. Poniżej znajdują się wyniki.
Naukowa stacja pogodowa ATMOS 41 wykorzystuje najnowszą technologię w celu ulepszenia tradycyjnych metod pomiarowych. Kluczową innowacją w ATMOS 41 jest technologia zliczania kropel deszczu. Wykorzystuje ona pozłacane elektrody do wykrywania i zliczania dyskretnych kropel z dyszy precyzyjnie zaprojektowanej do wytwarzania kropel o wysoce powtarzalnym rozmiarze. Ta technologia bez ruchomych części jest mniej podatna na uszkodzenia mechaniczne niż tradycyjne deszczomierze łyżkowe. Trzy deszczomierze łyżkowe (Texas Electronics i ECRN-100) zostały rozmieszczone na naszym stanowisku testowym opadów w Forks, WA USA (najbardziej deszczowe miejsce w dolnych 48 stanach USA) wraz z trzema zestawami czujników pogodowych ATMOS 41. Wszystkie czujniki zostały rozmieszczone w odległości dwóch metrów od siebie, na wysokości dwóch metrów nad powierzchnią gruntu. Dane z ponad czterech miesięcy zimy i wiosny 2018 r. przedstawiono na rysunku 1. Co ciekawe, trzy czujniki łyżkowe reprezentują najwyższe i dwa najniższe skumulowane sumy opadów, przy czym wszystkie trzy zdalne stacje pogodowe ATMOS 41 mierzą skumulowane sumy opadów między czujnikami łyżkowymi. Chociaż rozrzut pomiarów z łyżek pomiarowych utrudnia wyciągnięcie solidnych wniosków, wszystkie trzy ATMOS 41 zdalne stacje pogodowe zgadzają się w granicach 3% średniej z pomiarów z łyżek pomiarowych.
Porównania czujników pogodowych promieniowania słonecznego dokonano na stanowisku testowym na dachu w kampusie METER Pullman. Czujnik CMP3 firmy Kipp & Zonen został umieszczony razem ze zdalną stacją pogodową ATMOS 41 na około miesiąc jesienią 2017 roku. Odczyty zostały uśrednione w okresie 15 minut, a dane wykazują dobrą zgodność w oparciu o wykres 1:1 (rysunek 2). Regresja liniowa wskazuje na 3% niedoszacowanie przez pyranometr ATMOS 41.
Naukowa stacja pogodowa ATMOS 41 all-in-one wykorzystuje mikro termistor w otworze anemometru i koryguje wpływ promieniowania słonecznego i wiatru przy użyciu podstawowego podejścia do bilansu energetycznego. Promieniowanie słoneczne i prędkość wiatru są łączone w celu dostosowania pomiaru temperatury powietrza do ogrzewania słonecznego i chłodzenia konwekcyjnego zamiast zwykłej żaluzjowej osłony przed promieniowaniem. Metoda ta została zoptymalizowana i zweryfikowana w kampusie METER Pullman przy użyciu czujnika mikrotermistorowego umieszczonego w zasysanej osłonie radiacyjnej Apogee TS-100 jako wzorca temperatury powietrza. Wyniki weryfikacji pokazują 95% przedział ufności +/- 0,6 °C dla pomiaru temperatury powietrza ATMOS 41 (rysunek 4), co jest znacznie lepsze niż błąd oczekiwany dla typowego czujnika pogodowego umieszczonego w osłonie bez aspiracji. Więcej informacji na temat korekty temperatury powietrza można znaleźć w naszym webinarium "Stop Hiding Behind a Shield".
(Wszystkie jednostki to °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 |
95% przedział ufności-> | 0.52 | 0.61 | 0.46 | 0.62 | 0.60 | 0.49 | 0.57 |
Ulepszona temperatura powietrza jest wykorzystywana do dokładnego korygowania wilgotności względnej. Wszystkie czujniki wilgotności względnej METER są indywidualnie kalibrowane i weryfikowane na trzech poziomach wilgotności względem standardu higrometru punktu rosy. Rysunek 5 pokazuje spójność danych między czujnikami. Od jednego do 16 czujników jest kalibrowanych jednocześnie i są one utrzymywane na poziomie 2% wilgotności względnej przy wszystkich trzech poziomach wilgotności. Dane wykazują doskonałą spójność między czujnikami, które są zwykle kalibrowane z dokładnością do 1% rzeczywistej wilgotności.
Dane zebrane w terenie wykorzystują zintegrowany czujnik wilgotności względnej i temperatury do obliczania ciśnienia pary (kPa). Rysunek 6 przedstawia wydajność czujnika w terenie w okresie ośmiu dni i daje wyobrażenie o tym, czego można się spodziewać pod względem spójności między pomiarami ciśnienia pary.
ATMOS 41 czujników prędkości i kierunku wiatru zdalnej stacji pogodowej zostało przetestowanych przez niezależne laboratorium z certyfikatem ISO 17025. Prędkość wiatru jest mierzona za pomocą anemometru ultradźwiękowego bez ruchomych części, w przeciwieństwie do anemometru kubkowego. Kierunek wiatru jest również mierzony za pomocą anemometrów ultradźwiękowych, ponieważ dwa przetworniki soniczne znajdują się w odległości 90 stopni od siebie. Wygrawerowana litera N na urządzeniu musi być skierowana na prawdziwą północ, aby zarejestrować dokładny kierunek wiatru. Dane przedstawiono na rysunku 7 (prędkość wiatru) i w tabeli 1 (kierunek wiatru).
Referencyjny kierunek wiatru (°) | ATMOS 41 Kierunek wiatru (°) | Kierunek Różnica (°) |
---|---|---|
2 | 1.89 | -0.11 |
91 | 91.08 | 0.08 |
180 | 179.65 | -0.35 |
270 | 270.23 | 0.23 |
Tabela 1. Dane dotyczące kierunku wiatru, średnia z 3 punktów danych
Każdy czujnik ciśnienia barometrycznego stacji pogodowej ATMOS 41 jest indywidualnie kalibrowany względem wzorca ciśnienia NIST. Różnica między ciśnieniem referencyjnym a czujnikiem ciśnienia musi mieścić się w zakresie +/- 0,1 kPa. Różnica jest następnie zapisywana w czujniku jako offset. Rysunek 8 przedstawia działanie siedmiu zdalnych stacji pogodowych ATMOS 41 na stanowisku testowym METER. Różnice między górnym i dolnym ciśnieniem wynoszą około 0,2 kPa.
Naukowa stacja pogodowa ATMOS 41 jest również wyposażona w czujnik nachylenia, który ostrzega o problemach z poziomem. Czujniki nachylenia są zerowane w urządzeniu do kalibracji produkcji METER przy użyciu poziomicy pęcherzykowej jako wskaźnika. Rysunek 9 przedstawia działanie czujnika nachylenia przy użyciu siedmiu stacji ATMOS 41 na stanowisku testowym. Niebieskie linie pokazują przykład czujnika, który został wyzerowany, a następnie wykryty i naprawiony. Każdy akcelerometr wykazał stosunkowo niski poziom szumów i wysoką powtarzalność. Ważne jest, aby pamiętać, że sporadyczne epizody wyższego hałasu są wynikiem dużej prędkości wiatru i niestabilności urządzenia montażowego, a nie problemów z czujnikiem.
Dane z niezależnych porównań czujników pogodowych wraz z obserwacjami obok siebie pokazują, że stacja pogodowa ATMOS 41 spełnia cel pomiarów o jakości badawczej w prostym, solidnym i łatwym w utrzymaniu urządzeniu. Jego unikalne cechy konstrukcyjne, takie jak anemometr bez ruchomych części i deszczomierz zliczający krople, umożliwiają długoterminowe, dokładne pomiary w trudnych warunkach, a ponieważ jest przystępny cenowo, można na nim polegać, aby zapewnić krytyczne dane przestrzenne, które wypełnią luki w pomiarach meteorologicznych. Czytaj dalej, aby uzyskać więcej informacji na temat wydajności naukowej stacji pogodowej ATMOS 41.
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Zobacz studium przypadku ATMOS 41
Pomimo pozornej prostoty, temperatura powietrza jest jednym z najtrudniejszych do dokładnego pomiaru parametrów środowiskowych. Obecnie najlepszą praktyką jest umieszczenie czujnika temperatury powietrza w osłonie przed promieniowaniem, która jest albo pasywnie wentylowana, albo aktywnie zasysana. Ze względu na ograniczenia konstrukcyjne, czujnik temperatury powietrza w nowej naukowej stacji pogodowej typu all-in-one ATMOS 41 nie może być w pełni osłonięty przed promieniowaniem słonecznym.
Ponieważ jednak naukowa stacja pogodowa ATMOS 41 mierzy prędkość wiatru i promieniowanie słoneczne, które są głównymi czynnikami wpływającymi na dokładność pomiaru temperatury powietrza, możliwa jest korekta.
Czujnik temperatury powietrza w nowej zdalnej stacji pogodowej ATMOS 41 jest częściowo narażony na promieniowanie słoneczne, co może skutkować dużymi błędami w mierzonej temperaturze powietrza (Tair).
Nieskorygowane pomiary wykazały błędy w zakresie do 3 °C w porównaniu z pomiarami wykonanymi w najnowocześniejszej osłonie antyradiacyjnej.
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.
Bilans energetyczny termometru został zmieniony poniżej, aby skorygować błędy spowodowane promieniowaniem słonecznym.
Jako standard odniesienia dla Tair wybrano zasysany czujnik temperatury powietrza Apogee TS-100. Stacja pogodowa ATMOS 41 i czujnik temperatury powietrza Davis Instruments w nieaspirowanej, żaluzjowej osłonie radiacyjnej były umieszczone razem z TS-100. Czujnik Davis/osłona radiacyjna zostały dołączone w celu porównania wydajności ATMOS 41 z typowym pomiarem Tair. Pięciominutowe uśrednione dane zostały pobrane w ciągu pięciu dni przy zmiennym zachmurzeniu późnym latem 2015 roku. αs i k z równania 1 zostały użyte jako parametry dopasowania w celu zminimalizowania błędu Tair dla korekty ATMOS 41.
Proste podejście oparte na bilansie energetycznym sprawdziło się w korygowaniu temperatury powietrza z czujnika częściowo wystawionego na promieniowanie.
Nieskorygowana dokładność Tair z ATMOS 41 jest porównywalna z typowym pomiarem temperatury powietrza bez osłony przed promieniowaniem, ale wykazała dodatnie odchylenie od efektów promieniowania słonecznego. Skorygowane promieniowanie ATMOS 41 przewyższało typowe pomiary temperatury powietrza w osłonie przed promieniowaniem i dawało 95% przedział ufności z dokładnością znacznie mniejszą niż ±0,5 °C.
(Wszystkie jednostki °C) | ATMOS 41 bez korekty | Nieaspirowany | ATMOS 41 poprawione |
---|---|---|---|
Średni błąd (odchylenie) | 0.20 | 0.07 | -0.06 |
95% przedział ufności | 0.60 | 0.66 | 0.42 |
Maksymalny błąd dodatni | 1.51 | 1.58 | 0.36 |
Maksymalny błąd ujemny | -0.66 | -0.87 | -0.77 |
Tabela 1. Statystyki podsumowujące dla pomiarów temperatury powietrza dla dwóch ocenianych czujników pogodowych temperatury powietrza
W poniższym filmie dr Doug Cobos wyjaśnia, dlaczego czujnik temperatury ATMOS 41 jest narażony na promieniowanie.
Naukowa stacja pogodowa ATMOS 41 jest bardzo trwała, nawet w warunkach ujemnych temperatur i śniegu. Nie ma potrzeby zimowania zestawu czujników pogodowych, choć ostrzegamy użytkowników przed skutkami śniegu i lodu w anemometrze lub na pyranometrze. W czujniku ATMOS 41 nie ma grzałki, więc ciekła woda będzie mierzona dopiero po stopieniu się lodu i śniegu, a śnieg, który mógł przelać się przez lejek deszczomierza, nie zostanie uwzględniony. Czujnik temperatury powietrza i model korekcji działają dobrze. Zobacz poniższe dane, zarejestrowane na stanowisku testowym METER na dachu zimą 2019 roku.
Promieniowanie słoneczne dociera do pyranometru jako promieniowanie rozproszone i jest tłumione do momentu usunięcia lub stopienia śniegu.
Kilka rzeczy można zaobserwować, gdy w anemometrze znajduje się śnieg/lód. Jedną z nich jest to, że warstwa śniegu zasłania otwór anemometru, co tłumi dane dotyczące prędkości wiatru.
Drugą obserwacją jest to, że mogą wystąpić skoki prędkości wiatru (ograniczamy to do 30 m/s) lub brak sygnału wyjściowego czujnika (#N/A). W takim przypadku może być konieczne niewielkie czyszczenie danych do czasu usunięcia lub stopienia lodu/śniegu.
Zaobserwowaliśmy, że pokrywa śnieżna pokrywająca zdalną stację pogodową ATMOS 41 izoluje urządzenie, a temperatura powietrza będzie wyższa, dopóki śnieg nie zostanie usunięty.
Ogólnie rzecz biorąc, temperatury powietrza są dobrze śledzone w porównaniu do referencyjnego czujnika pogodowego innego niż METER (Apogee TS-110 z wentylatorem i termistorem ST-100), który był kolokowany na stanowisku testowym METER na dachu i podłączony do rejestratora danych CR1000. Pomiary temperatury powietrza nad śniegiem w dni z bezchmurnym niebem wahają się do około 2°C przy niskiej prędkości wiatru. Ta wielkość błędu jest oczekiwana ze względu na znaczny wzrost odbitego promieniowania krótkofalowego od śniegu o albedo bliskim 1 i jest znacznie mniejsza niż błąd oczekiwany z pomiarów temperatury powietrza w nieaspirowanej osłonie radiacyjnej (rysunek 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.
W pochmurny dzień błąd spowodowany przez odstraszacze ptaków zmniejszył całkowite promieniowanie słoneczne o 3,0% i 4,7% dla dwóch czujników pyranometrycznych ATMOS 41 (3/7/2019). W pochmurny dzień błąd spowodowany przez odstraszacz ptaków wynosił mniej niż 1% (3/8/2019). W dzień bezchmurny błąd spowodowany przez odstraszacze ptaków zmniejszył całkowite promieniowanie słoneczne o 2,6% i 5,7% (3/9/2019). Błąd został oszacowany poprzez zsumowanie dziennego promieniowania słonecznego ATMOS 41 zdalnych stacji pogodowych z odstraszaczem ptaków (eksperyment) i bez odstraszacza ptaków (kontrola) i obliczenie błędu procentowego. Dane zbierano w odstępach 5-minutowych.
Dane w tabeli 1 zostały zebrane z dat, w których nie było pokrywy śnieżnej, a błędy nie przekraczały 5% spadku sumarycznego dziennego promieniowania słonecznego.
Stan nieba, Data | Błąd procentowy zsumowanego dziennego promieniowania słonecznego Test 1 |
Błąd procentowy zsumowanego dziennego promieniowania słonecznego Test 2* |
---|---|---|
Częściowo pochmurno, 3/14/2019 |
1.8% | 4.7% |
Częściowo pochmurno, 3/15/2019 |
2.4% | 2.1% |
Częściowo pochmurno, 3/16/2019 |
2.0% | 4.2% |
Przeważnie słonecznie, 3/17/2019 |
2.4% | 3.7% |
Sunny, 3/18/2019 |
2.1% | 4.2% |
Sunny, 3/19/2019 |
2.3% | 4.1% |
Sunny, 3/20/2019 |
2.3% | 4.1% |
Przeważnie słonecznie, 3/21/2019 |
1.9% | 4.5% |
Tabela 1. Błąd procentowy zsumowanego dziennego promieniowania słonecznego według daty
*Odstraszacz ptaków nie został idealnie zainstalowany.
UWAGA: Test 1 ATMOS był o około 1% wyższy niż w przypadku kontroli, porównując dane wyjściowe bez wzrostu liczby ptaków; Test 2 ATMOS 41 był o około -1% niższy niż w przypadku kontroli, porównując dane wyjściowe bez wzrostu liczby ptaków (dla zsumowanego dziennego promieniowania w dzień bezchmurny).
Spadki danych promieniowania słonecznego są powodowane przez cienie drutu odstraszającego ptaki w dzień bezchmurny (patrz 3/9/2019 na rysunku 1). Spadki promieniowania słonecznego w słoneczne dni będą się zmieniać w ciągu roku wraz ze zmianami kąta padania promieni słonecznych. Odstraszacz ptaków nie ma wpływu na dane dotyczące promieniowania słonecznego w całkowicie pochmurne dni, gdy nie występują cienie przewodów (patrz 3/8/2019 na rysunku 1).
Poniżej przedstawiono prawidłową instalację odstraszacza ptaków (rysunek 2) i nieprawidłową instalację (rysunek 3). Czujnik pyranometryczny powinien znajdować się pośrodku dwóch przewodów, oznaczonych trójkątem. W przypadku nieprawidłowej instalacji odstraszaczy ptaków należy spodziewać się zwiększonego błędu.
Bez sumowania dziennego promieniowania słonecznego, błąd procentowy, gdy spadki pyranometru są najbardziej drastyczne, spowodował spadek promieniowania słonecznego o 13-17% (dzień bezchmurny). Na stanowisku testowym METER było to 83-113 W/m2 spadek, gdy cienie drutu spowodowały najbardziej drastyczne spadki w dniu 3/9/2019 (rysunek 4).
Możliwe jest użycie kalkulatora czystego nieba do oszacowania promieniowania słonecznego w słoneczne dni; jednak korekta efektu cienia odstraszającego ptaki byłaby trudna i niezalecana. Głównym powodem jest to, że cienie zmieniają się w czasie, ze względu na różne pokrycie cloud , porę dnia, porę roku i lokalizację.
Porównaj dane z dnia z czystym niebem (gdy wiesz, że czujnik pyranometru był czysty) z danymi z dnia, który powinien przynieść pomiary promieniowania słonecznego przy czystym niebie. Jeśli dane porównawcze wskazują na warunki bezchmurnego nieba w dniu, który powinien być bezchmurny, oznacza to, że czujnik pyranometru jest zabrudzony lub zasłonięty. Przed wizytą w terenie należy zebrać i przejrzeć dane z kilku dni, aby upewnić się, że czujnik nie został zasłonięty przez ptaka. Przygotowując się do wizyty w terenie w przypadku zabrudzonego czujnika pyranometru, należy zabrać ze sobą przedmioty do czyszczenia czujnika, lejka, rury spustowej i ekranu. W przypadku obecności ptasich odchodów należy zainstalować środek odstraszający ptaki.
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Porównanie popularnych metod monitorowania pogody, zalet i wad oraz technologii, które mogą mieć zastosowanie do różnych rodzajów badań terenowych.
Jako naukowiec musisz zoptymalizować finansowanie i zmaksymalizować liczbę recenzowanych artykułów. ZENTRA CloudWydajne oprogramowanie do zarządzania danymi ułatwia osiągnięcie sukcesu w obu tych obszarach.
Naukowcy mogą wykorzystać informacje na temat zdolności różnych roślin do przechwytywania i wykorzystywania PAR do modyfikowania struktury korony, co znacznie poprawia plony.
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.