CONTRIBUINTES

Testes científicos de comparação de estações meteorológicas, dados de variabilidade de sensores meteorológicos e muito mais

Sensores meteorológicos de nível de pesquisa integrados a estações meteorológicas remotas e sistemas de monitoramento meteorológico medem parâmetros climáticos, como precipitação, temperatura do ar e velocidade do vento. Esses parâmetros podem mudar consideravelmente em curtas distâncias no ambiente natural. Entretanto, a maioria das observações das estações meteorológicas sacrifica a resolução espacial em prol da precisão científica ou a precisão de nível de pesquisa em prol da resolução espacial. A estação meteorológica científica tudo-em-um ATMOS 41 para pesquisadores representa uma otimização de ambos. Ela foi cuidadosamente projetada para maximizar a precisão em uma faixa de preço que permite observações espacialmente distribuídas. Além disso, como muitos pesquisadores precisam evitar manutenção frequente e longos períodos de configuração, a estação meteorológica científica ATMOS 41 foi projetada para reduzir a complexidade e resistir à implantação de longo prazo em ambientes adversos. Para eliminar quebras, ela não contém peças móveis e só precisa ser recalibrada a cada dois anos. Como todas as 14 medições são combinadas em uma única unidade, ela pode ser implantada rapidamente e quase sem esforço. Seu único requisito é ser montado e nivelado no topo de um poste com uma visão desobstruída do céu.

Como outras estações meteorológicas científicas se comparam à ATMOS 41?

A METER lançou a estação meteorológica remota ATMOS 41 em janeiro de 2017, após um extenso desenvolvimento e testes com parcerias em todo o mundo, na África, na Europa e nos EUA. Realizamos testes de comparação com sensores meteorológicos de alta qualidade, de nível de pesquisa, que não são da METER, e conduzimos testes de séries temporais para a variabilidade entre sensores meteorológicos. Veja abaixo os resultados.

Comparação de sensores meteorológicos de precipitação

A estação meteorológica científica ATMOS 41 emprega a mais recente tecnologia para aprimorar as abordagens tradicionais de medição. Uma inovação importante no ATMOS 41 é a tecnologia de pluviômetro de contagem de gotas. Ela usa eletrodos banhados a ouro para detectar e contar gotas discretas de um bocal projetado com precisão para produzir um tamanho de gota altamente repetível. Essa tecnologia sem peças móveis é menos suscetível a falhas mecânicas do que os pluviômetros tradicionais de colher basculante. Três pluviômetros de colher basculante (Texas Electronics e ECRN-100) foram instalados em nosso banco de testes de precipitação em Forks, WA, EUA (local mais chuvoso nos 48 estados inferiores dos EUA), juntamente com três conjuntos de sensores meteorológicos ATMOS 41. Todos os sensores foram instalados a menos de dois metros um do outro, espacialmente, a uma altura de dois metros acima da superfície do solo. Mais de quatro meses de dados do inverno e da primavera de 2018 são mostrados na Figura 1. É interessante notar que os três medidores de colher basculante representam os totais de precipitação acumulada mais altos e os dois mais baixos, com todas as três estações meteorológicas remotas do ATMOS 41 medindo os totais de precipitação acumulada entre os medidores de colher basculante. Embora a dispersão nos medidores com colher basculante dificulte a obtenção de conclusões sólidas, todas as três unidades da estação meteorológica remota ATMOS 41 concordam em 3% com a média das medições com colher basculante.

Comparação de sensores meteorológicos de radiação solar

As comparações do sensor meteorológico de radiação solar foram feitas no teste do telhado no campus da METER Pullman. Um CMP3 da Kipp & Zonen foi co-localizado com uma estação meteorológica remota ATMOS 41 por cerca de um mês no outono de 2017. As leituras foram calculadas em média em um período de 15 minutos, e os dados mostram boa concordância com base no gráfico 1:1 (Figura 2). Uma regressão linear mostra uma subestimação de 3% pelo piranômetro do ATMOS 41.

Comparação do sensor meteorológico de temperatura do ar

A estação meteorológica científica multifuncional ATMOS 41 usa um microtermistor na abertura do anemômetro e corrige os efeitos da radiação solar e do vento usando uma abordagem básica de balanço de energia. A radiação solar e a velocidade do vento são combinadas para ajustar a medição da temperatura do ar para aquecimento solar e resfriamento convectivo, em vez da proteção contra radiação comum. Esse método foi otimizado e verificado no campus da METER Pullman usando um sensor de microtermistor alojado em uma blindagem contra radiação aspirada Apogee TS-100 como padrão de temperatura do ar. Os resultados da verificação mostram um intervalo de confiança de 95% de +/- 0,6 °C para a medição da temperatura do ar em ATMOS 41 (Figura 4), o que é significativamente melhor do que o erro esperado para um sensor meteorológico típico alojado em uma blindagem não aspirada. Mais informações sobre a correção da temperatura do ar podem ser encontradas em nosso webinar "Stop Hiding Behind a Shield" (Pare de se esconder atrás de um escudo).

Comparação de sensores meteorológicos de umidade relativa

A temperatura do ar melhorada é usada para corrigir com precisão a umidade relativa. Todos os sensores de umidade relativa do METER são calibrados individualmente e verificados em três níveis de umidade em relação a um padrão de higrômetro de ponto de orvalho. A Figura 5 mostra a consistência dos dados entre os sensores. De um a 16 sensores são calibrados ao mesmo tempo e são mantidos em um critério de aprovação/reprovação de 2% de umidade relativa em todos os três níveis de umidade. Os dados mostram excelente consistência entre os sensores, que normalmente são calibrados com 1% de diferença da umidade real.

Os dados coletados no campo usam o sensor integrado de umidade relativa e temperatura para calcular a pressão de vapor (kPa). A Figura 6 mostra o desempenho do sensor no campo em um período de oito dias e dá uma ideia do que esperar em termos de consistência entre as medições de pressão de vapor.

Comparação de sensores meteorológicos de velocidade e direção do vento

ATMOS 41 sensores meteorológicos de velocidade e direção do vento da estação meteorológica remota foram testados por um laboratório terceirizado com certificação ISO 17025. A velocidade do vento é medida por um anemômetro ultrassônico sem partes móveis, ao contrário de um anemômetro de copo. A direção do vento também é medida por anemômetros ultrassônicos, pois há dois transdutores sônicos localizados a 90 graus de distância. O N gravado na unidade deve estar apontado para o Norte Verdadeiro para registrar a direção precisa do vento. Os dados são mostrados na Figura 7 (velocidade do vento) e na Tabela 1 (direção do vento).

Tabela 1. Dados de direção do vento, média de 3 pontos de dados

Comparação do sensor meteorológico de pressão barométrica

Cada sensor meteorológico de pressão barométrica da estação meteorológica científica ATMOS 41 é calibrado individualmente em relação a uma referência de pressão rastreável pelo NIST. A diferença entre a referência de pressão e o sensor de pressão deve estar dentro de +/- 0,1 kPa. A diferença é então armazenada no sensor como uma compensação. A Figura 8 mostra o desempenho de sete estações meteorológicas remotas do ATMOS 41 no banco de testes do METER. As diferenças entre a pressão superior e inferior estão em torno de 0,2 kPa.

Dados de comparação do sensor de inclinação

A estação meteorológica científica ATMOS 41 também possui um sensor de inclinação para alertar quando houver um problema com o nível. Os sensores de inclinação são zerados no dispositivo de calibração de produção do METER usando um nível de bolha como indicador. A Figura 9 mostra o desempenho do sensor de inclinação usando sete ATMOS 41s no banco de testes. As linhas azuis mostram um exemplo de um sensor que estava fora de nível e que foi descoberto e corrigido posteriormente. Cada acelerômetro apresentou ruído relativamente baixo e alta repetibilidade. É importante observar que episódios ocasionais de ruído mais alto são resultado de altas velocidades de vento e instabilidade no aparato de montagem, e não de problemas no sensor.

ATMOS 41 estação meteorológica científica - acessível, precisa e confiável

Dados de comparações independentes de sensores meteorológicos, juntamente com observações lado a lado, mostram que a estação meteorológica ATMOS 41 atende à meta de medições com qualidade de pesquisa em uma unidade simples, robusta e de fácil manutenção. Seus recursos exclusivos de design, como um anemômetro sem partes móveis e um pluviômetro com contagem de gotas, permitem medições precisas e de longo prazo em um ambiente hostil e, por ser acessível, pode-se contar com ela para fornecer os dados críticos distribuídos espacialmente que preencherão as lacunas nas medições meteorológicas. Continue lendo para obter mais detalhes sobre o desempenho da estação meteorológica científica ATMOS 41.

Dúvidas?

Nossos cientistas têm décadas de experiência em ajudar pesquisadores e produtores a medir o contínuo solo-planta-atmosfera.

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Veja um estudo de caso do ATMOS 41

O sensor de temperatura exposto à radiação da estação meteorológica científica ATMOS 41 pode ser preciso?

Apesar de sua aparente simplicidade, a temperatura do ar é um dos parâmetros ambientais mais difíceis de medir com precisão. A prática recomendada atual envolve alojar o sensor meteorológico de temperatura do ar em uma proteção contra radiação que seja ventilada passivamente ou aspirada ativamente. Devido a restrições de projeto, o sensor de temperatura do ar na nova estação meteorológica científica multifuncional ATMOS 41 não pode ser totalmente protegido da radiação solar.

Entretanto, como a estação meteorológica científica ATMOS 41 mede a velocidade do vento e a radiação solar, que são os principais fatores que afetam a precisão da medição da temperatura do ar, a correção é possível.

Problema no sensor meteorológico

O sensor de temperatura do ar na nova estação meteorológica remota ATMOS 41 é parcialmente exposto à radiação solar, o que pode resultar em grandes erros na temperatura do ar medida (_Tair).

As medições não corrigidas apresentaram erros de até 3 °C quando comparadas às medições feitas em um escudo de radiação aspirado de última geração.

Problema resolvido

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.

Teoria

O balanço de energia do termômetro foi reorganizado abaixo para corrigir os erros devidos à radiação solar.

• _αs= absortividade do sensor de temperatura à radiação solar (sem unidade)
• _St = radiação total de onda curta recebida (W ^m-2)
• _cp = calor específico do ar (J ^{mol-1 C-1})
• k = constante que descreve a condução de calor da camada limite
• u = velocidade do vento (m ^s-1)
• d = dimensão característica do sensor de temperatura (m)

Experimento com sensor meteorológico

Um sensor de temperatura do ar aspirado Apogee TS-100 foi escolhido como padrão de referência para o _Tair. A estação meteorológica ATMOS 41 e o sensor de temperatura do ar dos instrumentos Davis em um escudo de radiação não aspirado e com persiana foram colocados junto com o TS-100. Um sensor Davis/escudo de radiação foi incluído para comparar o desempenho do ATMOS 41 com uma medição típica do _Tair. Os dados médios de cinco minutos foram obtidos em um período de cinco dias de condições de nebulosidade variável no final do verão de 2015. _αs e k da Equação 1 foram usados como parâmetros de ajuste para minimizar o erro no _Tair para a correção do ATMOS 41.

Resultados

A abordagem simples do balanço de energia funcionou bem para corrigir a temperatura do ar de um sensor parcialmente exposto à radiação.

Discussão

A precisão do _Tair não corrigido do site ATMOS 41 é comparável à medição típica da temperatura do ar com proteção contra radiação não aspirada, mas mostrou uma tendência positiva dos efeitos da radiação solar. A precisão corrigida por radiação do ATMOS 41 superou a medição típica da temperatura do ar com proteção contra radiação e produziu um intervalo de confiança de 95% com precisão bem inferior a ±0,5 °C.

Tabela 1. Estatísticas resumidas das medições de temperatura do ar para dois sensores meteorológicos de temperatura do ar em avaliação

No vídeo abaixo, o Dr. Doug Cobos explica por que o sensor de temperatura exposto à radiação do ATMOS 41 funciona.

Qual é o desempenho da estação meteorológica ATMOS 41 em condições abaixo de zero e com neve?

A estação meteorológica científica ATMOS 41 é muito durável, mesmo em condições de temperaturas abaixo de zero e com neve. Não há necessidade de preparar o conjunto de sensores meteorológicos para o inverno, embora alertemos os usuários sobre os efeitos da neve e do gelo no anemômetro ou na parte superior do piranômetro. Não há aquecedor no ATMOS 41, portanto a água líquida só será medida quando o gelo e a neve derreterem, e a neve que possa ter transbordado do funil do pluviômetro não será contabilizada. O sensor de temperatura do ar e o modelo de correção têm bom desempenho. Veja os dados abaixo, registrados no banco de testes do telhado do METER durante o inverno de 2019.

O que esperar quando o piranômetro da estação meteorológica estiver coberto por um manto de neve

A radiação solar chega ao piranômetro como radiação difusa e é suprimida até que a neve seja removida ou derreta.

O que esperar quando o anemômetro da estação meteorológica remota ATMOS 41 contém gelo/neve

Algumas coisas podem ser observadas quando há neve/gelo no anemômetro. Uma observação é que um manto de neve protege a abertura do anemômetro, o que amortece os dados de velocidade do vento.

Uma segunda observação é que pode haver picos de velocidade do vento (limitamos isso a 30 m/s) ou nenhuma saída do sensor (#N/A). Nesse caso, pode ser necessária uma pequena limpeza dos dados até que o acúmulo de gelo/neve seja removido ou derreta.

Temperatura do ar e desempenho do modelo de correção para a estação meteorológica ATMOS 41

Observamos que um manto de neve cobrindo a estação meteorológica remota doATMOS 41 isola a unidade, resultando em uma temperatura do ar mais quente até que a neve seja removida.

Em geral, as temperaturas do ar são bem controladas quando comparadas a um sensor meteorológico de referência que não é do METER (Apogee TS-110 fan-aspirated radiation shield com termistor ST-100), que foi colocado no testbed do telhado do METER e conectado a um registrador de dados CR1000. As medições da temperatura do ar sobre a neve em dias de céu claro variam até cerca de 2 °C de aumento em condições de baixa velocidade do vento. Essa magnitude de erro é esperada devido ao aumento substancial da radiação de ondas curtas refletida da neve com albedo próximo de 1 e é muito menor do que o erro esperado das medições de temperatura do ar em um escudo de radiação não aspirado (Figura 6).

Como o impedimento de pássaros da estação meteorológica ATMOS 41 afeta os dados do sensor meteorológico de radiação solar?

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.

Em um dia de céu quase sempre claro, o erro causado pelo impedimento de pássaros foi uma diminuição na radiação solar total de 3,0% e 4,7% para dois sensores de piranômetro ATMOS 41 (3/7/2019). Em um dia nublado, o erro causado pelo impedimento de pássaros foi inferior a 1% (3/8/2019). Em um dia de céu claro, o erro causado pelo impedimento de pássaros foi uma diminuição na radiação solar total de 2,6% e 5,7% (9/3/2019). O erro foi estimado somando a radiação solar diária de ATMOS 41 unidades de estações meteorológicas remotas com o dispositivo de dissuasão de pássaros (experimental) e sem o dispositivo de dissuasão de pássaros (controle) e calculando o erro percentual. Os dados foram coletados em intervalos de 5 minutos.

Os dados da Tabela 1 foram coletados em datas em que não havia cobertura de neve, e os erros não excederam 5% de redução na radiação solar diária somada.

Tabela 1. Erro percentual da soma da radiação solar diária por data
*O protetor de pássaros não foi perfeitamente instalado.

OBSERVAÇÃO: o Teste 1 ATMOS foi cerca de 1% maior do que o controle ao comparar os dados de linha de base sem pico de pássaros; o Teste 2 ATMOS 41 foi cerca de -1% menor do que o controle ao comparar os dados de linha de base sem pico de pássaros (para a radiação diária somada em um dia de céu claro).

Efeitos da radiação solar dos fios de proteção contra pássaros

As quedas nos dados de radiação solar são causadas pelas sombras do fio de dissuasão de pássaros em um dia de céu claro (veja 3/9/2019 na Figura 1). As quedas na radiação solar em dias ensolarados variam ao longo do ano conforme o ângulo do sol muda. Os dados de radiação solar não são afetados pelo dispositivo de dissuasão de pássaros em dias completamente nublados, quando não há sombras de arame (veja 3/8/2019 na Figura 1).

Questões de instalação

A instalação correta do dispositivo de proteção contra pássaros (Figura 2) e a instalação incorreta (Figura 3) são mostradas abaixo. O sensor do piranômetro deve estar no meio de dois fios, indicado pelo triângulo. Espere um erro maior quando os dispositivos de proteção contra pássaros não forem instalados corretamente.

Sem somar a radiação solar diária, o erro percentual quando as quedas do piranômetro são mais drásticas resultou em uma redução de 13-17% da radiação solar (dia de céu claro). No banco de testes do METER, isso representou uma redução de 83-113 W/m² quando as sombras dos fios causaram as quedas mais drásticas em 9/3/2019 (Figura 4).

Existe uma maneira de corrigir os efeitos da sombra do fio?

É possível usar uma calculadora de céu claro para estimar a radiação solar em dias ensolarados; no entanto, seria um desafio e não é recomendável corrigir os efeitos das sombras que impedem a entrada de pássaros. O principal motivo é que as sombras mudam com o tempo, devido a diferentes cloud coberturas, horários do dia, época do ano e localização.

Como é possível saber se o sensor do piranômetro da estação meteorológica está sujo?

Compare os dados de um dia de céu claro (quando você sabe que o sensor do piranômetro estava limpo) com os dados de um dia que deveria ter produzido medições de radiação solar em céu claro. Se os dados de comparação indicarem condições de céu não claro em um dia que deveria ter sido claro, isso é uma indicação de que o sensor do piranômetro está sujo ou obstruído. Colete e analise alguns dias de dados para ter certeza de que não foi um pássaro que cobriu o sensor antes de fazer uma visita de campo. Ao se preparar para uma visita de campo para um sensor de piranômetro sujo, leve itens para limpar o sensor, o funil, a calha e a tela. Instale um impedimento para pássaros se houver fezes de pássaros.

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