贡献者

科学气象站对比测试、气象传感器变异数据等

集成到远程气象站和气象监测系统中的科研级气象传感器可测量降水、气温和风速等气候参数。在自然环境中，这些参数在短距离内会发生很大变化。然而，大多数气象站的观测要么牺牲空间分辨率来换取科学精度，要么牺牲研究级精度来换取空间分辨率。ATMOS 41供研究人员使用的多合一科学气象站对这两种情况都进行了优化。它经过精心设计，在允许进行空间分布式观测的价位上最大限度地提高了精度。此外，由于许多研究人员需要避免频繁的维护和较长的设置时间，ATMOS 41科学气象站的设计降低了复杂性，并可承受在恶劣环境中的长期部署。为了避免破损，它不包含任何活动部件，只需每两年重新校准一次。由于所有 14 项测量都集成在一个装置中，因此几乎不费吹灰之力就能快速部署。它唯一的要求就是安装在一根杆子的顶端，并保持水平，使天空一览无余。

其他科学气象站与ATMOS 41 相比如何？

在与非洲、欧洲和美国等世界各地的合作伙伴进行了广泛的开发和测试之后，METER 于 2017 年 1 月发布了ATMOS 41远程气象站。我们与高质量的研究级非 METER 气象传感器进行了对比测试，并对气象传感器之间的变异性进行了时间序列测试。以下是测试结果。

降水气象传感器比较

ATMOS 41科学气象站采用最新技术，改进了传统的测量方法。ATMOS 41 的一项关键创新是雨滴计数器技术。它使用镀金电极来检测和计数来自喷嘴的离散雨滴，喷嘴经过精确设计，可产生重复性极高的雨滴大小。与传统的滴勺式雨量计相比，这种无移动部件技术不易出现机械故障。我们在美国华盛顿州福克斯降水试验台（美国 48 个州中降雨量最大的地方）部署了三个倾勺式雨量计（德克萨斯电子公司和 ECRN-100），同时还部署了三个ATMOS 41 气象传感器套件。所有传感器都部署在距离地面两米高的空间范围内。图 1 显示了 2018 年冬季和春季四个多月的数据。有趣的是，三个翻转式雨量计分别代表了最高和最低的两个累计降雨总量，三个ATMOS 41 远程气象站都测量了翻转式雨量计之间的累计降雨总量。虽然倾勺式雨量计的分散性使我们难以得出可靠的结论，但所有三个ATMOS 41 远程气象站的测量值都在倾勺式雨量计测量值平均值的 3% 以内。

太阳辐射气象传感器比较

太阳辐射气象传感器比较是在 METER 普尔曼校园的屋顶试验台进行的。2017 年秋季，Kipp & Zonen CMP3 与ATMOS 41远程气象站共用了约一个月的时间。读数取 15 分钟的平均值，根据 1:1 图（图 2），数据显示出良好的一致性。线性回归显示，ATMOS 41 高温计低估了 3%。

空气温度气象传感器比较

ATMOS 41一体式科学气象站在风速计开口处使用微型热敏电阻，并采用基本的能量平衡方法校正太阳辐射和风的影响。太阳辐射和风速相结合，可调节空气温度测量，以适应太阳辐射加热和对流冷却，而不是普通的百叶窗辐射屏蔽。在 METER 普尔曼校区，使用安装在 Apogee TS-100 吸气式辐射罩中的微型热敏电阻传感器作为空气温度标准，对该方法进行了优化和验证。验证结果表明，ATMOS 41 空气温度测量值的 95% 置信区间为 +/- 0.6 °C（图 4），明显优于安装在非吸气式防护罩中的典型气象传感器的预期误差。有关气温校正的更多信息，请参阅我们的网络研讨会 "别再躲在屏蔽罩后面"。

相对湿度气象传感器比较

改进后的空气温度用于精确校正相对湿度。所有 METER 相对湿度传感器都经过单独校准，并根据露点湿度计标准在三个湿度级别上进行验证。图 5 显示了传感器之间的数据一致性。每次校准 1 到 16 个传感器，并在所有三个湿度级别上以 2% 的相对湿度为合格/不合格标准。数据显示传感器之间具有极佳的一致性，校准后的数据通常与实际湿度相差 1%。

现场收集的数据使用集成的相对湿度和温度传感器来计算蒸汽压力（千帕）。图 6 显示了传感器在八天时间内的现场性能，并给出了蒸汽压力测量值之间一致性的预期。

风速和风向气象传感器比较

ATMOS 41 个远程气象站风速和风向气象传感器已通过第三方 ISO 17025 认证实验室的测试。风速由超声波风速计测量，与杯式风速计相比，超声波风速计没有活动部件。风向也由超声波风速计测量，因为有两个相距 90 度的声波传感器。装置上刻有的 N 必须指向真北，才能准确记录风向。数据见图 7（风速）和表 1（风向）。

表 1.风向数据，3 个数据点的平均值

气压气象传感器比较

每个ATMOS 41 科学气象站气压气象传感器都根据 NIST 可追溯压力基准进行了单独校准。压力基准和压力传感器之间的差值必须在 +/- 0.1 kPa 范围内。然后将差值作为偏移量存储在传感器上。图 8 显示了七个ATMOS 41 远程气象站在 METER 测试平台上的性能。顶部和底部压力之间的差值约为 0.2 千帕。

倾斜传感器对比数据

ATMOS 41科学气象站还配有倾斜传感器，可在水平出现问题时发出警报。倾斜传感器在 METER 生产校准夹具中使用气泡水平仪作为指示器进行归零。图 9 显示了在测试平台上使用 7 个ATMOS 41 时倾斜传感器的性能。蓝色线条显示了一个传感器被吹偏的例子，随后被发现并修复。每个加速度计都显示出相对较低的噪声和较高的可重复性。值得注意的是，偶尔出现的较高噪音是由于高风速和安装设备不稳定造成的，而不是传感器的问题。

ATMOS 41 个科学气象站--经济实惠、准确可靠

来自独立气象传感器的比较数据以及并排观测数据表明，ATMOS 41气象站以简单、坚固和易于维护的装置实现了研究质量测量的目标。其独特的设计特点（如无移动部件风速计和雨滴计数雨量计）使其能够在恶劣的环境中进行长期、准确的测量，而且由于其价格低廉，可以依靠它提供关键的空间分布数据，从而填补气象测量的空白。请继续阅读ATMOS 41 科学气象站性能的详细信息。

有问题吗？

我们的科学家拥有数十年帮助研究人员和种植者测量土壤-植物-大气连续体的经验。

咨询专家

索取报价

查看ATMOS 41 案例研究

ATMOS 41 科学气象站中的辐射温度传感器是否准确？

空气温度看似简单，却是最难精确测量的环境参数之一。目前的最佳做法是将气温气象传感器置于被动通风或主动吸气的辐射防护罩中。由于设计限制，新型ATMOS 41 一体化科学气象站中的空气温度传感器无法完全屏蔽太阳辐射。

不过，由于ATMOS 41 科学气象站测量的是风速和太阳辐射，而这两个因素是影响气温测量精度的主要因素，因此可以进行修正。

天气传感器问题

ATMOS 41新型远程气象站上的气温传感器部分暴露在太阳辐射下，可能导致测量的气温（_Tair）出现较大误差。

与在最先进的吸气式辐射屏蔽中进行的测量相比，未经校正的测量结果显示出 3 ℃ 的误差。

问题解决了

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.

理论

温度计的能量平衡已重新安排如下，以校正太阳辐射造成的误差。

• _αs= 温度传感器对太阳辐射的吸收率（无单位）
• _St= 短波辐射入射总量（W ^m-2）
• _cp= 空气比热（J ^{mol-1 C-1）}
• k = 描述边界层热传导的常数
• u = 风速（米/秒-^1）
• d = 温度传感器的特征尺寸（米）

气象传感器实验

Apogee TS-100 吸气式空气温度传感器被选为_Tair 的参考标准。ATMOS 41 气象站和戴维斯仪器的空气温度传感器（非吸气式、百叶式辐射罩）与 TS-100 位于同一地点。戴维斯传感器/辐射屏蔽也包括在内，以便将ATMOS 41 的性能与典型的_Tair测量进行比较。在 2015 年夏末多云的五天时间里，采集了五分钟的平均数据。方程 1 中的_αs 和 k 被用作拟合参数，以最大限度地减少ATMOS 41修正的_Tair误差。

成果

简单的能量平衡方法可以很好地校正部分暴露于辐射的传感器的空气温度。

讨论

ATMOS 41 的未校正_Tair精度与典型的非吸气式辐射屏蔽空气温度测量结果相当，但由于太阳辐射效应而出现了正偏差。经辐射校正的ATMOS 41 的性能优于典型的辐射屏蔽空气温度测量，其 95% 置信区间的精度远小于 ±0.5°C。

表 1.两种空气温度气象传感器气温测量数据的汇总统计

在下面的视频中，Doug Cobos 博士解释了ATMOS 41 辐射温度传感器的工作原理。

ATMOS 41 气象站在零度以下和多雪条件下的性能如何？

ATMOS 41科学气象站非常耐用，即使在零度以下和多雪的条件下也是如此。气象传感器套件无需过冬，但我们提醒用户注意风速计或高温计顶部的冰雪影响。ATMOS 41 中没有加热器，因此只有在冰雪融化后才能测量到液态水，而可能溢出雨量计漏斗的积雪不会计算在内。空气温度传感器和校正模型均表现良好。请参阅以下数据，这些数据是 2019 年冬季在 METER 的屋顶测试平台上记录的。

当气象站测温仪被白雪覆盖时会出现什么情况

太阳辐射以漫射辐射的形式到达高温计，在积雪被清除或融化之前会被抑制。

ATMOS 41 远程气象站风速计结冰/积雪时的注意事项

当风速计内有雪/冰时，可以观察到几种情况。一个观察结果是，积雪覆盖了风速计的开口，从而减弱了风速数据。

第二个观察结果是，可能会出现风速峰值（我们的上限为 30 米/秒）或传感器无输出（#N/A）。在这种情况下，可能需要清理一下数据，直到冰雪被清除或融化。

ATMOS 41 气象站的气温和修正模型性能

我们观察到，覆盖在ATMOS 41远程气象站上的积雪会对设备产生隔热作用，在积雪被清除之前，气温会升高。

总体而言，与非 METER 参考气象传感器（带 ST-100 热敏电阻的 Apogee TS-110 扇吸式辐射防护罩）相比，气温跟踪良好，该传感器安装在 METER 的屋顶测试平台上，并与 CR1000 数据记录器相连。 在低风速条件下，晴天雪地上空的气温测量值高达约 2 °C。 由于反照率接近 1 的雪反射的短波辐射大幅增加，预计会出现这种误差，但这种误差远远小于非吸入式辐射屏蔽中的气温测量误差（图 6）。

ATMOS 41 气象站的防鸟装置对太阳辐射气象传感器数据有何影响？

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.

在晴空万里的日子里，两个ATMOS 41 高温计传感器的太阳辐射总量分别减少了 3.0% 和 4.7%（3/7/2019）。在阴天，鸟类阻吓装置造成的误差小于 1%（2019 年 8 月 3 日）。在晴天，鸟类阻吓器造成的误差是太阳辐射总量减少了 2.6% 和 5.7%（2019 年 9 月 3 日）。估算误差的方法是将ATMOS 41 个有鸟类阻挡装置（实验）和无鸟类阻挡装置（对照）的远程气象站单元的日太阳辐射相加，然后计算误差百分比。数据收集间隔为 5 分钟。

表 1 中的数据是在无雪覆盖的日期收集的，误差不超过日太阳辐射总和减少量的 5%。

表 1.各日期日太阳辐射总和的误差百分比
*鸟类阻挡装置安装不完美。

注：与无鸟类高峰的基线数据相比，测试 1ATMOS 比对照组高约 1%；与无鸟类高峰的基线数据相比，测试 2ATMOS 41 比对照组低约-1%（晴天的日辐射总和）。

挡鸟电线的太阳辐射效应

太阳辐射数据的骤降是由晴天中的阻鸟铁丝阴影造成的（见图 1 中的 2019 年 9 月 3 日）。随着太阳角度的变化，晴天的太阳辐射数据也会随之变化。在没有电线阴影的完全阴天，太阳辐射数据不受阻鸟器的影响（见图 1 中的 2019 年 8 月 3 日）。

安装事项

鸟类阻吓器的正确安装（图 2）和错误安装（图 3）如下所示。高温计传感器应位于两根导线的中间，如三角形所示。 如果驱鸟器安装不正确，误差会增大。

在不计算每日太阳辐射总和的情况下，当测温仪的骤降幅度最大时，太阳辐射的百分比误差减少了 13-17%（晴天）。在 METER 的测试平台上，这是 83-113 W/m² 图 4）。

是否有办法纠正线影效果？

使用晴空计算器估算晴天的太阳辐射是可行的；但是，要校正鸟类阻挡阴影的影响则具有挑战性，不建议这样做。主要原因是，由于cloud 覆盖面、一天中的时间、一年中的时间和地点不同，阴影会随着时间的推移而变化。

如何判断气象站高温计传感器是否脏污？

将晴天（当您知道高温计传感器是干净的）的数据与本应进行晴天太阳辐射测量的一天的数据进行比较。如果对比数据显示在本应晴朗的一天却出现了非晴朗天空的情况，则表明高温计传感器变脏或受阻。在进行实地考察之前，收集并查看几天的数据，以确保不是鸟类遮挡了传感器。在准备对肮脏的高温计传感器进行实地考察时，应携带清洁传感器、漏斗、下水管和滤网的物品。如果有鸟粪，请安装鸟类阻挡装置。

需要帮助吗？

我们的科学家拥有数十年帮助研究人员和种植者测量土壤-植物-大气连续体的经验。

• 咨询专家
• 索取报价