科学气象站性能数据和气象传感器比较
我们对ATMOS 41 与高质量的研究级非 METER 传感器进行了对比测试，并对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。
气象监测系统比较：哪种系统适合您？
气象监测系统：性能与价格的最佳平衡点
图 2 是气象站性能与价格比较图。在理想的世界里，价格越高，质量就越高，价格与性能的连续线就是一条直线。但是，选择气象站并不完全是价格与性能的关系。在图 2 中，横轴是 "价值 "轴。如果一个气象站能为您提供更好的性价比（即您能以负担得起的价格获得恰如其分的性能），那么该气象站就能为您的独特测量需求提供更高的价值。
影响气象监测系统价值的因素
图 2 x 轴上显示的气象站价格已经确定，因此只有 y 轴或仪器在您特定应用中的性能才会改变数值。影响气象监测系统相对性能的因素有很多，例如
- 稳健性
- 准确性
- 安装和维护要求 测量套件
- 远程数据采集
- 实时数据可视化
- 四季功能
- 电源要求
性能取决于您独特的测量需求。例如，如果您要在偏远地区进行测量，不能经常进入现场，您就需要非常坚固耐用的仪器。如果人命关天，也需要坚固耐用的气象监测设备（例如，如果传感器坏了，没有检测到山洪暴发，人的生命就会受到威胁）。因此，在这些情况下，天气监测系统的稳健性将决定其相对性能。其他情况可能如下：
情景 1：您可能是一名气候学家，负责监测气温以研究气候变化的影响。如果是这样，您就需要几十年连续、准确的气温记录。在这种情况下，气象站或气象监测解决方案的准确性和稳定性都是影响其性能以满足测量需求的驱动因素。
情况 2：如果您正在运行一个庞大的远程气象站网络，而实地考察维护和安装的成本很高，实际上使当初购买设备的成本相形见绌，那么仪器的维护要求可能就是您的应用性能的驱动因素。
情景 3：研究人员经常需要专门的测量数据。为了回答研究问题，您可能需要比气温、湿度和降雨量等典型气象测量更多的数据。在这种情况下，包含您所需专业测量数据的测量套件类型就是气象站性能的驱动因素。
情况 4：有些系统具有三季功能，而有些则具有四季功能。四季系统具有加热功能，可以在高纬度地区的冬季运行并提供准确的结果。如果您要研究冬季降水，您需要一个能捕捉降雪的加热式雨量计。但是，如果您正在进行农业研究，四季系统对您来说并不重要，因为植物并没有生长。
方案 5：如果要在远程位置进行监控，电源要求将非常重要。您需要一个低功耗 的电池供电系统，以减少旅行时间和成本。 因此，在性能与价值对比图中，任何不符合气象监测要求的解决方案在价值轴上的位置都会变低，而任何符合要求的解决方案在价值轴上的位置都会变高。例如，如果某个 WMO 级系统需要大量的日常维护，导致无法扩展网络，那么它在价值轴上的位置就会降低，如图 3 所示。
或者，如果您要进行水平衡研究，您需要一个精确的雨量计。然而，价格较高的一体化气象站可能只有一个简单的雨量计，用来测量水滴撞击滚筒产生的声音。这将降低该系统的性能和价值（图 4）。
因此，一旦确定了您的测量需求，并将各种系统排列在价值轴上，您就可以看到哪些系统对您更有价值，以及它们在成本连续统一体中的位置。这样，您就能做出更明智的决定，选择适合自己应用的系统。
气象站类别
以下是您在市场上可能遇到的各类气象站的定义。
航空级气象监测系统
航空级气象监测系统因其专业观测而与众不同。
这就是为什么在图 2 中，如果您观察性能与价格的连续关系，航空系统位于右上角，性能和价格都非常高（即 20 万美元以上）。例如，它们可能包括一个能见度和当前天气传感器，用于显示飞行员的合理视距；一个气压计，用于显示cloud 高度；或者一个仪器，用于显示冻雨或结冰情况。这些专业测量在大多数气象监测解决方案中都找不到，但它们确实是航空气象系统性能的驱动因素。航空系统还采用 VHF 传输和冗余电话系统进行专门通信。而且，由于人类健康和安全依赖于这些系统，因此它们非常坚固耐用，具有四季性能（除非它们位于热带地区）。此外，航空系统的准确性也非常高，因为这些数据大部分都是通过管道输送到气候记录中的。
世界气象组织级天气监测系统
在许多国家的国家气象网络中，经常可以看到符合世界气象组织（WMO）标准的气象监测系统。此外，一些中尺度介子网也遵循世界气象组织的建议和准则。
世界气象组织的天气监测系统需要在十米高的塔架上进行测量，其他测量则在大气剖面较低的两米或三米处进行。符合世界气象组织标准的系统需要四季功能，并要求高精确度，因为这些数据也会纳入我们的气候记录。这些系统的成本很高：大约在 20,000 美元到 50,000 美元之间，另外还需要大量的维护工作，这就增加了每年的运行成本。这意味着对于密集的空间网络来说，成本过高。
定制天气监测系统
研究人员通常需要定制的气象监测系统，其测量套件是为他们试图回答的研究问题量身定做的。此外，一些气象网络也使用定制的气象站，其测量套件可满足利益相关者的需求。因此，除了测量正常的天气参数外，用户还可以添加以下内容：
- 用于测量表面温度的红外测温仪NDVI
- 冗余雨量计
- 用于地表能量平衡研究的净辐射
- 测量同位素比值的双涡协方差系统
研究人员可以在数据采集主干系统中集成几乎无穷无尽的测量功能。这就是为什么在图 1 的价格与性能连续图中，这些定制气象站系统分布在任一轴线上的原因。您经常会看到这些气象监测系统用于非气象监测网和非国家气象网。
科学级多功能气象站
在过去的二十年里，我们看到一体化气象站大量涌现。这意味着，许多制造商现在不再将气象站与集成到数据采集主干网中的定制传感器拼凑在一起，而是将各种气象传感器集成到一个小型封装的一体化气象站中。
一体化气象站有多种类型，这意味着您有许多不同的测量套件和价位选择。一体式气象站的价格在 1000 美元到 5000 美元之间，具体取决于测量套件以及是三季仪器还是四季仪器。一体化气象站的优势在于安装和维护的复杂程度远远低于定制或 WMO 气象监测系统。这使它们成为密集气象站网络的良好选择。通常，WMO 级气象站是网络的骨干。然后一体化气象站填补这些 WMO 类气象站之间的空间空白，形成一个信息更丰富的密集网络。一体化气象站的缺点是不能严格遵守世界气象组织的建议，因为它们只能在一个高度上进行测量。因此，一体化气象站有它的优势，WMO 气象站也有它的优势。
业余爱好者级天气监测系统
用于气象监测的业余级气象站通常是为房主和商业建筑建造的。这些气象站并不特别坚固，不适合研究或长期监测。
这些气象站的一个优点是，数据采集和通信系统可将信息转发到控制台，以便在住宅或营业场所进行本地化气象测量。在亚马逊上进行搜索，就会在搜索结果中找到许多这类气象站。
您应该选择哪种气象监测系统？
浏览下面的案例研究，了解研究人员和种植者如何为其特定应用选择合适的科学气象站。
案例研究：粮农组织 56 ETo 用于灌溉农业
彭曼-蒙蒂斯参考蒸散量是灌溉农业中常用的测量方法。彭曼-蒙蒂斯方程是一个基于机械原理的方程，用于量化草地或苜蓿表面的蒸散量或失水量。例如，如果草地或苜蓿地表浇水充足，就可以将天气变量输入方程，计算出会有多少水蒸气散失到大气中。
这种测量方法通常用于葡萄园、果树等高成本灌溉农业，但也用于农业中心枢轴应用。种植者需要知道水平衡（系统中损失或增加了多少水），以便用灌溉水补充净损失。因此，对于这种特殊的测量，种植者可能需要在许多不同地点进行局部测量。
种植者通常不需要复杂的气象监测系统来进行测量。他们需要的是易于设置、易于安装、维护要求低、可远程访问数据、电池用量小的系统。例如，图 10 中的数据记录器只需一块小型太阳能电池板，就能无限期地运行这个气象站。
为 FAO 56 参考蒸散量选择气象监测系统的关键因素是需要太阳辐射和降水。种植者需要知道补充土壤中水分的降水量，他们需要太阳辐射测量来进行彭曼蒙蒂斯（FAO 56）参考蒸散量测量。有些一体化站没有降水和太阳辐射。不过，ATMOS 41一体式气象站可以同时测量太阳辐射和降水。因此，它是在农业环境中进行此类气象监测的不错选择。
图 11 是ZENTRA Cloud 数据管理软件中的图表，该软件可与ZL6 数据记录器配合使用。
ZENTRA Cloud自动进行每日和累计参考蒸散量测量。它允许您添加作物系数，将参考蒸散量转换为真实蒸散量。这使得ATMOS 41 多合一气象站、ZL6 数据记录器和ZENTRA Cloud 软件成为种植者的重要 "交钥匙 "系统。
案例研究：珠穆朗玛峰的天气监测
在上一个案例研究中，一些专业测量的安装和维护非常重要，与此不同的是，金宝科学公司正在参与一个项目，对部署在珠穆朗玛峰上的气象站进行工程设计。其中一个气象站是世界上海拔最高的气象站。珠穆朗玛峰上的条件极其恶劣，因此该气象站的坚固性是满足这一特殊测量需求的关键因素。
这些珠穆朗玛峰站是超级坚固的四季站，因为它们可以持续测量冬季条件。它们包括带涂层的冗余专用风速计，可以在一个风速计结冰的情况下脱落冰雪。可以看出，其他一些测量也有冗余。因此，这不是一个受价格因素驱动的项目。坚固性是关键因素，因为维护气象监测系统的成本要比系统成本高出几个数量级。
案例研究：华盛顿州农业气象网
华盛顿州立大学负责管理华盛顿州农业气象网。图 13 中的每个绿点都是农业气象网一级气象站的位置。这些气象站主要集中在华盛顿州的农业区，位于苹果园和其他高价作物区，这些地区（与加利福尼亚州一起）养活了美国大部分地区。
AgWeatherNet 一级气象站拥有为该地区种植者量身定制的测量套件。AgWeatherNet 从这些气象站获取数据，并输出一系列模型参数，如病害模型、虫害模型、霜冻预测和霜冻监测。这些模型对该地区的生产者非常有价值，因为他们实际上为该系统支付了费用。
AgWeatherNet 的有趣之处在于，尽管它看起来像一个密集的空间网络，但这些站点之间相距数公里。因此，位于山谷中的一个精确的一级站点与山顶果园的站点测量的温度可能相差 2 °C。这意味着，如果他们持续监测山谷中的温度和湿度，并对真菌疾病做出预测，那么预测结果将与山顶的实际情况不同。
为解决这一问题，AgWeatherNet 允许个人种植者购买和安装二级系统（图 14）。
图 14 显示了农业气象网使用的ATMOS 41一体化气象站。它不具备一级气象站的精度规格，但与远离一级气象站的气象参数空间差异相比，点尺度上的精度不足几乎无足轻重。这些二级站点填补了一级站点观测数据的空白，AWN 可以利用人工智能和这些观测数据，为建立这些站点的种植者进行超本地预测。这一策略在帮助预测特定种植者所在地的霉菌、虫害爆发或霜冻事件方面取得了成功。不难看出，每种类型的气象站都在为利益相关者提供决策所需的关键数据方面发挥着重要作用。
案例研究：非洲的天气监测
如果连天气都观察不到，就很难预测天气。除了南非之外，整个撒哈拉以南非洲大陆几乎没有任何天气监测系统。这对农作物保险和非洲农民的天气预测产生了很多负面影响。这也是非洲难以采用高效耕作方法的原因之一。为了帮助解决这个问题，METER 与跨非洲水文气象观测站(TAHMO) 合作，在非洲建立了 20,000 个气象站。
TAHMO 对气象站的性能价值有着重要的考虑。首先，他们需要安装简单的气象站，因为地面工作人员的技术并不娴熟。他们还需要一个低维护成本的气象站，因为在非洲的许多地区，由于内乱、政治不稳定和恶意活动，实地考察非常困难。因此，对相隔不到一年的实地进行例行维护既困难又昂贵。
ATMOS 41一体式气象站是专为 TAHMO 项目设计的，在恶劣的天气条件下仍具有超强的坚固性，没有可能损坏的活动部件。TAHMO 目前已在非洲安装了 500 多个这样的气象站，目前是非洲大陆最大的气象网络。这些气象站的正常运行时间约为 95%，而有趣的是，撒哈拉以南非洲的航空气象系统的正常运行时间一般为 67%。
案例研究：蒙大拿 Mesonet 气象监测系统
通常情况下，美国国家气象局（隶属于美国国家海洋和大气管理局）会在全国范围内布设天气监测系统网络，并将数据输入有助于预测天气的前瞻性模型。研究人员发现，建立一个由非常昂贵的天气监测系统组成的稀疏网络效果非常好。但这些气象监测网络的空间缺口是个问题，尤其是对农业生产者和牧场主来说。他们需要知道自己所在的地方发生了什么。
对于填补大型复杂天气监测系统之间的数据空白，中间网是一个切实可行的解决方案。蒙大拿州气象网目前有 57 个气象站分布在全州各地，通过与公共和私营部门的合作，他们每年都在增加更多的气象站。蒙大拿中间网团队在每个地点都安装了 METER一体式气象站、土壤水分传感器、 NDVI
传感器和数据记录器，可与 ZENTRA Cloud蒙大拿州中间网：一个易于使用的网络软件，通过应用程序接口（API）无缝集成到第三方应用程序中。蒙大拿州中间网协调员凯文-海德（Kevin Hyde）说，该系统能够实现更好的空间分布和可靠性。"当我们决定购买设备时，我们问自己：我们应该使用什么样的技术？我们应该使用什么样的技术？它必须提供高数据完整性。它必须易于部署和维护。而且必须具有成本效益。这个行业的人不多。METER 系统低调、经济、可靠。我看了看其他一些网络，他们无力进一步建设，因为他们依赖的是大型、复杂、昂贵的系统。这就是 METER 系统发挥作用的地方。
你应该问自己的气象站问题
总之，您的测量需求和应用决定了特定气象站所需的性能和价值。购买前要问的重要问题有
- 这种天气监测系统是否必须非常坚固耐用？
- 该系统是否必须超精确、超稳定？
- 该站点是在我的技术人员每周都能访问和维护一次的田间地块，还是我每两年才能访问一次的站点？
- 我需要哪些特定的测量值？
- 气象站有三季和四季功能吗？
- 需要多少电力？它能靠小型电池无限期运行吗？
如果你能考虑到驱动性能与你的测量需求相关的各种因素，那么决定什么是最重要的就会变得容易得多，你也就能找到最佳的价值。
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。
气象站常见问题
哪种气象站最适合温室应用？
温室是一个有趣的测量环境。一些一体化测量站非常适合温室。诀窍在于找到不包括降水量的测量套件，这样就不用为降水量的测量支付额外费用。温室中的部分挑战在于人工照明。如果要测量光合有效辐射，就需要注意量子传感器，因为大多数温室都采用 LED 照明，这种照明的辐射波段是不连续的。如果你的量子传感器不能测量该波段，那么你就会得到错误的答案。但如果你只想测量温度和湿度，也有很多选择。甚至有时风也很重要。但我建议您使用一体化气象站。
对于土壤-植物-大气相互作用的常规气象参数，最频繁和最不频繁的数据记录是什么？
这是一个复杂的问题，因为气象监测系统的大部分电力支出都用于将数据广播回cloud 。如果需要近乎实时的观测，大多数气象站可以每 5 到 15 分钟记录一次。但大多数在土壤-植物-大气连续体中进行实地研究的人都是每 30-60 分钟收集一次数据。您可以对记录仪进行编程，有些气象站已预先编程，可提供最大和最小阵风风速，这样您就不必过度采样。
您会推荐哪种类型的气象监测系统用于山坡葡萄藤等高颗粒度监测？
一体式测量站就是为这种应用量身定做的。您可以找到价值 2000 美元的一体化测量站，可以进行精确测量。您可以根据地形在葡萄园里放置几个这样的测量站，以了解空间差异，从而做出灌溉葡萄园的决定。
如何测试气象站传感器的性能以及是否需要重新校准传感器？
你可以购买一个一级传感器，比如可以追溯到达沃斯的一级高温计气象传感器，然后将你的太阳辐射测量结果与该标准进行比较。你还可以购买一个校准良好的铂电阻温度计，用吸气式辐射屏蔽来测量空气温度。然后再将空气温度测量结果与之进行比较。如果长期进行这些研究，就可以量化特定传感器的漂移，并提出一些重新校准的合理建议。在 METER，我们花了很多时间对我们的ATMOS 41 气象站进行校准。我们对观测到的漂移进行量化，并提出合理的重新校准或翻新建议。
您如何计算维护成本和来自生产这些气象站的各家公司的支持？
维护成本可能很高。派人维护大型网络中的气象站成本高昂。大多数气象站制造商都会提供良好的支持。因此，如果您遇到问题，一定能找到答案。不过，如果您参加美国气象学会的会议并查看新仪器，就会发现有许多新公司提供的产品与具有长期记录的知名公司的仪器相似。这些新仪器的性能可能不尽相同。因此，您需要确保从信誉良好的公司购买。
元数据对数据序列和模型计算的代表性有多重要？
了解各种传感器的生产和校准时间，以及了解传感器的高度和位置极为重要。世界气象组织的建议可确保您拥有正确的支持元数据，但即使在研究应用中，元数据也能决定一项研究的成败。可能会有同事离开，而他们的实验笔记本却突然不见了。你得到了数据，却不知道这些数据意味着什么，因为你失去了所有的支持信息。在 METER，我们花了很多时间来提供元数据，从传感器到ZL6 数据记录器，再到ZENTRA cloud 。因此，您的所有永久记录中都有这些元数据。
ATMOS 41 在冬季极端条件下的性能如何？
ATMOS 41 一体式气象站是一款三季仪器，因此不带加热功能。冬季的主要缺点是漏斗会积满雪，在冰冻期无法测量降水量。另外，冰雪可能会堵塞声波风速计的开口，从而减弱风速和气温。良好的冬季降水测量是一个相当复杂的过程。通常需要一个加热的称重仪表，在上面放一点油和防冻剂，以确保不会结冰或蒸发。因此，这是一个耗电大、很难做好的过程。
ATMOS 41 和ZL6 是否符合 ASABE 农业自动气象站指南？
从 "自动农业气象站的测量和报告实践"表 1 中可以看出，ATMOS 41 内部测量序列符合所列气象变量的采样间隔准则。ZL6 数据记录器可配置为每小时报告值，如表 1 所示；但是，使用ZL6 进行数据采集和传输时，某些最小/最大瞬时值不可用。有关 METER 数据记录器处理输出值的详情，请查阅ATMOS 41用户手册。
ATMOS 41 的占地面积是多少？
ATMOS 41 是一种微气候传感器，因此您应将其定位在与您提出的研究问题相关的气候环境中。联合国粮农组织（FAO）56 对传感器的定位和场地大小给出了指导原则，因此，如果您打算将传感器用于参考 ET，请遵循这些指导原则。微型气象测量的占地面积取决于传感器的高度、风速和显热通量，并不是一个简单的计算方法。
ATMOS 41 一体式气象站的测量频率是多少？
ZL6 每 60 秒从使用中的每个传感器端口进行一次测量。不过，在将数据上传到ZENTRA Cloud 时，最小测量间隔为 5 分钟。如果禁用将数据上传到ZENTRA Cloud 的功能，则可以实现一分钟的测量间隔，这些说明可应要求提供。
ATMOS 41 每 10 秒测量一次太阳辐射和温度，并记录瞬时值。查询时，ATMOS 41 会输出自上次查询以来的瞬时测量值的平均值。
ATMOS 41 每 10 秒测量一次风速和风向，并记录瞬时风矢量分量。查询时，ATMOS 41 会输出自上次查询风速和风向以来的瞬时测量值的平均值，以及阵风的最大瞬时风速值。
如果使用非 METER 记录仪，则可每三秒扫描一次ATMOS 41，但不必对ATMOS 41 进行过采样，也不必在外部数据系统中计算平均值、累加值和最大值，因为ATMOS 41 具有内部测量序列[更多信息，请参阅积分器指南]。减少采样频率的另一个好处是降低数据采集系统和ATMOS 41 的功耗。
ATMOS 41 是否需要持续供电？
是的。如果不给ATMOS 41 持续供电，让其内部测量程序运行，就无法从它获取有意义的数据。ATMOS 41 可以在设定的时间间隔内通电，进行第一组测量，然后输出数据。但是，这种方案几乎会错过所有降水和闪电，而且会捕捉到一个单一的风速和风向瞬时值，而考虑到风的固有变化，这几乎是没有意义的。值得注意的一点是，ATMOS 41 在正常连续供电模式下的专门设计是为了尽可能降低功耗。平均电流消耗约为 200 微安。即使非 METTER 数据采集设备仅使用几节 AA 电池，也能在很长时间内维持这种耗电量。
ATMOS 41 风速计与其他声波风速计相比如何？
请参见ATMOS 41 对比测试和传感器之间的变化数据。
ATMOS 41 的实际风速测量下限是多少？
我们的声波风速计的实际风速下限约为 0.03 米/秒。这比杯式风速计等要好得多，杯式风速计由于启动和停止困难，在测量最低风速低于 0.5 米/秒时会很吃力。声波风速计的读数比这低五倍，但不一定能读出绝对零度。
ATMOS 41 在没有辐射屏蔽的情况下如何记录准确的空气温度？
The ATMOS 41 collects all of the information necessary to correct for absorbed radiation in a biophysical model. Because the ATMOS 41 also measures wind speed and solar radiation, it is possible to use a simple energy balance calculation to correct the Tair measurement. After correction, error decreases to < 0.5 °C and yields better accuracy than commonly used passive ventilation radiation shields.
方程式和实验结果可在我们的应用说明和下面的视频中找到。
气象站的最佳安装方法是什么？
1.地点：确保您为任何气象监测系统选择的地点都能回答您想要回答的问题。如果您正在寻找一般的天气监测，请确保该地点远离任何风向障碍物（至少是最高障碍物高度的 3 倍）。确保植被具有代表性，确保地形具有代表性。一般来说，屋顶和深谷或山顶都很糟糕。如果要寻找参考 ET，则应在安装地点四面至少有几米农作物的地方进行部署。还要确保没有任何东西会遮挡太阳辐射传感器。
2.高度：许多小组将ATMOS 41 安装在 2 米高处，因为这是参考蒸散量的标准。其他小组则安装在更高处进行气象观测。有些小组甚至将 41 安装在树冠层中，以解决专门的研究问题。只要有合适的安装设备，您可以在任何高度轻松部署。
3.安装装置：ATMOS 41 可安装在垂直杆上（具体尺寸见用户手册和快速入门指南）。它通常安装在竖直的杆子上，用缆绳或高质量的三脚架固定。有的甚至安装在 T 形柱上，最好再加上一些缆绳以增加稳定性。
4.水平：这对ATMOS 41 十分重要。在雨水漏斗下面有一个气泡水平仪，您可以从下面看到并用它来获得水平。ATMOS 41 还将 X 和 Y 水平仪作为标准输出，因此您可以确保水平度在零点的 2 度以内。您需要使用连接线将安装装置拉平，或添加一些垫片以达到适当的水平。
5.在离开现场之前检查数据流：携带一台笔记本电脑（如果使用ZL6 数据记录仪，则携带手持设备）和合适的软件，确保所有连接良好，数据采集系统能够正确记录和/或传输数据。最好的做法是先在实验室或办公室设置好一切，排除任何问题，然后再去现场。
6.始终携带一套完整的工具：在排除特殊情况的故障时，你永远不知道自己会需要什么。
7.整理电线：气象监测系统中环境传感器最大的故障模式就是接线。将多余的电线用拉链绑在安装桅杆上，可以防止电线被动物咬断，或在狂风中被刮断，从而拔掉数据记录器的插头。如果有条件，将电线放在笼子或其他容器中保护也是不错的选择。任何这些措施都会让安装看起来更专业，这也是额外的收获。
8.了解更多信息：观看以下网络研讨会--7 个应避免的气象站安装错误
了解更多
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。
测量见解
气象监测系统比较：哪种系统适合您？
比较常见的气象监测方法、利弊以及哪种技术可能适用于不同类型的实地研究。
实验室仪器与现场仪器--为什么两者都要使用
实验室和现场仪器一起使用，可以为研究人员提供交响乐般的信息，并可作为了解数据和预测土壤长期行为的有力工具。
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