Guía: Como instalar una estación meteorológica automática en forma profesional

[David Met]

Buenas buenas.
A fin del año pasado; me recibí de inspector meteorológico otorgado por el SMN Argentina; y he aprendido muchas cosas y que quiero ir compartiendo lo aprendido en diferentes foros (de MF, claro).

En esta oportunidad, quiero ayudarlos determinar cual es el mejor lugar para instalar los diferentes sensores; a fin de medir las variables meteorológicas en forma correcta. Hay que tener presente que, un sensor de excelente calidad y resolución, si no está bien instalado para lo que se desea medir; el dato no será representativo.
Por ejemplo, si quiero medir la temperatura, no es lo mismo poner el sensor arriba de un techo de una casa, que arriba de un césped y a nivel de superficie.

Si tu intensión es saber que temperatura es la que hay arriba del techo, te va a servir; pero si querés medir la temperatura del aire que te afecta en superficie, pues no te va a servir (valga la redundancia). Así que en las siguientes respuestas, voy a estar indicando como ubicarlos y dar concejos en caso de que no puedas tener el mejor lugar.

[David Met]

Temperatura y humedad.

En las estaciones meteorológicas que se comercializan, estos vienen en un mismo encapsulado; o muy cerca uno de otros; y esto es así porque para medir el aire; deben de estar juntos. Por lo tanto, si tu estás construyendo tu propia estación meteorológica y adquiriste los sensores por separados; ten en cuenta de instalarlo uno al lado del otro en un abrigo meteorológico.
Este abrigo meteorológico, debe ser capaz de frenar la lluvia y la radiación solar directa y reflejada; pero debe dejar pasar el aire con la menor resistencia posible y que no genere turbulencias (o genere muy poco).

Elección del lugar.

Generalidades.

Los lugares se dividen en clases que van del 1 al 5. Cuanto mejor es, el número es más chico; o sea, la clase mejor es la 1 y la peor es la clase 5.
Los sensores situados dentro de una garita (abrigo meteorológico) deberían montarse a una altura determinada, entre 1,25 y 2 m. La altura nunca debería ser inferior a 1,25 m. El respeto del límite superior es menos estricto, ya que el gradiente de temperatura con la altura decrece con esta última. Por ejemplo, en el caso de sensores situados a alturas de entre 1,5 y 2 m, la diferencia en la temperatura es inferior a 0,2 °C.
Las principales discrepancias se deben a superficies y sombras artificiales:

• Los obstáculos que rodean la garita influyen en el equilibrio radiativo de la misma. Al emitir una radiación infrarroja más caliente o reflejar las radiaciones, un obstáculo vertical próximo a una garita puede impedir el paso de la radiación solar o "protegerla" del enfriamiento radiativo nocturno del aire.
• Se debería evitar la cercanía de superficies artificiales que podrían elevar la temperatura del aire. El alcance de su influencia depende de las condiciones del viento, pues este afecta a la circulación del aire. Hay que tener en cuenta las superficies reflectantes o fuentes de calor que no son naturales o que son artificiales (por ejemplo, edificios, superficies de hormigón o aparcamientos), así como los puntos de agua o de humedad (por ejemplo, estanques, lagos o zonas de riego).

Se debería evitar la sombra de obstáculos cercanos. Sin embargo, la influencia del relieve natural no se toma en consideración para la clasificación.
La altura indicada de crecimiento de la vegetación representa la altura de la vegetación bajo unas condiciones de mantenimiento "regular". Se distingue entre la altura estructural de la vegetación (según las especies locales) y la altura resultante de un mantenimiento deficiente. Por lo tanto, la clasificación de un emplazamiento determinado se asigna dando por supuesto que el lugar está correctamente conservado (salvo cuando no sea factible).

Clase 1

• Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a ⅓ (19°).
• Suelo cubierto con una vegetación natural y baja (menos de 10 cm) característica de la región.
• Punto de medición situado:
  
  • i) a más de 100 m de una fuente de calor o de una superficie reflectante (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos y similares);
  • ii) a más de 100 m de una extensión de agua (a no ser que sea importante en la región);
  • iii) fuera del alcance de cualquier proyección de sombras cuando la elevación del Sol sobrepase los 5°.

Se considera que una fuente de calor (o una extensión de agua) ejerce influencia cuando ocupe más del 10 % de un radio de 100 m alrededor de la garita, abarque el 5 % de un anillo situado entre 10 m y 30 m del centro o cubra el 1 % de un radio de 10 m.

[David Met]

Clase 2

• Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a ⅓ (19°).
• Suelo cubierto con una vegetación natural y baja (menos de 10 cm) característica de la región.
• Punto de medición situado:
  
  • i) a más de 30 m de una fuente artificial de calor o de una superficie reflectante (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos y similares);
  • ii) a más de 30 m de una extensión de agua (a no ser que sea importante en la región);
  • iii) fuera del alcance de cualquier proyección de sombras cuando la elevación del Sol sobrepase los 7°.

Se considera que una fuente de calor (o una extensión de agua) ejerce influencia cuando ocupe más del 10 % del área circundante en un radio de 30 m alrededor de la garita, abarque el 5 % de un anillo situado entre 5 m y 10 m del centro o cubra el 1 % de un radio de 5 m.

[David Met]

Clase 3. Incertidumbre adicional estimada: hasta 1°C

• Suelo cubierto con una vegetación natural y baja (menos de 25 cm) característica de la región.
• Punto de medición situado:
  
  • i) a más de 10 m de una fuente artificial de calor o de una superficie reflectante (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos y similares);
  • ii) a más de 10 m de una extensión de agua (a no ser que sea importante en la región);
  • iii) fuera del alcance de cualquier proyección de sombras cuando la elevación del Sol sobrepase los 7°.

Se considera que una fuente de calor (o una extensión de agua) ejerce influencia cuando ocupe más del 10 % en un radio de 10 m alrededor de la garita o abarque el 5 % de un radio de 5 m.

[David Met]

Clase 4. Incertidumbre adicional estimada: hasta 2°C

• Cerca de fuentes artificiales de calor y de superficies reflectantes (edificios, superficies de hormigón, aparcamientos y similares.) o de una extensión de agua (a no ser que sea importante en la región) que ocupen:
  
  • i) menos del 50 % de la superficie dentro de un área circular de 10 m de radio alrededor de la garita;
  • ii) menos del 30 % de la superficie dentro de un área circular de 3 m de radio alrededor de la garita.
  • iii)Fuera del alcance de cualquier proyección de sombras cuando la elevación del Sol sobrepase los 20°.

Clase 5. Incertidumbre adicional estimada: hasta 5°C

Emplazamiento que no cumple con los requisitos de la clase 4.

Conclusiones.

Como podrán notar, cuanto más chico es el número de clase la medición de la variable es más precisa. Recuerde que, por más que tengas el mejor sensor del mundo; sino está instalado correctamente no medirá lo que se necesite medir.
Esto nos lleva a una pregunta ¿qué es lo que queremos medir de la atmósfera?

A fin de obtener resultados representativos cuando se comparen las lecturas termométricas de lugares y momentos diferentes, también es indispensable normalizar la exposición de la garita y, por consiguiente, del termómetro propiamente dicho. En las actividades meteorológicas habituales, la temperatura del aire observada debería ser representativa del estado del aire libre que rodea la estación en una zona lo más extensa posible, y a una altura de entre 1,25 y 2 m por encima del nivel del suelo. Por razones de comparabilidad, la medición debería realizarse sobre terreno de origen natural, preferiblemente sobre césped. Se alude específicamente a la altura sobre el nivel del suelo porque en las capas más bajas de la atmósfera pueden darse importantes gradientes verticales de temperatura que influyan en la medición de la temperatura. Así pues, el lugar más adecuado para realizar las mediciones es aquel que se encuentra sobre suelo nivelado, con exposición directa al sol y al viento, que está libre de la sombra de árboles, edificios u otros objetos que obstruyan el instrumento y que no tiene cerca ese tipo de elementos. Las pendientes inclinadas y las depresiones del terreno están expuestas a condiciones excepcionales, por lo que convendría evitarlas. En los pueblos y ciudades, las características locales suelen ser más marcadas que en las zonas rurales. Las observaciones de la temperatura en las cimas de los edificios son de dudoso valor y utilidad, a causa de la variabilidad del gradiente vertical de temperatura que existe en esos lugares y del efecto del propio edificio en la distribución de la temperatura.

También hay necesidad de medir la temperatura de la superficie del suelo y a diferentes profundidades; pero además, la agrometeorología, puede tener otras necesidades. Las vemos a continuación (en la siguiente respuesta)

[David Met]

Medición de la temperatura del suelo

Las profundidades típicas para las mediciones de la temperatura del suelo son 5, 10, 20, 50 y 100 cm por debajo de la superficie, si bien es posible realizarlas también a otras profundidades (por ejemplo, 2 cm). El lugar de medición debería ser una porción de terreno llano y despejado (de unos 2 × 2 m) representativa del suelo circundante del que se deseen tomar datos. Cuando el suelo esté cubierto de nieve, es conveniente medir también la temperatura de la cubierta de nieve. Si no hay demasiada nieve, se puede apartar del suelo antes de efectuar las lecturas y, luego, volverla a colocar en su lugar.
Al describir un emplazamiento en el que va a medirse la temperatura del suelo, se debería anotar el tipo de suelo, su cubierta y el grado y dirección de la pendiente del terreno. Siempre que sea posible, se deberían indicar las constantes físicas del suelo, tales como la densidad aparente, la conductividad térmica o el contenido de humedad a la capacidad de campo. Además, se deberían incluir el nivel de la capa freática (si no estuviera a más de 5 m de la superficie) y la estructura del suelo. Se trata de consideraciones importantes para estimar el flujo calorífico del suelo en aplicaciones de PNT.
En las estaciones agrometeorológicas es conveniente llevar un registro continuo de las temperaturas del suelo y del aire a diferentes niveles en la capa adyacente al suelo (desde el nivel del suelo hasta unos 10 m por encima del límite superior de la vegetación predominante).

Medición de las temperaturas mínimas (césped o suelo desnudo)

La temperatura mínima del césped es la temperatura más baja alcanzada a lo largo de una noche por un termómetro expuesto al aire libre sobre césped corto. Las temperaturas mínimas del césped deberían medirse a 5 cm por encima del césped o de una superficie representativa de la localidad.
Si se realizan observaciones de las temperaturas mínimas del suelo desnudo, estas deberían obtenerse a 5 cm por encima del nivel natural del suelo desnudo.
Cuando el suelo esté cubierto de nieve, el termómetro debería situarse inmediatamente por encima de la superficie de la nieve, lo más cerca posible de esta, pero sin llegar a tocarla. En una estación en que la nieve sea persistente y de profundidad variable, puede utilizarse un soporte que permita subir o bajar el termómetro a fin de mantener la altura correcta por encima de la superficie de la nieve. Obviamente, esto exige una vigilancia continua para evitar que el termómetro quede tapado por la nieve. ¿Y qué pasa si esto llega a ocurrir? lamentablemente hay que descartar el valor; ya que la temperatura mínima pudo haber ocurrido cuando el termómetro quedó tapado de nieve; y la nieve funcionó como un conservador y el termómetro no registró dicho descenso de la temperatura.
Mientras cae nieve durante la noche, es necesario evitar que la parte sensible del termómetro, no quede tapado con acumulación de nieve; ya que se comportaría como si el termómetro estuviera tapado de nieve caída.

[David Met]

Pero instalar un termómetro en el lugar correcto, no implica que el trabajo se terminó ahí y ahora puedo relajarme en recibir los datos. Una vez funcionando, se debe garantizar la fiabilidad de los datos con el tiempo. Para ello se mencionan puntos a tener en cuenta, y a seguirlos con dedicación y seriedad. Recuerde, hasta el mejor sensor del mundo necesita mantenimiento y no solo lo que se hace a la hora de cuidar el sensor; sino el mantenimiento de garantizar que el lugar elegido siga cumpliendo con los requisitos. Por ejemplo, con el tiempo puede aparecer una construcción no prevista; y que degradará la clase de emplazamiento (antes vista), o el crecimiento de una vegetación que dejamos avanzar.

Fuentes de error: comentarios generales

Los errores en las mediciones de la temperatura pueden deberse a las causas siguientes:

• radiación directa e indirecta procedente de distintas fuentes, por ejemplo, el sol, las nubes, el suelo y los objetos y lagos circundantes;
• incertidumbre del sensor o del instrumento, así como mediciones eléctricas efectuadas con otros dispositivos técnicos en la cadena de datos;
• ventilación insuficiente de la garita (velocidad del viento por debajo de 1 m s−1), especialmente en condiciones de elevada radiación solar;
• enfriamiento psicrométrico debido a las superficies húmedas de la garita o del sensor;
• contaminación del sensor, por ejemplo, por polvo o rociones de mar;
• funcionamiento incorrecto, por ejemplo, por la imposibilidad de lograr un equilibrio estable o por errores de lectura del observador.

Es necesario que haya coherencia entre la constante de tiempo del sensor, el intervalo de tiempo para calcular la media y las necesidades relativas a los datos.
La propensión a presentar errores debidos a las causas anteriores, así como su gravedad, dependen del tipo de sensor de temperatura de que se trate.
A causa de su gran relevancia para las mediciones de la temperatura, los errores debidos a la radiación se examinan a continuación.
Este tipo de errores son fruto del calentamiento directo del termómetro por la radiación electromagnética que atraviesa el aire libremente. Los efectos de calentamiento se producen tanto por irradiación directa, a raíz de la luz visible que se filtra al interior del recinto del termómetro, como por irradiación térmica, a causa de las diferencias de temperatura entre el termómetro y sus alrededores. La absorción de radiación en esas dos bandas determina la magnitud de la "carga" radiativa a la que está sujeta un sensor. La carga está determinada por la intensidad de la irradiación en cada banda y la emisividad de la superficie del sensor, que generalmente varía con la longitud de onda de la irradiación. Sin embargo, la carga de calentamiento siempre se puede reducir al mínimo si se dispone una superficie pulida (es decir, brillante) de baja emisividad.
La medición de la temperatura del aire con sensores de contacto es particularmente sensible a la carga radiativa a causa del débil contacto térmico entre los sensores y el aire, especialmente cuando el aire se mueve lentamente. El flujo calorífico entre el termómetro y el aire se caracteriza por un coeficiente de transferencia calorífica h, que depende de la velocidad del aire que pasa por el termómetro y del diámetro de este. En una amplia gama de termómetros de forma cilíndrica o esférica, la transferencia calorífica es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad del aire que pasa por el termómetro y es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del diámetro del termómetro. Así, para cualquier velocidad del aire, el error causado por una carga calorífica radiante se reducirá a la mitad si el diámetro del sensor se reduce a una cuarta parte.
La intensidad del acoplamiento radiativo entre un termómetro y su entorno es más fuerte de lo que se suele considerar. Para los sensores cilíndricos con carcasa de acero inoxidable, una garita cuya temperatura supere en 3 °C la del aire, en una velocidad del viento de 0,1 m s−1, dará como resultado un error de ~0,5 °C para un sensor de 6 mm de diámetro, pero un error de solo ~0,2 °C si el sensor tiene 1 mm de diámetro.

Mantenimiento: comentarios generales

Deberían tenerse en cuenta los siguientes procedimientos de mantenimiento:

• Sensores y alojamientos deberían mantenerse limpios para reducir los errores debidos a la radiación.
• Si se utilizan garitas ventiladas artificialmente, el estado del ventilador debería comprobarse periódicamente, ya sea de forma manual o, preferiblemente, de forma automática.
• Todos los sensores de temperatura y, si procede, las interfaces eléctricas deben calibrarse con regularidad. Asimismo, deberían realizarse verificaciones sobre el terreno entre intervalos de calibración.
• Si se utilizan convertidores de señales analógicas a digitales, deberían someterse periódicamente a una prueba de resistencia óhmica para determinar si siguen cumpliendo los requisitos.

Los requisitos específicos en materia de mantenimiento aplicables a cada tipo concreto de termómetro descrito en el presente capítulo figuran en las secciones correspondientes.

[David Met]

Pluviómetro.

En las estaciones meteorológicas que se comercializan, están pensadas para ponerlas cerca del datalogger (registrador de datos); por encima del abrigo meteorológico o en un costado. Se caracteriza por se un lugar fácil para instalar el pluviómetro pero sacrifican precisión por comodidad (fácil instalación para el usuario). Algunos fabricantes dan un buen largo de cable (por suerte) para instalarlo más lejos y en un lugar mejor.
A diferencia del sensor de temperatura y humedad, la altura de la boca del pluviómetro no está estandarizado. Va a depender de cada país. Por ejemplo, en Argentina, lo colocamos a 1,5m del suelo. La elevación más común en más de 100 países varía entre 0,5 m y 1,5 m.

Elección del lugar.

Generalidades.

El viento es la principal fuente de alteración de las mediciones de la precipitación, a causa del efecto de los instrumentos sobre el flujo de aire. A no ser que el pluviómetro esté artificialmente protegido contra el viento, por ejemplo con un paravientos, los mejores emplazamientos a menudo se hallan en claros de bosques o de huertos, entre los árboles, en zonas de matorrales, o donde cualquier otro objeto actúe eficazmente como cortavientos, contrarrestando las corrientes que vengan de cualquier dirección. La condición ideal de una instalación consiste en colocar el equipo en un área que esté uniformemente rodeada de obstáculos de la misma altura. Un obstáculo es cualquier objeto con una anchura angular efectiva igual o superior a 10°.
La elección de este tipo de emplazamiento no es compatible con las restricciones referentes a la altura de otros equipos de medición. En la práctica, estas condiciones son muy poco realistas. Si los obstáculos no fueran uniformes, tendrían tendencia a generar turbulencias que podrían distorsionar las mediciones, y este efecto se intensificaría en caso de precipitación sólida. Por esta razón, criterios de elevación más realistas imponen que se mantengan ciertos obstáculos a una distancia determinada aunque, de forma deliberada, no se tenga en cuenta la orientación de dichos obstáculos respecto a la dirección dominante del viento. De hecho, las fuertes precipitaciones están a menudo asociadas con factores de convección, con lo cual la dirección del viento no es necesariamente la del viento dominante. Se considera que los obstáculos tienen una altura uniforme cuando el cociente entre la altura máxima y la mínima es inferior a 2.
Para la altura de los obstáculos se utiliza como referencia la altura de la superficie de captación del pluviómetro.

Clase 1

• Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a ⅓ (19°). El pluviómetro deberá estar rodeado de obstáculos bajos de altura uniforme, subyacente a ángulos de elevación de entre 14° y 26° (obstáculos a una distancia equivalente a entre 2 y 4 veces su altura).
• Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a ⅓ (19°). Con un pluviómetro artificialmente a resguardo contra el viento en una garita, el instrumento no necesita particularmente estar protegido por obstáculos de altura uniforme. En ese caso, cualquier otro obstáculo debe situarse a una distancia de al menos 4 veces su altura.

[David Met]

Clase 2 (incertidumbre adicional estimada: hasta un 5 %)

• Terreno plano, horizontal, rodeado de espacios abiertos, con una pendiente inferior a ⅓ (19°).
• Los posibles obstáculos deben situarse a una distancia de al menos dos veces su altura (con respecto a la altura de la superficie de captación del pluviómetro).