Étalonnage et évaluation de la qualité des données

Les capteurs ont été testés sur le terrain pour évaluer leur fiabilité et leur étalonnage dans diverses conditions atmosphériques. Avant les essais sur le terrain, les capteurs ont été étalonnés dans un environnement contrôlé. Les résultats des tests d'étalonnage des capteurs de température, de pression et d'humidité relative (HR) étaient tous conformes aux spécifications du fabricant en laboratoire. Le pluviomètre à augets basculants présentait une erreur inférieure à 5 % pour des intensités de pluie simulées de 0,1 à 30 mm/h. L'anémomètre 3-coupes 3D-PAWS et les capteurs de girouette ont été testés et étalonnés dans la soufflerie NOAA au centre de test NOAA. Des tests de résistance ont été effectués jusqu'à des vitesses maximales de 70 m/s. L'anémomètre à 3 coupelles a très bien fonctionné à des vitesses de vent de type « ouragan ». La girouette 3D-PAWS a également été testée sur la même plage de vitesses de vent. Les tests ont indiqué que les mesures de la direction du vent étaient cohérentes sur l'ensemble de la plage de vitesses.

L'évaluation sur le terrain des capteurs a été réalisée au NCAR Marshall Research Facility à Boulder, CO et au NOAA Testbed Center à Sterling, VA. Les observations des capteurs ont été comparées à des capteurs de référence commerciaux étalonnés. Le tableau 2 montre les capteurs de référence utilisés dans l'évaluation. Pour l'analyse, les observations de référence ont été appariées à une résolution d'1 minute afin de calculer les estimations d'erreur des capteurs 3D-PAWS. Les observations ont été évaluées pour la période : juin 2016 – mars 2017. Les périodes d'évaluation ont varié en fonction de la disponibilité des données de chaque capteur. Des comparaisons ont été effectuées pour déterminer d'éventuelles dépendances environnementales des résultats. Par exemple, les capteurs ont été stratifiés jour/nuit et par saison (par ex. saison chaude/saison froide) pour évaluer d'éventuelles dépendances de l'erreur de mesure.

Tableau 2 : Capteurs de référence utilisés dans l'évaluation.

Banc d'essai NCAR	Banc d'essai NOAA
Température : capteur Campbell Scientific série 500 Pression : Vaisala PTB101B Humidité : capteur Campbell Scientific série 500 Vitesse du vent : anémomètre RM Young 05108 Direction du vent : anémomètre RM Young 05108 Précipitations : pluviomètre à pesée Geonor T-200	Température : hygrothermomètre Technical Services Laboratory 1088 Pression : baromètre numérique de précision Coastal Environmental Systems PDB-1 Humidité : hygrothermomètre Technical Services Laboratory 1088 Vitesse du vent : capteur de vent sans glace Vaisala, Inc. 425NWS Direction du vent : capteur de vent sans glace Vaisala, Inc. 425NWS Précipitations : pluviomètre à pesée OTT AWPAG

Les observations de température ont été évaluées pour le NCAR Marshall Research Facility et pour le site NOAA Testbed. Les deux sites ont montré des erreurs de mesure similaires. Les résultats du NCAR Marshall Research Facility pour toutes les observations, les observations diurnes et les observations nocturnes sont présentés (Fig. 3). La période d'étude s'étendait de juin 2016 à mars 2017. Trois capteurs de température (BMP180, HTU21D et MCP9808) sont intégrés au système 3D-PAWS. Les trois capteurs sont en bon accord avec le capteur de référence étalonné. L'erreur pour l'ensemble des mesures est de ±0,57 °C. L'erreur est légèrement plus grande pour les observations diurnes et plus faible pendant la nuit. Cela est attendu en raison du chauffage solaire sur le bouclier radiatif pendant la journée. Globalement, les capteurs de température 3D-PAWS présentent de bonnes performances sur la plage de valeurs (-25° à 37° C) observée au Colorado.

Figure 3. Évaluation des capteurs de température. De gauche à droite : Toutes les données, observations diurnes, observations nocturnes.

La pression barométrique de la station a été évaluée sur les deux sites avec des performances similaires observées. Les observations du NCAR Marshall Research Facility sont montrées comme référence (Fig. 4). Le capteur de pression 3D-PAWS (BMP180) est bien comporté. L'erreur observée pour l'ensemble des mesures durant la période de juin 2016 à mars 2017 était de ±0,49 hPa. Les observations stratifiées par moment de la journée montrent une erreur légèrement plus grande (±0,53 hPa) pendant la journée et plus faible la nuit (±0,37 hPa). Cela est probablement dû au chauffage et aux plus grandes variations de température observées pendant les heures diurnes.

Figure 4. Évaluation du capteur de pression atmosphérique. De gauche à droite : Toutes les données, observations diurnes, observations nocturnes.

Les capteurs d'humidité relative ont été évalués au NCAR Marshall Research Facility et sur le site NOAA Testbed (Fig. 5). Les deux sites ont observé un comportement similaire des performances des capteurs (les résultats du site Marshall sont montrés ci‑dessous). La comparaison pour l'ensemble des mesures appariées avec le capteur de référence pour la période de juin 2016 à mars 2017 est montrée dans le panneau de gauche. L'erreur moyenne issue de l'analyse est de ±5,7 %. Cependant, il y a une grande dispersion dans les plages d'humidité moyennes (20-80 %) et un biais négatif observé aux faibles (< 10 %) et hauts (> 90 %) taux d'humidité relative. Les observations nocturnes ont montré une erreur légèrement moindre (±4,87 %) comparé aux mesures diurnes (±5,98 %). Toutefois, la forme du nuage de points et les erreurs sont presque identiques. Le graphique montre un comportement occasionnel étrange avec soit le 3D-PAWS et/ou le capteur de référence, probablement dû à la condensation sur le capteur.

Figure 5. Évaluation du capteur d'humidité relative. De gauche à droite : Toutes les données, observations diurnes, observations nocturnes.

Les performances des observations de la vitesse et de la direction du vent ont été évaluées (non montrées). Pour la vitesse du vent, l'erreur de mesure a été calculée à ±0,87 m/s. Les observations nocturnes présentaient des erreurs d'observation (±0,79 m/s) légèrement inférieures aux erreurs diurnes (±0,94 m/s). Les résultats montrent que le capteur 3D-PAWS était en accord avec le capteur de référence pour le vent prédominant observé. L'erreur mesurée était inférieure à ±5°.

Les précipitations mesurées par le pluviomètre à augets basculants 3D-PAWS ont été comparées au pluviomètre à pesée de référence du NOAA Testbed (Fig. 6). Les précipitations ont été comparées pour la période d'octobre 2016 à mars 2017. Environ 200 mm de pluie ont été enregistrés sur le site. Il y a une bonne concordance entre les jauges pour l'accumulation totale. De petites différences sont observées pour des événements de précipitation individuels. Ces différences sont probablement attribuées au vent et aux erreurs de taux de précipitation.

Figure 6. Accumulation des précipitations observée par le pluviomètre à augets basculants 3D-PAWS et le capteur de référence pluviométrique à pesée NOAA.

Le tableau 4 fournit un résumé des caractéristiques de mesure et des performances des capteurs pendant l'évaluation. Globalement, les capteurs se sont bien comparés aux capteurs de référence étalonnés. La seule exception est la performance du capteur d'humidité relative qui présente un biais aux humidités élevées et faibles et des erreurs plus importantes que prévu dans la plage moyenne. Un nouveau capteur d'humidité relative est en cours d'évaluation.

Tableau 4 : Résumé de l'évaluation des capteurs.

Paramètre	Résolution	Incertitude
Température (°C)	0,1 °C	±0,4 °C
Pression (hPa)	0,1 hPa	±0,4 hPa
Humidité relative (%)	1 %	±5,7 %
Vitesse du vent (m/s)	0,1 m/s	±0,8 m/s
Direction du vent (deg)	1 deg	±5 deg
Précipitations (mm)	0,2 mm	10%