Relevante WMO-Anforderungen an Sensor und Messgerät
Die WMO definiert in ihrem «Guide to Instruments and Methods of Observation» () verbindliche Anforderungen an die Messung der Lufttemperatur. Für den Vergleich mit den eingesetzten Geräten sind die unten aufgeführten Grössen relevant (Ausschnitt aus Annex1.A der oben erwähnten Publikation). Die WMO unterscheidet dabei zwischen zwei Messaufgaben: der kontinuierlichen Messung der Lufttemperatur und der Erfassung von Extremtemperaturen.
| Anforderung | Lufttemperatur | Extremtemperaturen | Bemerkung |
|---|---|---|---|
| Messbereich | −80 bis +60 °C | −80 bis +60 °C | |
| Auflösung | 0.1 K | 0.1 K | Mindestauflösung der ausgegebenen Werte |
| Messunsicherheit ≤ −40 °C | 0.3 K | 0.5 K | |
| Messunsicherheit −40 bis +40 °C | 0.1 K | 0.3 K | Kernbereich |
| Messunsicherheit > +40 °C | 0.3 K | 0.5 K | |
| Zeitkonstante | 20 s | 20 s | τ₆₃%; hängt von Luftströmung am Sensor ab |
| Mittelungszeit der Ausgabe | 1 min | 1 min | Minimum; bis 10 min akzeptabel |
| Erreichbare Messunsicherheit | 0.2 K | 0,2 K | Realistischer Wert unter Feldbedingungen; wird durch Design des Strahlungsschutzgehäuses beeinflusst |
Die Anforderungen gelten für die Gesamtmessunsicherheit — also Sensor, Datenerfassung und Signalverarbeitung einschliesslich des Einflusses des Strahlungsschutzes. Da Sensor und Strahlungsschutz unterschiedliche Fehlerquellen einbringen, werden sie in den folgenden Abschnitten zunächst getrennt bewertet; die Gesamtbilanz erfolgt im Abschnitt zur Gesamtkonfiguration.
Die empfohlene Zeitkonstante von etwa 20 Sekunden stellt sicher, dass kurzfristige Temperaturschwankungen geglättet werden, ohne dabei langsame Trends zu verzögern. Eine zu kurze Zeitkonstante erfordert zusätzliche Mittelwertbildung; eine zu lange führt zu systematischer Verzögerung bei raschen Temperaturänderungen und kann insbesondere Minima und Maxima dämpfen.
Vergleich Messgerät – Anforderungen
Die nachstehende Tabelle stellt die aktuell an den Stationen von kaltluftseen.ch eingesetzte Gerätekombination (Decentlab DL-SHT35 mit Sensirion SHT35) den WMO-Anforderungen gegenüber. Bewertet werden die sensorspezifischen und gerätetechnischen Eigenschaften. Der Einfluss des Strahlungsschutzes wird im folgenden Abschnitt behandelt; die Gesamtbilanz ergibt sich erst aus der Kombination beider Bewertungen.
| Anforderung | Lufttemperatur | Extremtemperaturen | Decentlab DL-SHT35 |
|---|---|---|---|
| Auflösung | 0.1 K | 0.1 K | 0.01 °C |
| Messunsicherheit ≤ −40 °C | 0.3 K | 0.5 K | ±0,2 °C (typisch) |
| Messunsicherheit −40 bis +40 °C | 0.1 K | 0.3 K | ±0.1 °C (typisch, 20–60 °C) / ±0,2 °C (typisch, bei −40 °C) |
| Messunsicherheit > +40 °C | 0.3 K | 0,5 K | ±0,2 °C (typisch) |
| Zeitkonstante | 20 s | 20 s | Chip: >2 s |
| Mittelungszeit der Ausgabe | 1 min | 1 min | Aktuell: Einzelwert (2-min-Intervall) |
| Betriebsbereich | −80 bis +60 °C | −80 bis +60 °C | Gerät: −20 bis +50 °C spezifiziert; Chip: −40 °C; Feldbetrieb bis −42.4 °C dokumentiert. |
| Kalibrierung | Rückverfolgbar, regelmässig | Rückverfolgbar, regelmässig | Werksseitig NIST-rückverfolgbar; keine Feldkalibrierung |
Diskussion des Erfüllungsgrades
Auflösung: Mit einer digitalen Auflösung von 0.01 °C wird die Anforderung ohne Einschränkung erfüllt.
Messunsicherheit: Der SHT35 wird von Sensirion werksseitig gegen einen Taupunktspiegel kalibriert und ist NIST-rückverfolgbar. Die angegebene typische Genauigkeit entspricht dem μ±2σ-Bereich eines Produktionslots — rund 95 % aller ausgelieferten Sensoren liegen innerhalb dieser Grenzen.
Für die kontinuierliche Messung der Lufttemperatur gilt: Im Bereich 20–60 °C ist die typische Toleranz ±0.1 K und die Anforderung erfüllt. Zwischen 20 °C und 0 °C steigt die typische Toleranz auf ±0.2 K an und bleibt dann bis –40 °C konstant. Hier ist die Anforderung knapp nicht mehr erfüllt. Eine regelmässige Feldkalibrierung, die eine allfällige Drift aufdecken würde, kann aus Kostengründen nicht durchgeführt werden.
Für die abgeleiteten Temperaturminima ergibt sich ein günstigeres Bild: Die typische Toleranz des SHT35 von ±0.2 K bei –40 °C liegt innerhalb der Anforderung.
Zeitkonstante: LDie Zeitkonstante des SHT35-Sensors von Sensirion beträgt laut Datenblatt >2 s — der Chip allein erfüllt die Anforderung damit problemlos. Zu bedenken ist jedoch, dass der Sensor durch eine Filterkappe geschützt ist und diese wiederum in einem Strahlungsschutzgehäuse (MeteoShield Pro von Barani) angebracht ist. Beide Elemente tragen zu einer Verlangsamung des Temperaturausgleich zwischen Aussenluft und Sensor bei. Somit ist von einer etwas längeren Zeitkonstante für das Gesamtsystem und einem leicht dämpfenden Effekt auf Minima bzw. Maxima auszugehen.
Mittelungszeit der Ausgabe: Das Gerät ist so konfiguriert, dass Messintervall und Sendeintervall übereinstimmen und auf 2 Minuten festgelegt sind. Es findet somit keine Mittelung, sondern eine Einzelwertübermittlung statt. Streng genommen ist die Anforderung somit nicht erfüllt. Eine Anpassung der Gerätekonfiguration wird geprüft (Messfrequenz von 20 Sekunden, was der geforderten Zeitkonstante der WMO entspricht).
Betriebsbereich Der spezifizierte Betriebsbereich des Decentlab DL-SHT35 (Elektronik und Gehäuse) endet bei –20 °C; der SHT35-Sensorchip selbst ist bis –40 °C spezifiziert. Diese Angabe ist formal relevant, relativiert sich angesichts der Fehlddaten deutlich. Die Felddaten des Messjahres 2025/26 zeigen, dass beide Stationen Temperaturen bis unter –37 °C ohne Datenlücken, Ausfälle oder auffälligen Batterieabfall erfasst haben. Die Batteriespannung lag bei allen über 1200 Messwerten unter –30 °C am Sägistalsee durchgehend über 2.7 V. Systematische Messfehler unterhalb des spezifizierten Betriebsbereichs — etwa durch veränderte Charakteristik der internen Signalverarbeitung des Sensorchips — sind durch die vorliegenden Daten weder belegbar noch ausschliessbar. Für eine abschliessende Beurteilung wäre ein Feldvergleich mit einem kalibrierten Referenzthermometer bei Temperaturen von <–40 °C erforderlich.
Kalibrierung Der SHT35 wird werksseitig kalibriert und ist NIST-rückverfolgbar, was die Grundanforderung einer rückverfolgbaren Erstkalibrierung erfüllt. Eine regelmässige Feldkalibrierung findet wie erwähnt aus Ressourcengründen nicht statt. Der Hersteller gibt eine maximale Langzeitdrift von <0.03 K/Jahr an, was rechnerisch auch über mehrere Jahre innerhalb der Anforderungen bleibt — eine unabhängige Feldverifikation dieser Angabe fehlt jedoch.
Bewertung der Gesamtkonfiguration (Sensor + Strahlungsschutz)
Zur Abschirmung des Temperatursensors kommt ein Barani MeteoShield Pro zum Einsatz, es handelt sich um einen passiv ventilierten (naturbelüfteten) Doppelhelix-Strahlungsschutz
Die WMO stellt fest, dass es keinen definierten Referenzstandard für Strahlungsschirme gibt und empfiehlt stattdessen den direkten Vergleich zwischen verschiedenen Schirmtypen. Im vorliegenden Kontext besonders relevant ist der Feldvergleich des Königlich Meteorologischen Instituts Belgiens (RMI), der den Barani über ein Jahr mit einem aktiv belüfteten Stevenson-Screen als Referenz verglich .
Im RMI-Vergleich wies er eine mittlere Abweichung von nahe 0.0 K gegenüber dem aktiv belüfteten Referenzschirm auf, mit einer Standardabweichung von 0.13 K — besser als der ebenfalls aktiv belüftete kompakte RMI-Strahlungsschutz (Standardabweichung 0.24 K). Der Hersteller gibt eine mittlere Überwärmung von 0.1 K bei Strahlungsintensitäten über 800 W/m² und Windgeschwindigkeiten unter 1 m/s an.
Im Fokus steht das Verhalten, wenn tiefe Minima registriert werden: Diese treten typischerweise bei Windstille in der Nacht oder am Morgen auf. Unter diesen Bedingungen ist die Belüftung des Strahlungsschutzes minimal. Die kurzwellige Einstrahlung durch die Sonne fällt weg, aber Strahlungsfehler durch langwellige Abstrahlung von Boden und Umgebung können nicht vollständig ausgeschlossen werden. Nach dem RMI-Vergleich sind diese Fehler jedoch als gering einzustufen: Die Barani-Schirme zeigten dort auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten keine systematische Überwärmung, die nächtliche Strahlungsabkühlung verlief für alle verglichenen Strahlungsschutztypen gleichförmig.
Unter Berücksichtigung beider Komponenten — Sensor und Strahlungsschutz — erreicht die Kombination Decentlab DL-SHT35 + Barani MeteoShield Pro unter typischen Feldbedingungen eine Gesamtmessunsicherheit, die der WMO-Anforderung an die erreichbare Unsicherheit von 0.2 K nahekommt oder diese erfüllt. Für die Erfassung von Temperaturminima kann die Gesamtkonfiguration als geeignet beurteilt werden.
Eine vollständige messtechnische Validierung — etwa durch einen Parallelvergleich mit einem kalibrierten Referenzgerät unter Feldbedingungen oder durch eine akkreditierte Standortinspektion — würde eine abschliessende Beurteilung erlauben. Dies ist im Rahmen eines privat finanzierten Projekts jedoch weder zeitlich noch finanziell realisierbar.
Mit der Dokumentation der Messkonfiguration wird transparent dargelegt, wie die Messungen zustande kommen und erlaubt Nutzerinnen und Nutzern deren Einordnung.
Ausblick: Standortbewertung
Die obige Bewertung beschränkt sich auf die messtechnischen Eigenschaften der eingesetzten Geräte und Strahlungsschirme. Eine vollständige Beurteilung der Messqualität erfordert zusätzlich die Bewertung der Standortklassifikation nach WMO : Exposition, Untergrund, Messhöhe über Grund, Abstand zu störenden Objekten und Repräsentativität des Messfelds. Dieser Aspekt wird zu einem späteren Zeitpunkt dokumentiert.