1、大氣探測(cè)學(xué)課程報(bào)告1. 自動(dòng)氣象站概述自動(dòng)氣象站( AWS)是一種能自動(dòng)探測(cè)和存儲(chǔ)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的電子設(shè)備, 主要由系統(tǒng)電源、采集器、通訊接口、傳感器等組成。為了實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控及維護(hù)，還須配置遠(yuǎn)程 監(jiān)控軟件，將野外自動(dòng)氣象站與中心站聯(lián)接，形成自動(dòng)氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如果需要，可 直接或在中心站編發(fā)氣象報(bào)告，也可以按業(yè)務(wù)需求編制各類(lèi)氣象報(bào)表。自動(dòng)氣象站有不同的分類(lèi)方法： (1) 按提供數(shù)據(jù)的時(shí)效性，通常分成實(shí)時(shí)自動(dòng)氣象站和 非實(shí)時(shí)自動(dòng)氣象站兩類(lèi)。實(shí)時(shí)自動(dòng)氣象站：能按規(guī)定的時(shí)間實(shí)時(shí)提供氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng) 氣象站。非實(shí)時(shí)自動(dòng)氣象站：只能定時(shí)記錄和存儲(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)，但不能實(shí)時(shí)提供氣象觀測(cè)數(shù) 據(jù)的自動(dòng)氣象站

2、。 (2) 根據(jù)對(duì)自動(dòng)氣象站人工干預(yù)情況也可將自動(dòng)氣象站分為有人自動(dòng)站和 無(wú)人自動(dòng)站2自動(dòng)氣象站基本原理自動(dòng)氣象站工作時(shí)，隨著氣象要素值的變化，各傳感器的感應(yīng)元件輸出的電量產(chǎn)生變 化，這種變化量被 CPU實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)采集器所采集，經(jīng)過(guò)線性化和定量化處理，實(shí)現(xiàn)工 程量到要素量的轉(zhuǎn)換，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得出各個(gè)氣象要素值，并按一定的格式存儲(chǔ)在 采集器中。在配有計(jì)算機(jī)的自動(dòng)氣象站，實(shí)時(shí)將氣象要素值顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，并按規(guī) 定的格式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)上。在定時(shí)觀測(cè)時(shí)刻，還將氣象要素值存入規(guī)定格式的定時(shí) 數(shù)據(jù)文件中。根據(jù)業(yè)務(wù)需要實(shí)現(xiàn)各種氣象報(bào)告的編發(fā)，形成各種氣象記錄報(bào)表和氣象數(shù)據(jù) 文件。通過(guò)對(duì)自動(dòng)

3、站運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析, 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)站的遠(yuǎn)程監(jiān)控。自動(dòng)氣象站基本原理如圖 1 所示。1.2 自動(dòng)氣象站硬件組成自動(dòng)氣象站由硬件和系統(tǒng)軟件組成，硬件包括傳感器、采集器、通訊接口、系統(tǒng)電源、 計(jì)算機(jī)等，系統(tǒng)軟件有采集軟件和地面測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)軟件。為了實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，還須配 置遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，將自動(dòng)氣象站與中心站聯(lián)接形成自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)。自動(dòng)氣象站有多種類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)基本相同，主要由傳感器、采集器、系統(tǒng)電源、通信 接口及外圍設(shè)備(計(jì)算機(jī)、打印機(jī))等組成。1.2.1 傳感器傳感器是能夠感受被測(cè)氣象要素的變化并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換器組成。自動(dòng)氣象站常用的傳感器有： 氣壓

4、振筒式氣壓傳感器、膜盒式電容氣壓傳感器 氣溫鉑電阻溫度傳感器濕敏電容濕度傳感器風(fēng)向單翼風(fēng)向傳感器風(fēng)速風(fēng)杯風(fēng)速傳感器雨量翻斗式量傳感器蒸發(fā)超聲測(cè)距傳感器輻射熱電堆式傳感器地溫鉑電阻地溫傳感器日照 表、雙片日照傳感器1.2.2 數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器是自動(dòng)氣象站的核心，其主要功能是數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù) 據(jù)傳輸。其主要技術(shù)性能為：采集器的電源能保證采集器至少7 天正常工作，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器至少能存儲(chǔ) 3 天的每分鐘氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量和下表列各項(xiàng)目的 每小時(shí)正點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，能在計(jì)算機(jī)中形成規(guī)定的數(shù)據(jù)文件。時(shí)鐘誤差不超過(guò)30 秒 / 月。系統(tǒng)電源自動(dòng)氣象站需要具備高穩(wěn)定性、無(wú)干擾

5、的系統(tǒng)電源。在有市電的地方，使用市電，并 對(duì)備用電池充電，以備市電出現(xiàn)故障時(shí)使用。若使用計(jì)算機(jī)，則還配備不間斷電源（UPS）和后備電池。在無(wú)市電的地區(qū)，自動(dòng)氣象站可用電池供電，這時(shí)，可用輔助電源對(duì)電池充 電?？勺鬏o助電源的有：柴油或汽油發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板等。通信接口聯(lián)接采集器與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與中心站、采集器與中心站等的通信聯(lián)接設(shè)備。外圍設(shè)備根據(jù)不同的需要，配置的外圍設(shè)備有：計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、顯示器等。1.3 自動(dòng)氣象站軟件組成 自動(dòng)氣象站的系統(tǒng)軟件包括采集軟件和業(yè)務(wù)軟件。為了實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，還須配 置遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件。1.3.1 采集軟件采集軟件由廠家提供，寫(xiě)在采集器中。必須遵守地

6、面氣象觀測(cè)規(guī)范及其它氣象技術(shù)規(guī) 定。其主要功能有：接受和響應(yīng)業(yè)務(wù)軟件對(duì)參數(shù)的設(shè)置和系統(tǒng)時(shí)鐘的調(diào)整（時(shí)鐘也可在采集器上直接調(diào) 整，但必須保證采集器和計(jì)算機(jī)時(shí)鐘一致）；實(shí)時(shí)和定時(shí)采集各傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)計(jì)算、處理形成各氣象要素值；存儲(chǔ)、顯示和傳輸各氣象要素值；大風(fēng)報(bào)警；運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。1.3.2 業(yè)務(wù)軟件業(yè)務(wù)軟件根據(jù)地面氣象業(yè)務(wù)的需要編制，由國(guó)務(wù)院氣象主管機(jī)構(gòu)頒發(fā)。其主要功能包括： 參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、定時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編發(fā)氣象報(bào)告、數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)審核、報(bào)表編 制，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)文件等。1.4 采樣和算法1.4.1 采樣自動(dòng)站的數(shù)據(jù)采樣在采集器中完成，采樣順序：氣溫、濕度、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速、 氣

7、壓、地溫、輻射、日照、蒸發(fā)。氣溫、濕度、氣壓、地溫、輻射的采樣速率為每分鐘 6 次，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最 小值，余下的 4 次采樣值求算術(shù)平均。 1 分鐘平均值為瞬時(shí)值。風(fēng)向、風(fēng)速的采樣速率為每秒鐘 1次，求 3秒鐘、 2 分鐘、 10 分鐘的滑動(dòng)平均值。 3 秒鐘的平均值為瞬時(shí)值。降水量、蒸發(fā)量和日照時(shí)數(shù)的采樣速率為每分鐘 1 次。平均值在等時(shí)間間隔內(nèi)取得，時(shí)間間隔不能超過(guò)傳感器的時(shí)間常數(shù)1.4.2 算法 平均值氣溫、濕度、氣壓、地溫、輻射均為 1 分鐘內(nèi)有效采樣值的算術(shù)平均。風(fēng)速以 1 秒鐘為步長(zhǎng)，求 3 秒鐘的滑動(dòng)平均值；以 1秒鐘為步長(zhǎng)，求 1分鐘和 2 分鐘 滑動(dòng)平均風(fēng)速；以 1

8、分鐘為步長(zhǎng)，求 10分鐘滑動(dòng)平均風(fēng)速。極值選取最大風(fēng)速?gòu)?10 分鐘平均風(fēng)速值中選取其它要素的極值（含極大風(fēng)速）均從瞬時(shí)值中選取。降水量、日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量、輻射均計(jì)算累計(jì)值2. 自動(dòng)氣象站描述指標(biāo)（地面氣象觀測(cè)規(guī)范 ）自動(dòng)氣象站需要采集氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、蒸發(fā)量、日照、輻射、地溫等全部或部分氣象要素。自動(dòng)氣象站作為地面氣象觀測(cè)儀器應(yīng)滿足的的一般要是：（1）具有業(yè)務(wù)主管部門(mén)頒發(fā)的使用許可證，或經(jīng)業(yè)務(wù)主管部門(mén)審批同意用于觀測(cè)業(yè) 務(wù)；（2）準(zhǔn)確度滿足規(guī)定的要求；（3）可靠性高，保證獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)可信；（4）儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢靠耐用，能維持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行；（ 5 ）操作和維護(hù)方便，具有詳

9、細(xì)的技術(shù)及操作手冊(cè)2.1 自動(dòng)氣象站基本技術(shù)性能地面氣象觀測(cè)站使用的自動(dòng)氣象站基本技術(shù)性能應(yīng)符合表1 的要求。準(zhǔn)確度表示測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值的一致程度，一般表示為95置信水平的不確定度2 倍標(biāo)準(zhǔn)差）。測(cè)量范圍。在保證主要技術(shù)性能情況下，儀器能測(cè)量的被測(cè)量的量值范圍。 分辨力。 儀器測(cè)量時(shí)能給出的被測(cè)量量值的最小間隔。響應(yīng)時(shí)間（滯后系數(shù)）。被測(cè)量值階躍變化后，儀器測(cè)量值達(dá)到最終穩(wěn)定值的不同百 分比所需要的時(shí)間。其中達(dá)到 63.2 所需的時(shí)間稱(chēng)為儀器的時(shí)間常數(shù)。平均時(shí)間。求被測(cè)量平均值的固定時(shí)間段。 采樣速率。自動(dòng)觀測(cè)時(shí)獲取被測(cè)量數(shù)據(jù) 的時(shí)間間隔2.2 自動(dòng)氣象站其他技術(shù)要求（自動(dòng)氣象站通用技術(shù)規(guī)

10、范）2.2.1 缺測(cè)率要求缺測(cè)率是從人工氣象站與自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料對(duì)比得到的數(shù)據(jù)觀測(cè)缺失比率，自動(dòng) 氣象站通用技術(shù)規(guī)范要求缺測(cè)率不大于2%。2.2.2 粗差率要求粗差率是從人工氣象站與自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料對(duì)比得到的粗大誤差率，要求不大于5%。2.2.3 采集器溫度飄移采集器測(cè)量溫度這一氣象變量時(shí)，在環(huán)境溫度范圍內(nèi)，采集器溫度示值的飄移不大于0.1 。3. 自動(dòng)氣象站檢定標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)咨詢中國(guó)氣象局辦公室陳主任及地面觀測(cè)處張雪芬處長(zhǎng)了解到：1. 用于國(guó)內(nèi)氣象觀測(cè)的自動(dòng)氣象站必須具備中國(guó)氣象局頒發(fā)的使用許可證書(shū)，江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所， 北京華云技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，長(zhǎng)春氣象儀器廠等廠家生產(chǎn)的自動(dòng)氣象站都具有使用

11、許可證書(shū)； 2. 自動(dòng)氣象站考核。中國(guó)氣象局頒發(fā)使用許可證書(shū)前，會(huì)對(duì)自動(dòng)氣象站的可靠性、穩(wěn)定性、 可靠運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行考核，所以具有使用許可證書(shū)的自動(dòng)氣象站都符合考核標(biāo)準(zhǔn)。 3. 檢定時(shí) 間。由于傳感器精度要求很高，所以需要定期進(jìn)行檢定。國(guó)內(nèi)溫壓濕風(fēng)傳感器檢定周期為 一年，使用維薩拉公司的氣壓傳感器檢定周期為半年，檢定由當(dāng)?shù)貧庀缶值挠?jì)量部門(mén)進(jìn)行。4. 數(shù)據(jù)共享。安裝在海外的自動(dòng)氣象站采集到的氣象數(shù)據(jù)資料建議上傳到相關(guān)氣象網(wǎng)站世界氣象組織（ WM）O儀器與觀測(cè)方法委員會(huì)（ CIMO）注：測(cè)量要素欄中列出的是一些基本量。測(cè)量范圍欄中給出的是大多數(shù)測(cè)量要素的一般變化范圍，限區(qū)取決于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l 件。 告

12、的分辯力欄中給出的是電碼手冊(cè)確定的必須遵守的分辯力。要求的準(zhǔn)確度欄中給出的是通常已獲使用的推薦的準(zhǔn)確度要求。個(gè)別應(yīng)用可以低于嚴(yán)格 的要求。要求的準(zhǔn)確度的確定值表示報(bào)告值相對(duì)于真值的不確定度。3. 應(yīng)用可用于氣象，工業(yè)，農(nóng)業(yè)，水文水利，環(huán)保，高速公路，機(jī)場(chǎng)和港口等 氣象：為人們提供天氣預(yù)報(bào)。工業(yè)：監(jiān)控環(huán)境污染，檢測(cè)工業(yè)污染情況。 農(nóng)業(yè)：提供天氣情況，為其做好災(zāi)害提醒。 水文水利：水資源利用，防水災(zāi)。環(huán)保：污染分析，預(yù)警。 高速公路：監(jiān)控天氣情況，預(yù)防極端天氣對(duì)道路交通的危害。 機(jī)場(chǎng)和港口：對(duì)天氣情況提供預(yù)警，飛行安全分析，航行安全分析。4.數(shù)字化自動(dòng)氣象站數(shù)字化自動(dòng)氣象站是由電子設(shè)備或計(jì)算機(jī)控制

13、的自動(dòng)進(jìn)行氣象觀測(cè)和資料收集傳輸?shù)?氣象站，通常有以下三種形式：有線遙測(cè)自動(dòng)氣象站 儀器的感應(yīng)部分與接收處理部分相隔幾十米到幾公里，其間用有線通信電路傳輸。由 氣象傳感器、接口電路、微機(jī)系統(tǒng)、通訊接口等組成。傳感器將氣象信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)由 接口電路輸出。微機(jī)系統(tǒng)是它的心臟，負(fù)責(zé)處理接口及觀測(cè)員通過(guò)鍵盤(pán)輸入的信號(hào),并將處理結(jié)果輸出顯示、打印、存盤(pán)，也可通過(guò)接口送到信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)。這種自動(dòng)站早期用 于實(shí)時(shí)查詢氣象資料 ,現(xiàn)在逐漸取代氣象站日常主要觀測(cè)工作。無(wú)線遙測(cè)氣象站 又稱(chēng)無(wú)人氣象站。它包括測(cè)量系統(tǒng)、程序控制和發(fā)射系統(tǒng)、電源三部分組成。氣象要 素轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的方式常見(jiàn)有機(jī)械編碼式和低頻調(diào)制式兩種，前者多使用機(jī)械位移的感應(yīng) 元件 ,使指針在碼盤(pán)上位移而發(fā)出不同的電碼；后者多使用電參量輸出感應(yīng)元件，使它產(chǎn)生 一個(gè)低頻變化的信號(hào) ,然后將此信號(hào)載于射頻上發(fā)射。無(wú)人氣象站通常能連續(xù)工作一年左右， 每天定時(shí)觀測(cè) 424 次?？稍?1000 公里之外的控制中心指令或接收它拍發(fā)的電報(bào),也可利用收集和轉(zhuǎn)發(fā)它拍發(fā)的資料。該站通常安置在、高山、（漂浮式或固定式 ）等人煙稀少的地區(qū)，用于填補(bǔ)地面氣象觀測(cè)網(wǎng)的空白處。長(zhǎng)期自動(dòng)氣象站 長(zhǎng)