1?自動(dòng)氣象站機(jī)場(chǎng)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)是由一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理中心和若干場(chǎng)外傳感器組成。整個(gè)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，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。軟件有采集軟件和地面測(cè)報(bào)業(yè)務(wù)軟件。傳感器是能感受被測(cè)氣象要素的變化并按一定規(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：風(fēng)速表，用以量度飛機(jī)在跑道起飛及降落時(shí)所遇到的風(fēng)向和風(fēng)速；跑道視程投射表；氣壓、振筒式氣壓傳感器；氣溫、鉑電阻溫度傳感器；濕度、濕度電容濕度傳感器；雨量、翻斗式雨量傳感器；地溫、鉑電阻地溫傳感器。氣壓振筒式氣壓傳感器、膜盒式電容氣壓傳感器氣溫一一鉑電阻溫度傳感器濕度濕敏電容濕度傳感器風(fēng)向一一單翼風(fēng)向傳感器風(fēng)速一一風(fēng)杯風(fēng)速傳感器雨量一一翻斗式雨量傳感器蒸發(fā)一一超聲測(cè)距蒸發(fā)量傳感器輻射一一熱電堆式輻射傳感器地溫一一鉑電阻地溫傳感器日照一一直接輻射表、雙金屬片日照傳感器工作原理：隨著氣象要素值的變化，自動(dòng)氣象站各傳感器的感應(yīng)元件輸出的電量發(fā)生變化，這種變化量被CPU實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(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。風(fēng)速傳感器的風(fēng)速感應(yīng)元件為一碳纖維三杯式風(fēng)杯組件。信號(hào)變換電路為光電轉(zhuǎn)換器，風(fēng)組帶著轉(zhuǎn)軸下端的一個(gè)多狹縫光柵盤一起旋轉(zhuǎn)，光柵盤與一個(gè)紅外發(fā)光管固定板和一個(gè)硅光敏三極管及光電轉(zhuǎn)換整形電路的固定板組成一個(gè)光斷續(xù)器將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)變換成光電脈沖，風(fēng)杯組每旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，光柵盤使光束斷續(xù)通過(guò)n次,使光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生n個(gè)脈沖輸出。風(fēng)杯組旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系成正比因此輸出的脈沖頻率也是同風(fēng)速成正比的，其關(guān)系式為：V=a+bF式中:V為風(fēng)速（m/s）;a,b為風(fēng)速常數(shù)，傳感器類型不同常數(shù)亦不同;F為風(fēng)杯角頻率（輸出脈沖頻率值）。風(fēng)向傳感器采用對(duì)稱平衡的單板式風(fēng)向標(biāo)帶著轉(zhuǎn)軸下固定的1個(gè)多狹縫七位循環(huán)二進(jìn)制（格雷）碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生格雷碼輸出以確定風(fēng)向值。七位格雷瑪盤表示128個(gè)示值，將1圈360°等分為128個(gè)方位，每1個(gè)方位值為2.8125°。七位格雷碼盤上的7個(gè)圓環(huán)狹縫與裝有發(fā)光二極管固定板上的7個(gè)紅外發(fā)光管和裝光敏三極管固定板上的7個(gè)硅光敏三極管在一垂直面上一一對(duì)應(yīng)。在風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤狹縫位置產(chǎn)生位移，使7個(gè)光敏三極管的導(dǎo)通情況相應(yīng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同的7位二進(jìn)制碼，表示不同的風(fēng)向值。但是風(fēng)向標(biāo)每轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)2.8125°,只變化1個(gè)二進(jìn)碼,因而使編碼發(fā)生的誤差降至最小值。風(fēng)向傳感器的光電轉(zhuǎn)換脈沖電路共有7組獨(dú)立的電路。要素測(cè)量范圍分辨力準(zhǔn)確度單位風(fēng)速0--700.1±(0.3+0.03V)m/s風(fēng)向0--3602.5±5度2.機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀風(fēng)向、風(fēng)速儀用于測(cè)量瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向，具有自動(dòng)顯示功能。主要由支桿，風(fēng)標(biāo)，風(fēng)杯，風(fēng)速風(fēng)向感應(yīng)器組成，風(fēng)標(biāo)的指向即為來(lái)風(fēng)方向，根據(jù)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算出風(fēng)速。所以也叫風(fēng)杯式風(fēng)向風(fēng)速儀。風(fēng)速部分：氣象臺(tái)站最常用的為風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)，它由3個(gè)互成120°固定在支架上的拋物錐空杯組成感應(yīng)部分，空杯的凹面都順向一個(gè)方向。整個(gè)感應(yīng)部分安裝在一根垂直旋轉(zhuǎn)軸上，在風(fēng)力的作用下，風(fēng)杯繞軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。另一種旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)為旋槳式風(fēng)速計(jì)，由一個(gè)三葉或四葉螺旋槳組成感應(yīng)部分，將其安裝在一個(gè)風(fēng)向標(biāo)的前端，使它隨時(shí)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)的來(lái)向。槳葉繞水平軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。風(fēng)向部分：由風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)向軸及風(fēng)向度盤等組成，裝在風(fēng)向度盤上的磁棒與風(fēng)向度盤組成磁羅盤用來(lái)確定風(fēng)向方位。風(fēng)向示值由風(fēng)向指針在風(fēng)向度盤上的穩(wěn)定位置來(lái)確定。機(jī)械式風(fēng)速儀與風(fēng)向儀是兩者分離的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉是其最大優(yōu)點(diǎn)。最大缺點(diǎn)由于其測(cè)量部分具有機(jī)械活動(dòng)部件，在長(zhǎng)期暴露于室外的工作環(huán)境下容易磨損（易被風(fēng)沙損耗，易受冰凍、雨雪干擾）壽命有限，需定期維護(hù)，維護(hù)成本高，且其檢測(cè)精度也不高。并且，所測(cè)高度是固定的，近距離，一般不超過(guò)100m。無(wú)線電探空系統(tǒng)無(wú)線電探空儀通常由充滿氦氣或氫氣的氣球（風(fēng)向球）搭載升空，在中低層大氣測(cè)量大氣主要數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線電將數(shù)據(jù)傳回地面氣象站點(diǎn)的儀器。其中，無(wú)線電測(cè)風(fēng)，利用雷達(dá)或無(wú)線電定向儀追蹤氣球攜往上空之雷達(dá)目標(biāo)（感應(yīng)器或探空發(fā)射器）測(cè)算上空風(fēng)向風(fēng)速之一種觀測(cè)。主要由感應(yīng)元件、轉(zhuǎn)換裝置、發(fā)射機(jī)和電源四部分組成。感應(yīng)元件用來(lái)感應(yīng)大氣溫度、壓強(qiáng)、濕度要素的大小與變化；然后通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于探測(cè)量的無(wú)線電訊號(hào)；而發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的約數(shù)十或數(shù)百兆赫的高頻無(wú)線電振蕩（載波），則能裝載著探測(cè)訊號(hào)向地面發(fā)送；電源提供了整個(gè)探空儀的能量來(lái)源，它占據(jù)了相當(dāng)大的重量。氣球在上升過(guò)程中可自由地隨風(fēng)漂移，操作人員可以用經(jīng)緯儀或雷達(dá)跟蹤氣球，根據(jù)不同時(shí)刻氣球所在空間的仰角、方位、高度（或斜距）便可計(jì)算出各高度層的風(fēng)向、風(fēng)速。測(cè)風(fēng)雷達(dá)是測(cè)風(fēng)的專用雷達(dá)。氣球攜帶回答器（或反射靶）升空，當(dāng)雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)氣球時(shí)，發(fā)出詢問(wèn)脈沖，能立即接收到回答脈沖（或反射脈沖）。根據(jù)回答脈沖和詢問(wèn)脈沖的時(shí)間間隔可確定氣球距雷達(dá)的直線距離，加上天線的方位和仰角，即可確定氣球的空間位置。由氣球運(yùn)動(dòng)軌跡可計(jì)算得到各高度風(fēng)向和風(fēng)速。測(cè)風(fēng)雷達(dá)的探測(cè)高度可達(dá)30km，且不受天氣條件限制。缺點(diǎn)：探測(cè)高度有限，一般在30公里以下。測(cè)風(fēng)間隔長(zhǎng)、測(cè)風(fēng)時(shí)間分辨率低、而且由于氣球運(yùn)動(dòng)的慣性影響，測(cè)量精度低、不能實(shí)時(shí)測(cè)量切變風(fēng)。GPS探空系統(tǒng)GPS在氣象探空中，主要是提供探空氣球的高精度三維位置信息，推算出不同高度的風(fēng)速和風(fēng)向，這就實(shí)現(xiàn)了高空探風(fēng)。優(yōu)點(diǎn)：定位精度高、使用方便、大大提高氣象探空的準(zhǔn)確性，降低地面接收系統(tǒng)的成本。氣象雷達(dá)（1）氣象雷達(dá)的工作原理雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁能量，雷達(dá)天線將電磁能量集中形成向某一方向傳播的波，由雷達(dá)天線以電磁波的方式輻射出去，電磁能在大氣中以光速（29.98X104km/s）傳播。當(dāng)傳播著的電磁波遇到了目標(biāo)物后便產(chǎn)生散射波，而且這種散射波分布在目標(biāo)周圍的各個(gè)方向上。其中有一部分沿著與輻射波相反的路徑傳播到雷達(dá)的接收天線，被接收的這一部分散射能量，稱為目標(biāo)的后向散射，也就是回波信號(hào)，對(duì)這種回波信號(hào)的檢測(cè)可以確定目標(biāo)的空間位置。雷達(dá)是用測(cè)量回波信號(hào)的延遲時(shí)間來(lái)測(cè)量距離的。假設(shè)目標(biāo)離開(kāi)雷達(dá)的斜距用R表示，則發(fā)射信號(hào)在R距離上往返兩次經(jīng)歷的時(shí)間用蚩表示，目標(biāo)的斜距R便可由下式給出：R=（1/2）cAt,其中c為光速。雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)的方位角和仰角是依靠天線的定向作用去完成的，它輻射的電磁波能量只集中在一個(gè)極狹小的角度內(nèi)?？臻g上任一目標(biāo)的方位角和仰角，都可以用定向天線輻射的電磁波束的最大值（即波束的軸向）來(lái)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，同時(shí)接收目標(biāo)的回波信號(hào)，這時(shí)天線所指的方位角和仰角便是目標(biāo)的方位角和仰角。雷達(dá)天線裝在傳動(dòng)系統(tǒng)上，可以固定方位角而在仰角范圍內(nèi)掃描，或固定仰角而在方位角范圍內(nèi)掃描，從而可以得到各個(gè)方向和探測(cè)距離內(nèi)目標(biāo)的信息。（2）氣象雷達(dá)的組成典型的氣象雷達(dá)的主要電子線路組成部分見(jiàn)圖1.2.1，它由發(fā)射系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號(hào)處理器和顯示系統(tǒng)等部分組成。圖1.2.1氣象雷達(dá)主要電子線路圖（3）氣象雷達(dá)的主要技術(shù)指標(biāo)氣象雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)主要描述有關(guān)雷達(dá)性能的各種參數(shù)，它們既表示雷達(dá)的探測(cè)能力、精度，也是雷達(dá)定量探測(cè)的依據(jù)。雷達(dá)參數(shù)主要有：工作波長(zhǎng)；發(fā)射功率；脈沖重復(fù)頻率；脈沖寬度；波束形式與波束寬度；天線增益；靈敏度等。雷達(dá)的工作波長(zhǎng)（或工作頻率）是指發(fā)射機(jī)高頻振蕩器的工作波長(zhǎng)（或頻率）。工作波長(zhǎng)是氣象雷達(dá)的主要參數(shù)之一。工作波長(zhǎng)不同，雷達(dá)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能和用途也有所不同。對(duì)于氣象雷達(dá)而言，由于液態(tài)水滴（雨、云和霧）和固態(tài)粒子（冰晶、冰雹和雪片）對(duì)雷達(dá)波的后向散射和衰減在很大程度上依賴于雷達(dá)的波長(zhǎng)，因此對(duì)于不同的目標(biāo)應(yīng)選擇不同的工作波長(zhǎng)。在一般情況下，常規(guī)氣象雷達(dá)的工作波長(zhǎng)很少超過(guò)20cm。常用的工作波長(zhǎng)有3cm、5cm和10cm幾種。下表列舉了氣象雷達(dá)波長(zhǎng)和可探測(cè)的天氣目標(biāo)的范圍。表1.2.1氣象雷達(dá)波長(zhǎng)與可探測(cè)的天氣目標(biāo)波長(zhǎng)（cm）頻率（兆赫）波段可探測(cè)的目標(biāo)0.8635000Ka云和云滴310000X小雨和雪5.55600C中雨和雪103000S大雨和強(qiáng)風(fēng)暴201500L天氣監(jiān)測(cè)（4）氣象多普勒雷達(dá)及其應(yīng)用氣象多普勒雷達(dá)的理論基礎(chǔ)是電磁波的多普勒效應(yīng)。所謂多普勒效應(yīng)，是指波源相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的信號(hào)頻率和波源發(fā)出的頻率是不同的，而且發(fā)射頻率和接收頻率之間的差值和波源運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)。由多普勒效應(yīng)引起的頻率變化，叫多普勒頻移或多普勒頻率。在雷達(dá)系統(tǒng)中心，這一多普勒頻移表現(xiàn)為相繼脈沖的相位變化。計(jì)算表明，對(duì)氣象目標(biāo)而言，多普勒頻率總是處在音頻范圍內(nèi)。當(dāng)然，多普勒頻率和載頻頻率相比是很小的。盡管如此，多普勒頻率還是可以采用相應(yīng)的方法觀測(cè)到。另外，相對(duì)于一個(gè)固定的波源，固定目標(biāo)的回波不包括相位變化的信息。固定目標(biāo)的回波是不變化的，而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波都有因每個(gè)回波信號(hào)的相位變化而引起的波動(dòng)。在結(jié)構(gòu)體制上，氣象多普勒雷達(dá)可以分為射頻功率放大型和射頻功率振蕩型兩種型式。前者是指其發(fā)射機(jī)的末級(jí)電路由射頻功率放大器組成;而后者是由多腔磁控管大功率振蕩器組成。氣象多普勒雷達(dá)是非常有用的探測(cè)工具。可以應(yīng)用于：探測(cè)降水區(qū)中氣流的垂直速度平均值；雨滴譜的測(cè)量；湍流的估計(jì)；探測(cè)龍卷等強(qiáng)風(fēng)暴；測(cè)量大范圍穩(wěn)定性降水區(qū)中的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。中國(guó)新一代多普勒（包括在新疆的7臺(tái)）天氣雷達(dá)（CINRAD/CC）已投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，效果良好。5.1微波雷達(dá)微波風(fēng)廓線雷達(dá)是目前用來(lái)測(cè)量風(fēng)廓線的一種主要設(shè)備，它通過(guò)發(fā)射微波脈沖，探測(cè)大氣中湍流渦漩對(duì)微波后向散射或待測(cè)大氣中的云、雨、冰或其它降水粒子等運(yùn)動(dòng)粒子的回波信號(hào)的多普勒頻移來(lái)反演大氣風(fēng)廓線，并由它的回波功率可以反演折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的廓線，其波長(zhǎng)較紅外和激光長(zhǎng)許多倍，因而受大氣的影響小得多，是目前主要應(yīng)用的風(fēng)速測(cè)量的系統(tǒng)。缺點(diǎn)：主要用于地基低空觀測(cè)，10公里以下，一般不能用于晴空高空探測(cè)，并且體積重量都很大。5.2激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是以激光器為光源向大氣發(fā)射激光脈沖，接收大氣（氣溶膠粒子和大氣分子）的后向散射信號(hào)，通過(guò)分析發(fā)射激光的徑向多普勒頻移來(lái)反演風(fēng)速的，從探測(cè)方式上可以分為相干探測(cè)激光雷達(dá)和非相干探測(cè)（直接探測(cè)）激光雷達(dá)。一般適用于氣溶膠、地面到10公里以下。非相干檢測(cè)較為簡(jiǎn)單，對(duì)激光的相干性要求不高，但它不能保存和提取信號(hào)中的相位信息。接收機(jī)由能量收集光學(xué)設(shè)備、濾光器（濾除雜波干擾、光學(xué)探測(cè)器、光電處理電路和判定裝置組成。相關(guān)檢測(cè)雷達(dá)，需用一對(duì)分光器把一部分連續(xù)振蕩波送到接收機(jī)作為本振信號(hào)，接收機(jī)前端由接收光學(xué)設(shè)備、濾光器和光-電探測(cè)器組成。本振和目標(biāo)回波同時(shí)入射到光-電探測(cè)器上。探測(cè)器輸出的光電流包含一個(gè)光電混頻分量，其頻率決定于目標(biāo)的多普勒頻移。想干檢測(cè)雷達(dá)較為復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)本振的穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求，對(duì)于分光器和反射鏡的準(zhǔn)直程度以及接收孔徑內(nèi)的空間相干性的要求也十分嚴(yán)格。通常在對(duì)流層風(fēng)速測(cè)定中采用相干方式，而對(duì)同溫層及中間層風(fēng)速測(cè)定中，通常采用非相干方式，由于激光雷達(dá)工作波長(zhǎng)短（與微波雷達(dá)相比），多普勒頻率靈敏度高，故具有極高的速度分辨力,目前其測(cè)速范圍已做到0.01—3000m/s.其光源大多采用CO氣體激光器。優(yōu)點(diǎn)：空間分辨率高（角分辨率urad量級(jí)）、時(shí)間分辨率高、高測(cè)量精度（低對(duì)流層小于1m/s、中高層3m/s）。（1）分辨率高。激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是說(shuō)可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo)（這是微波雷達(dá)無(wú)論如何也辦不到的），并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)；距離分辨率可達(dá)0.lm；速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離一一多譜勒成像技術(shù)來(lái)獲得目標(biāo)的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達(dá)的最顯著的優(yōu)點(diǎn)，其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。（2）低空探測(cè)性能好。微波雷達(dá)由于存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區(qū)域的盲區(qū)（無(wú)法探測(cè)的區(qū)域）。而對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，只有被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)生反射,完全不存在地物回波的影響，因此可以"零高度"工作，低空探測(cè)性能較微波雷達(dá)強(qiáng)了許多。（3）體積小、質(zhì)量輕。通常普通微波雷達(dá)的體積龐大，整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記，光天線口徑就達(dá)幾米甚至幾十米。而激光雷達(dá)就要輕便、靈巧得多,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級(jí)，整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤，架設(shè)、拆收都很簡(jiǎn)便。而且激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維修方便，操縱容易，價(jià)格也較低。缺點(diǎn)：適合晴天工作，大氣穿透能力差（不適合霧雨雪天）、近地面水平作用距離有限（由于大氣衰減）。工作時(shí)受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。如工作波長(zhǎng)為10.6|im的co2激光，是所有激光中大氣傳輸性能較好的，在壞天氣的衰減是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷達(dá)的作用距離，晴天為10—20km,而壞天氣則降至1km以內(nèi)。而且大氣環(huán)流還會(huì)使激光光束發(fā)生畸變、抖動(dòng)，直接影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度。6.氣象衛(wèi)星利用可見(jiàn)光及紅外遙感對(duì)云及水汽移動(dòng)的探測(cè)來(lái)推導(dǎo)大尺度風(fēng)場(chǎng)。由靜止衛(wèi)星的云圖上云的運(yùn)動(dòng)，推算出風(fēng)向和風(fēng)速。云的這種移動(dòng)方向和速度可以代表風(fēng)向和風(fēng)速。通常選擇小塊積云區(qū)作為低空風(fēng)的示蹤物，小塊卷云區(qū)作為高空風(fēng)的示蹤物。至于云的高度則由紅外云圖的溫度確定，溫度愈低，高度愈高。用這種方法可以得到鋒面上很多低空風(fēng)和