大气探测第十章：自动气象观测系统

第十章自动气象观测系统10.1概述10.2结构与工作原理10.3硬件部分10.4软件部分10.5采样与算法10.6自动气象站网10.1概述自动气象观测系统，从狭义上说是指自动气象站，从广义上说是指自动气象站网。自动气象站，是一种能自动收集、处理、存储或传输气象信息的装置。自动气象站网，由一个中心站和若干自动气象站通过通信电路组成。10.1概述（1）从根本上提高大气探测现代化总体水平（2）减少人工观测引起的误差（3）提高地面观测资料的可靠性（4）减轻观测人员的劳动强度（5）提高了整个地面观测站网资料的均一程度（6）可提高现有台站观测资料的时空密度10.1概述自动气象站的主要功能要求：（1）自动采集各类气象要素的观测数据，经处理后发送至终端设备。（2）按照规定公式自动计算海平面气压、水汽压、相对湿度、露点温度等，以及所需的各种统计数据。（3）按照业务需要，编发各类气象报文，编制各类气象报表（数据文件）和发送实时观测数据。自动气象站的主要技术性能指标：包括测量要素及其测量范围，数据采样率，数据处理方法，准确度，数据存储能力，数据传输方式等。10.1概述按提供数据的实效性分为：（1）实时自动气象站（2）非实时自动气象站根据对自动气象站人工干预情况分为：（1）有人值守自动气象站（2）无人值守自动气象站10.1概述国外研制情况：20世纪50年代末，不少国家已有第一代自动气象站，如前苏联研制的M36型自动气象站，美国研制的AMOS型自动气象站。但观测要素少、结构简单、准确度低。60年代中期，第二代自动气象站已能适应各种比较严酷的气候条件，但未能很好解决资料存储和传输问题。到70年代，第三代自动气象站大量采用集成电路，单片微处理器的应用使自动站具较强的数据处理、记录和传输能力，并逐步投入业务使用。进入90年代以来，自动气象站在许多发达国家迅速发展，建成业务性自动观测网。10.1概述国内研制情况：60年代初，由原中央气象局观象台主持研制无人自动气象站。70年代初，研制出5台无人自动站，在青海省的五个台站进行试验。于此同时，原中央气象局研究所又主持研制出综合遥感气象自动站。80年代中期，由中国气象科学研究院大气探测所主持，采用静止气象卫星中继数据的方式，研制出资料收集平台（DCP）。90年代中期，中小尺度天气自动气象监测站网在长江三角洲、珠江三角洲地区建站运行。90年代后期，我国第一批自动气象站设计定型，并获准在业务中使用。截至2003年，全国有1000多个台站使用了自动气象站，并实现了组网。10.2自动气象站的结构与工作原理自动气象站由硬件和系统软件组成。硬件包括传感器,采集器,通讯接口,系统电源,外围设备等。软件包括系统软件和地面测报业务软件。现用自动气象站主要采用集散式和总线式两种体系结构。（1）集散式（目前采用的）通过以CPU为核心的采集器集中采集和处理分散配置的各个传感器信号。（2）总线式（今后发展的方向）通过总线挂接各种功能模块（板）来采集和处理与分散配置的各个传感器信号。10.2自动气象站的结构与工作原理10.2自动气象站的结构与工作原理10.2自动气象站的结构与工作原理数据采集器计算机传感器各个传感器的感应元件随气象要素值变化，使得相应传感器输出的电量产生变化。采集变化的电量，进行线性化和定标处理，实现工程量到要素量的转换；对数据进行质量控制；通过预处理后得出各个气象要素的实测值。通过通讯接口将采集器中的观测数据传输到微机，计算处理后，可进行数据显示、存储、打印，生成各种气象报文、数据文件。10.3自动气象站的硬件部分（1）定义：能感受被测气象要素的变化并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。（2）组成：敏感元件—直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的电或非电的信号的元件。变换元件—接受敏感元件输出的信号，转换成标准电信号输出的器件。也称变换器。（3）输出：一般为电信号输出，通常有电压、电阻、电容、电流、频率。10.3自动气象站的硬件部分（4）常用传感器：气压——振筒式气压传感器、膜盒式电容气压传感器气温——铂电阻温度传感器湿度——湿敏电容湿度传感器风向——单翼风向传感器风速——风杯风速传感器雨量——翻斗式雨量传感器蒸发——超声测距蒸发量传感器辐射——热电堆式辐射传感器地温——铂电阻地温传感器日照——直接辐射表、双金属片日照传感器10.3自动气象站的硬件部分原理：振筒式气压计由振动筒、外保护筒、激振线圈和检测线圈组成。弹性振筒感应内外的真空腔和空气腔的压力差对应输出变化的频率。系统将频率转化为电压输出。为解决振筒振动固有频率的温度漂移，在振筒基座上加了一个测温元件，将测得筒内气体温度作为参数提供给系统进行温度补偿。10.3自动气象站的硬件部分原理：测湿元件是聚合物薄膜电容传感器。测温元件是铂电阻Pt100。感应部件位于传感器杆头部，外有一层滤膜过滤罩保护。标准4线制铂电阻测温满足PT385测温标准。技术指标：湿度测量范围：0～100%RH输出范围：0～100%RH0-1VDC分辨率：±1%RH准确度：3%（T0℃）±5%（T≤0℃）稳定性：1%RH/年温度测量范围：-50～+50℃分辨率：0.1℃准确度：±0.2℃10.3自动气象站的硬件部分原理：三个轻质锥形风杯；附着在中心不锈钢轴上的截光盘随轴旋转；每转动一圈，切割红外光束14次，从而由光电晶体中产生出一个脉冲链，输出的脉冲速率与风速成正比。技术指标：测量范围：0～60m/s分辨率：0.05m/s起动风速：不大于0.3m/s精度：±0.3m/s（S10m/s）±3m/s（S10m/s）抗风强度：75m/s传感器输出：0～1221Hz方波工作电源：12V工作温度：-40oC～+60oC(带加热)10.3自动气象站的硬件部分原理：风标转轴带动的6至8位格雷码光码盘，6至8个同心圆轨道，0、2、22、23、24、25、(26、27)等分。相邻每份作透光与不透光处理。码盘两侧同一半径上的6至8对光电耦合器件。输出相应的6至8位格雷码，每一个格雷码代表一个风向。技术指标：测量范围：0～360°响应灵敏度：0.3m/s（30度偏角）工作电源：10～14VDC分辨率：3°输出电压：0～2.5VDC抗风强度：75m/s工作环境：-40℃～60℃、0～100%RH10.3自动气象站的硬件部分原理：雨水由集水器汇集，通过装有小圆护网的小漏斗及其下端的引流管注入翻斗。当翻斗承积的水量达到一定的数量值时，翻斗翻倒，另一半翻斗开始盛雨。计数翻斗中部装有一块小磁钢，磁钢上端有干簧管。当计数翻斗翻动时，磁钢对干簧管扫描，使干簧接点因磁化而瞬间闭合一次，送出一个电路导通脉冲。相当于0.1mm降雨量。10.3自动气象站的硬件部分原理：超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对标准蒸发皿内水面高度变化进行检测，转换成电信号输出。技术指标：测量范围：0～100mm分辨率：0.1mm供电：10～15VDC10.3自动气象站的硬件部分原理：基于热电效应。当涂黑的感应面接收辐射增热时，使以热接点紧贴在下部的热电堆产生与接收到的辐照度成正比的温差电动势输出信号。技术指标：响应时间（95%）：35S（99%）稳定性（年变化量）：±2%非线性：±2%方位：±5%测量角：2π立体角辐照度：0-1400W/m2（最大2000W/m2）光谱范围：0.3-3.200μm灵敏度：7-14μv/W*m-2接收涂层：3M无光黑漆干燥剂：硅胶10.3自动气象站的硬件部分原理：日照传感器用以精确探测阳光辐射起止。当照射在仪器上的直接阳光辐射高于某一预设阈值时触点接触闭合，接触闭合输出信号可由多种记录器记录。它不需要季节性的调节和维护。对于纬度在0度到65度的任意区域内，能满足无人值守和低能耗的要求。当太阳直辐射量超过120W/㎡时，直接辐射表和日照时数记录仪连接，也可直接测量日照时数。10.3自动气象站的硬件部分数据采集器:是自动气象站的核心，其主要功能是数据采集、数据处理、数据存储及数据传输等。10.3自动气象站的硬件部分主要技术性能:（1）数据采样速率及算法符合基本要求。（2）采集器的电源能保证采集器至少7天正常工作，数据存储器至少能存储3天的每分钟气压、气温、相对湿度、风向、风速、降水量等观测数据，能在计算机中形成规定的数据文件。（3）能直接从数据采集器的显示器上读取下列数据:瞬时数据：本站气压、海平面气压、气温、相对湿度、风向、风速、各层地温、降水量、各种辐射的辐照度。定时数据：2分钟平均风向风速；气温；露点温度；本站气压；海平面气压；3小时变压；24小时变温、最高（低）气温、12小时最低气温；1小时、3小时、6小时、24小时累计雨量；1小时、6小时内极大风速及风向。（4）时钟误差不超过30秒/月。（5）可以使用交流或直流供电。10.3自动气象站的硬件部分自动气象站具备高稳定性、无干扰的系统电源。在有市电的地方，使用市电，并对备用电池浮充电，以备出现故障时使用。若使用计算机，则还配备不间断电源(UPS)和后备电池。在无市电的地区，自动气象站可用电池供电，这时，可用辅助电源对电池充电。可作辅助电源的有：柴油或汽油发电机、风力发电机、太阳能电池板等。10.3自动气象站的硬件部分联接采集器与计算机、计算机与中心站、采集器与中心站等的通信连接设备。根据不同的需要，配置的外围设备有：计算机、打印机、显示器通讯及远程监控等。采集软件自动气象站的系统软件业务软件10.4自动气象站的软件部分为了实现组网和远程控制，还须配置远程监控软件。采集软件10.4自动气象站的软件部分采集软件由厂家提供,写在采集器中。遵守观测规范及其它气象技术规定。其主要功能有:(1)接受和响应业务软件对参数的设置和系统时钟的调整；(2)实时和定时采集各传感器的输出信号,经计算、处理形成各气象要素值；(3)存储、显示和传输各气象要素值；(4)大风报警；(5)运行状态监控。业务软件10.4自动气象站的软件部分业务软件根据地面气象业务的需要编制，有国务院气象主管机构颁发。主要功能包括：参数设置、实时数据显示、定时数据存储、编发气象报告、数据维护、数据审核、报表编制，按照《全国地面气象资料数据模式》形成统一的数据文件等。10.4自动气象站的软件部分10.4自动气象站的软件部分（一）地面气象测报业务软件（OSSMO2004）软件功能：针对各类气象站地面气象测报业务工作和各级审核部门的资料处理而编制的一套综合业务应用软件。适用于人工观测和自动站观测方式的各类气象观测站，以及各级审核部门对地面气象观测资料模式文件的审核及信息化处理。10.4自动气象站的软件部分（二）自动气象站监控软件（SAWSS）软件功能：是自动气象站采集器与计算机的接口软件，能实现对采集器的控制，将采集器中的数据实时的调取到计算机中，显示在实时数据监测窗口，对各传感器和采集器的运行状态进行实时监控。10.4自动气象站的软件部分（三）通讯组网接口软件（CNIS）软件功能：是自动气象站采集计算机与中心站服务器的接口软件，能实现自动气象站数据文件的自动上传。10.5自动站数据采样和算法采样自动站的数据采样在采集器中完成，采样顺序：气温、湿度、降水量、风向、风速、气压、地温、辐射、日照、蒸发。算法1.平均值2.极值选取3.降水量、日照时数、蒸发量、辐射均计算累计值。10.6自动气象站网有一个中心站，若干个自动气象站通过有线或无线通信电路和组网软件组成自动气象站网。建立气象自动站网的目的：（1）对自动气象站采集的气象资料实现自动收集和汇总。（2）对自动气象站网进行有效的监控及远程维护。10.6自动气象站网主要功能有:自动观测各气象要素。编制和存储各类气象报告和观测数据文件。建立气象观测数据库。实现气象观测报告和观测数据文件的自动传输、调用。实时控制及对系统运行的状态的远程监控。复习思考题1.何谓自动气象站,如何分类？2.试述自动气象站的基本构成和工作原理。3.