《地面自动化观测规范》讲义

曹梅自动观测仪器总则规范概述资料处理CONTENTS编写背景主要内容规范概述PARTONE《地面气象观测规范》自2004年施行以来，为我国地面气象观测业务的发展起到了重要的推进作用。近几年来，地面气象观测业务向自动化方向逐步推进，《规范》从内容完整性、业务指导性、技术适应性等方面已不能满足自动化的发展要求，相继出台的一系列仪器观测规范、业务技术规定和国家气象行业标准对《规范》进行完善和补充，但仍不能满足业务发展需求。中国气象局于2017年组织编写新的规范，按照地面气象观测自动化改革要求，完成了《地面气象自动观测规范》。编写背景《自动观测规范》主要适用于仪器自动观测、综合判识观测、图像识别观测等自动化观测业务，修订了《规范》中自动气象站的相关内容，增加了综合集成硬件控制器、前向散射式能见度仪、称重式降水传感器、降水现象仪、闪电定位仪、光电式数字日照计等自动观测仪器，新增了露、霜、雨凇、雾凇、轻雾、雾、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴、总云量、云高、结冰、积雪、冻土、雷暴等观测项目的综合判识或图像识别等内容。主要内容地面气象观测业务工作地面气象观测场地面气象观测系统总则PARTTWO数据采集、数据质控、数据存储、数据传输、运行监控、技术保障和观测产品加工地面气象观测业务工作——观测任务观测、记录处理和编发气象报告做好历史资料备份、存储、归档、上传和上报等工作，做好气象观测产品的加工处理及应用工作。按照国务院气象主管机构或省级气象主管机构要求开展应急加密观测。出现灾害性天气后及时进行调查上报。实时获取自动气象观测数据和设备工作状态，做好数据质量控制及疑误记录处理，并存入采集器和业务终端。.通过采集器和业务终端软件完成实时观测数据质控、保存及上传。做好各类业务系统的运行监控及技术保障，确保观测业务正常运行。.地面气象常规观测任务包括数据采集、数据质控、数据存储、数据传输、运行监控、技术保障和观测产品加工。地面气象观测业务工作——观测任务做好计量信息和元数据上报工作。.国务院气象主管机构统一布局的观测项目包括：气温、气压、湿度、风向、风速、降水、能见度、地面温度（含草面温度）、浅层地温、深层地温、大型蒸发、日照、辐射、毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹、大风等19项已实现仪器自动观测的项目，以及总云量、云高、冻土、露、霜、雾、轻雾、霾、浮尘、扬沙、沙尘暴、结冰、雷暴等13项可通过综合判识或图像识别实现自动观测的项目。省级气象主管机构自定观测项目包括：雨凇、雾凇、积雪、电线积冰、雪深、最大冰雹的最大直径和最大平均重量等7项观测项目。地面气象观测业务工作——观测项目观测目的：描述观测数据的主要应用领域、所属的观测计划和观测网络等。观测台站：描述台站名称、观测模式、区站号和地理位置等。观测环境：描述地表覆盖、地形特征、仪器安装位置及观测场周边环境对观测数据的影响等。数据权限：描述观测数据所有权和使用权。观测变量：描述观测要素值名称、测量单位和观测时间等。数据采集与分析方法：描述采样算法、采样方式、采样周期、采样空间分辨率、采样时间间隔等。数据质量：描述数据的不确定性评估、质量标识、可溯源性等。观测仪器和方法：描述仪器测量范围、传感器距地高度、仪器标定时间、仪器型号和序列号、仪器定期维护情况、仪器使用日期和时间等。地面气象观测业务工作——元数据元数据是描述数据属性的信息。地面气象观测元数据用于描述观测变量、观测条件、观测方法和数据处理等。联系人：描述交换和应用数据的联系人和机构。数据处理：描述数据处理方法和算法、处理中心、数据水平、数据格式版本、汇总时间等。地面气象观测场是取得地面气象资料的主要场所，应设在能较好地反映本地较大范围的气象要素特点、符合全国气象观测站网布局且能长期保持良好气象探测环境的地方，满足国务院气象主管机构规定的选址技术要求。地面气象观测场四周应空旷平坦，避免建在陡坡、洼地或邻近有铁路、公路、工矿、烟囱、高大建筑物、垃圾场排污口和有干扰源的地方。避开地方性雾、烟等大气污染严重的地方。地面气象观测场四周障碍物的影子应不会投射到日照和辐射观测仪器的受光面上，附近没有反射阳光强的物体。如果在城市或工矿区，观测场应设立在城市或工矿区最多风向的上风方。地面气象观测场探测环境应符合国务院气象主管机构有关保护规范、标准等文件的要求，并按《中华人民共和国气象法》《气象设施和气象探测环境保护条例》等法律法规依法进行保护。地面气象观测场周围探测环境发生变化后要进行详细记录。新建、迁移观测场或观测场四周的障碍物发生明显变化时，应重新进行评估。应用气象观测站、志愿气象观测站的环境条件可根据设站目的自行掌握。地面气象观测场——观测环境观测场防雷系统接地电阻应≤4Ω。处在高山、海岛等岩石地面土壤的电阻率＞1000Ω•m的观测场，接地体的接地电阻值可适当放宽。布设有双套自动气象观测系统的，东西方向上，主站仪器设施应安置在备份站相应仪器的东面；南北方向上，主站仪器设施应安置在备份站相应仪器的北面。仪器安置在紧靠东西向小路南面（综合集成硬件控制器、降水现象仪、蒸发传感器、风向风速传感器、前向散射能见度仪等除外）。地面气象观测场——观测场迁移国家级地面气象观测站，须在新址和旧址之间进行至少1年的对比观测（国家基准气候站必要时进行2年对比观测）。因遭受严重自然灾害，旧址无法正常开展观测业务工作的，可不进行对比观测。对比观测的设备为自动站，对比观测要素为气压、气温、湿度、风向风速、降水、地温。应在完成对比观测的次年3月31日前，完成新旧站址对比观测资料的审查和分析，形成对比观测资料评估报告报送国家气象信息中心，同时在省级气象主管机构归档。地面气象观测场——站址迁移地面气象观测系统传感器、采集器、综合集成硬件控制器、通讯接口、系统电源和业务终端。数据采集、质量控制、数据传输、系统组网和远程监控等功能。硬件软件地面气象观测系统Loremipsumdolorsitamet,consecteturadipiscingelit,seddoeiusmodtemporincididuntutlaboreetdoloremagnaaliqua.Utenimadminimveniam.地面气象观测系统——气象观测仪器技术性能要求测量要素测量范围分辨力准确度平均时间采样频率气温﹣50～﹢50℃0.1℃±0.2℃1min30次/min相对湿度0～100％1％±3％（≤80％）±5％（＞80％）1min30次/min气压500～1100hPa（任意200hPa）0.1hPa±0.3hPa1min30次/min风向0～360°3°±5°3s1min2min10min1次/s风速0～60m/s（普通）0.1m/s±（0.5＋0.03V）m/s注：V为实际风速，下同4次/s0～90m/s（强风）±1m/s（≤20m/s）±V×5%（＞20m/s）降水翻斗雨量0～4mm/min0.1mm±0.4mm（≤10mm）±4％（＞10mm）累计1次/min称重雨量0～400mm日照0～24h1min±0.1h累计6次/min蒸发0～100mm0.1mm±0.2mm（≤10mm）±2％（＞10mm）累计6次/min地面温度﹣50～﹢80℃0.1℃±0.4℃1min30次/min浅层地温﹣40～﹢60℃0.1℃±0.3℃1min30次/min深层地温﹣30～﹢40℃0.1℃±0.2℃1min30次/min草面温度﹣50～﹢80℃0.1℃±0.4℃1min30次/min总辐射0～2000W/m21W/m2±5%1min30次/min净辐射﹣200～1400W/m21W/m2±20%1min30次/min直接辐射0～2000W/m21W/m2±2%1min30次/min降水现象毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹—≥90%（降水量＞0.1mm）1min1次/min能见度10m～30000m1m±10%（≤1500m）±20%（＞1500m）10min4次/min雪深0～150cm0.1cm±1cm1min10次/min地面气象观测系统——地面气象要素气象值计算要求气象要素平均值累计值极值气压每分钟算术平均——每小时内极值及出现时间气温相对湿度地温草面温度辐射小时累计值风速以0.25s为时间步长计算3s滑动平均值；以1s为时间步长（取整秒时的瞬时值）计算每分钟的1min、2min平均；以1min为时间步长（取1min平均值）计算每分钟的10min滑动平均——每分钟、每小时内3s极值（即极大风速）及出现时间；每小时内10min滑动平均的极值（即最大风速）及出现时间风向时间步长同风速计算矢量平均——极大风速和最大风速出现时相应的风向日照——每分钟、小时累计值——降水量蒸发量每分钟水位的算术平均能见度1min内采样数据计算1min算术平均值；以1min为时间步长，计算每分钟的10min滑动平均——每小时内10min滑动平均的极值（即最小值）及出现时间雪深每分钟算术平均————综合集成硬件控制器主要是解决多个自动气象观测设备的集约化管理，实现多观测设备仅通过一根光纤即可与业务终端进行数据传输，提高地面气象观测系统的集成化程度、可扩展性、稳定性、可靠性。综合集成硬件控制器具有数据透明传输和数据格式转换功能。综合集成硬件控制器的硬件包含通信控制模块、光电转换模块（室内、室外）、交流防雷模块、供电单元、外围部件等。其中，通信控制模块通过串口与观测设备连接，两组光电转换模块之间以光纤连接，室内光电转换模块通过网口与业务终端计算机连接。地面气象观测系统——综合集成硬件控制器01主采集器02分采集器分采集器对挂接的传感器按预定的采样频率进行扫描，收到主采集器发送的同步信号后，将获得的采样数据通过总线发送给主采集器。在不更改任何硬件设备的前提下，可以通过本地终端对分采集器嵌入式软件进行版本升级。主采集器是自动站的核心，硬件包含高性能嵌入式处理器、高精度A/D电路、高精度实时时钟电路、大容量程序和数据存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、外接存储器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。自动站使用的传感器可分为3类：（1）模拟传感器：输出模拟量信号的传感器。（2）数字传感器：输出数字量（含脉冲和频率）信号的传感器。（3）智能传感器：带有嵌入式处理器的传感器，具有基本的数据采集和处理功能，可以输出并行或串行数据信号。03传感器地面气象观测系统——采集系统参数设置数据处理数据显示数据采集数据存储设备管理地面气象观测系统——观测业务软件帮助云能见度降水现象雷电气压空气温度和湿度风向和风速自动观测仪器PARTTHREE降水雪深蒸发辐射日照地温发射器向云底发射一束脉冲激光，经过时间t后，接收器接收到云层的激光回波信号。1仪器上方的照相机垂直向下拍摄带有加热装置的半球镜面，得到当时天空所呈现的图像，并将图像自动存储到业务终端进行云量计算和处理。2毫米波云雷达是指工作在毫米波波段的雷达。气象上常选用Ka和W波段。毫米波云雷达基于大气中的悬浮粒子对电磁波的后向散射，利用接收到的后向散射信号反演云的宏观和微观特性。3气象卫星主要通过装载的多通道扫描成像辐射计和空间环境监测器等对云进行观测，利用卫星图像开展云检测、云相态识别、云光学厚度与等效粒子半径反演等工作。4激光云高仪全天空成像仪毫米波云雷达卫星测云自动观测仪器——云自动能见度是指基于仪器观测自动获得的能见度值，是利用标准算法将传感器测量值转换得到的能见度值，该值能够代表观测点的能见度。1min平均能见度值也称为瞬时值，每分钟输出一个数据，是1min采样数据的算术平均值。10min平均能见度值是在1min平均能见度值基础上的10min滑动平均，每分钟滑动更新一次。小时最小能见度是指小时内10min平均能见度的最小值。10min滑动能见度是指当前分钟前10分钟内的10min平均能见度的滑动平均值，又叫10min滑动能见度(又叫综判能见度、天气现象能见度)。自动观