現(xiàn)代自動(dòng)氣象觀測(cè)中傳感器的應(yīng)用

■張闊 王曉杰 張鳳鳴 劉瑩 吳曉華

（遼寧省朝陽(yáng)縣氣象局遼寧朝陽(yáng)122000）

現(xiàn)代自動(dòng)氣象觀測(cè)中傳感器的應(yīng)用

■張闊 王曉杰 張鳳鳴 劉瑩 吳曉華

（遼寧省朝陽(yáng)縣氣象局遼寧朝陽(yáng)122000）

自動(dòng)氣象站應(yīng)最大程度地保證自動(dòng)運(yùn)行以減少維護(hù)費(fèi)用和人力資源。因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分注意模塊化和擴(kuò)展性。氣象傳感器技術(shù)先進(jìn)，產(chǎn)品精確性和穩(wěn)定性優(yōu)越，除基本的六要素傳感器外，土壤和水的溫度、太陽(yáng)輻射、土壤濕度、能見(jiàn)度、云等要素的傳感器已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。 若有額外的傳感器需要加入，只需要將新的傳感器插入自動(dòng)氣象站而不需要改變已經(jīng)存在的硬件結(jié)構(gòu)。并且任何硬件模塊都應(yīng)是可升級(jí)的，以適應(yīng)儀器將來(lái)的擴(kuò)展。自動(dòng)氣象站主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等部分，其中最能決定自動(dòng)氣象站性能的是氣象要素傳感器。但是受設(shè)備可靠性、成本等因素的限制，在自動(dòng)氣象站中還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化；云、降水現(xiàn)象傳感器正在研制過(guò)程中，受云圖識(shí)別理論和相關(guān)儀器發(fā)展的限制，尚沒(méi)有出現(xiàn)成熟的產(chǎn)品。

氣象觀測(cè) 傳感器 自動(dòng)

1 蒸發(fā)、輻射、日照傳感器

除了基本的六要素的測(cè)量外，部分自動(dòng)氣象站還承擔(dān)了蒸發(fā)、輻射和日照的觀測(cè)業(yè)務(wù)。自動(dòng)氣象站測(cè)量蒸發(fā)用的傳感器主要是浮子式數(shù)字水面蒸發(fā)傳感器和超聲波蒸發(fā)傳感器，測(cè)量日照時(shí)間用的傳感器主要是雙金屬片日照傳感器和旋轉(zhuǎn)式日照傳感器，此類(lèi)傳感器多為進(jìn)口，國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品較少。標(biāo)準(zhǔn)，使同一型號(hào)的傳感器能夠互相替換。

2 測(cè)云傳感器

云的觀測(cè)項(xiàng)目包括云的量、狀、高，目前能夠進(jìn)行業(yè)務(wù)觀測(cè)的只有云高。目前適用于自動(dòng)氣象站的云底高測(cè)量?jī)x器主要是激光測(cè)云儀。受云圖識(shí)別理論和相關(guān)儀器發(fā)展的限制，自動(dòng)氣象站尚不能對(duì)云量和云狀進(jìn)行觀測(cè)。紅外測(cè)量方式都有成品，如法國(guó)研制的一種稱為Nephelo的紅外云分析儀就是采用了單元式，而我國(guó)研制的紅外測(cè)云儀則采用了面陣列式。相比較而言，單元式測(cè)量法的天空分辨率較低，獲得全天云分布信息掃描時(shí)間較長(zhǎng)。目前，面陣列式測(cè)云儀即將進(jìn)入業(yè)務(wù)推廣使用。地面氣象觀測(cè)規(guī)范中關(guān)于云的分類(lèi)、記錄和編發(fā)報(bào)等是針對(duì)人工觀測(cè)制定的，對(duì)于儀器觀測(cè)并不完全符合，其分類(lèi)原則和記錄應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。因此在推動(dòng)云的器測(cè)的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)制定云的器測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，從而使云的器測(cè)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

3 能見(jiàn)度傳感器

與測(cè)云傳感器相比，能見(jiàn)度傳感器的種類(lèi)較多，應(yīng)用比較廣泛。這主要?dú)w功于能見(jiàn)度理論的成熟和光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

傳統(tǒng)的能見(jiàn)度測(cè)量方法主要包括兩種。一是消光系數(shù)法，其測(cè)量準(zhǔn)確度較高，但需要一定長(zhǎng)度的基線，費(fèi)用較高，影響大范圍推廣使用，通常用于對(duì)能見(jiàn)度測(cè)量要求較高的場(chǎng)合（如機(jī)場(chǎng)）。二是散射系數(shù)法，其在不同的天氣條件下觀測(cè)結(jié)果差別較大，但費(fèi)用較低。兩種方法都有成熟產(chǎn)品，如VAISALA公司生產(chǎn)的FD12型透射式能見(jiàn)度儀和我國(guó)洛陽(yáng)卓航測(cè)控設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的XDN01型前向散射能見(jiàn)度儀。除此之外，攝像法測(cè)量能見(jiàn)度逐漸顯現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它的原理是數(shù)字?jǐn)z像機(jī)模擬人眼直接攝取選定目標(biāo)物的圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的圖像進(jìn)行分析處理，從而獲取能見(jiàn)度的數(shù)值。該方法完全仿照人工目測(cè)能見(jiàn)度的方式測(cè)量能見(jiàn)度，避免了人的主觀性，比傳統(tǒng)的透射式、散射式能見(jiàn)度儀更具客觀性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。在香港等地區(qū)，攝像技術(shù)不僅已經(jīng)投入能見(jiàn)度的業(yè)務(wù)使用，而且在監(jiān)測(cè)天氣現(xiàn)象等方面發(fā)揮重要作用。

目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的趨勢(shì)是利用可見(jiàn)光CCD和紅外輻射方式對(duì)云進(jìn)行測(cè)量。可見(jiàn)光CCD可以獲得白天云的分布圖，典型的儀器有美國(guó)Yankee環(huán)境系統(tǒng)公司研制出的一種全天空成像儀TSI（Total Sky Imager），已經(jīng)從TS-440型發(fā)展到了TS-880型，能識(shí)別云量，初步分析云狀。紅外輻射方式又分為單元式和面陣列式，一般選擇在紅外窗區(qū)8～14微米波段，這種方式可實(shí)現(xiàn)云的晝夜連續(xù)測(cè)量，且晝夜測(cè)量準(zhǔn)確度一致，能實(shí)現(xiàn)云量、云狀和云底高的全要素測(cè)量。兩目前，受觀測(cè)地點(diǎn)限制，氣象站廣泛使用的是前向散射能見(jiàn)度儀，而自動(dòng)氣象站還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化。因此應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)有能見(jiàn)度儀進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)符合自動(dòng)氣象站觀測(cè)要求的能見(jiàn)度儀；制定能見(jiàn)度的器測(cè)規(guī)范，使能見(jiàn)度儀規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化；同時(shí)大力發(fā)展國(guó)產(chǎn)傳感器，提高國(guó)產(chǎn)能見(jiàn)度儀的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量。

社會(huì)需求的不斷增加和觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高對(duì)氣象要素觀測(cè)提出了新的要求，觀測(cè)項(xiàng)目不斷增加，更多的新技術(shù)和新方法應(yīng)用到氣象觀測(cè)領(lǐng)域中。濕度方面存在的主要問(wèn)題是濕度傳感器難以在全溫度量程范圍內(nèi)達(dá)到同樣的測(cè)量準(zhǔn)確度，在低溫低濕條件下濕度傳感器性能變差，響應(yīng)遲緩，這是世界范圍內(nèi)大氣探測(cè)的主要難題之一，亟待突破；氣壓方面，由于振筒氣壓儀和硅壓阻氣壓傳感器發(fā)展比較成熟，符合自動(dòng)氣象站的觀測(cè)要求，目前對(duì)氣壓傳感器的相關(guān)研究較少；風(fēng)速、風(fēng)向方面，傳統(tǒng)風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)杯的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了其系統(tǒng)誤差不可避免，且易受惡劣環(huán)境影響，而超聲波風(fēng)速儀、橫風(fēng)傳感器等固態(tài)測(cè)風(fēng)傳感器的出現(xiàn)，不僅解決了機(jī)械摩擦問(wèn)題，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度，而且環(huán)境適應(yīng)性大大提高，在惡劣環(huán)境下仍可正常工作，成為風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量的主要發(fā)展方向；降水量方面，自動(dòng)氣象站主要是利用翻斗式雨量計(jì)對(duì)降水量進(jìn)行觀測(cè)和記錄，觀測(cè)項(xiàng)目單一，其它傳感器，如光學(xué)雨強(qiáng)計(jì)、超聲波測(cè)雪儀、凍雨傳感器等，均只能對(duì)降水現(xiàn)象中的一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用有限。當(dāng)前的趨勢(shì)是發(fā)展能夠?qū)邓俊⒔邓?lèi)型和強(qiáng)度等多要素進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。

[1]氣象儀器與觀測(cè)方法指南，WMO手冊(cè)中文版，第六版

[2]Present Weather Science,PWS-SCI Exploratory actions on automatic present weather observations.

[3]我國(guó)自動(dòng)氣象站建設(shè)發(fā)展迅速，光明日?qǐng)?bào)，2003.08.17

[4]李麟，李效東，漫談分布式自動(dòng)氣象站，中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2006年年會(huì)論文集

[5]岳立成，利用RS-485總線實(shí)現(xiàn)氣象要素分布時(shí)自動(dòng)采集，氣象水文海洋儀器，No.3/32005

X831[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-5-454-1