氣象探測設備常見故障分析

摘 要：隨著氣象現代化建設的不斷推進，氣象探測設備在提供多樣化、精細化氣象服務中發揮著日益重要的作用。為進一步提高氣象探測設備的可靠性和穩定性，以智能觀測儀、風塔等設備為例，對其常見故障進行分析研究，總結故障發生的原因，提出加強設備維護、完善備件管理、強化人員培訓等解決措施。

關鍵詞：氣象探測設備；常見故障；故障分析；運行維護

中圖分類號：P414 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）11–00-03

2022年國務院發布的《“十四五”現代服務業發展

規劃》明確提出，要加快智慧氣象發展，提高氣象災害監測預報預警和風險管理服務水平。氣象探測設備是獲取大氣狀態信息的基礎，也是智慧氣象的重要內容。但受復雜環境、部件老化等因素影響，氣象探測設備常出現各種故障，影響正常運行。因此，做好氣象探測設備的故障分析和維護管理，是保障氣象現代化建設和氣象為民服務的必然要求。

1 氣象觀測設備及常見故障分析

1.1 智能觀測儀

智能觀測儀是當前氣象觀測中廣泛使用的先進設備，但各種故障問題頻發。數據傳輸故障可能源于線路老化、電磁干擾、網絡擁塞等因素，導致數據丟失或錯誤。傳感器可能會由于老化、污染、物理損壞等因素影響而失準或完全失效，從而產生錯誤讀數或無法獲取相應氣象數據。若智能觀測儀的內部時鐘與標準時間存在偏差，或時鐘同步機制出現故障，則會導致數據的時間不準確，影響數據的可用性和分析質量。

同時，智能觀測儀通常依賴電池或太陽能電池板供電，電量耗盡、電池板遮蔽或故障都可能導致供電中斷，使得觀測儀無法正常工作。智能觀測儀的內部軟件用于控制各模塊的運行、數據采集和處理，若軟件存在Bug或設計缺陷，可能會引發各種異常行為，如死循環、數據計算錯誤等。觀測儀與數據中心之間的通信需要遵循特定的協議規范，若協議版本發生變化或存在實現差異，可能導致通信失敗或數據解析錯誤。此外，極端天氣條件、生物腐蝕、人為干擾等環境因素均可能對觀測儀的正常運行造成不利影響。上述故障問題會直接影響氣象數據的質量和完整性，進而影響基于這些數據進行的氣象監測、預報和應用[1]。

1.2 風塔

風塔是一種重要的氣象觀測設備，用于測量風速、風向等風場參數。然而，在實際運行中，風塔也面臨著各種故障問題，影響其測量精度和可靠性。

第一，風塔的機械結構會受到自然環境的侵蝕和老化，導致零件磨損或損壞。例如，轉子軸承可能會由于長期運轉而產生磨損，影響轉子的轉動靈敏度，進而導致風速測量偏差。同時，風塔外殼和支撐桿也可能遭受腐蝕、生物侵蝕等破壞，削弱其機械強度和穩定性。

第二，風塔的傳感器和測量電路存在故障隱患。風速傳感器若受到污染或損壞，則會產生失真或漂移的輸出信號，影響風速測量的準確性。風向傳感器也面臨類似問題，若出現卡滯或失靈，則無法正確反映風向變化。此外，模數轉換電路、放大電路等也可能出現元件老化、誤差累積等故障，干擾測量信號的采集和處理。

第三，風塔的供電系統故障也是一個常見問題。風塔通常依賴電池或太陽能電池板供電，若供電中斷或電力不足，則會導致風塔無法正常工作。電池組老化、太陽能電池板故障等都可能引發這一問題。數據傳輸和存儲環節也存在潛在故障風險。風塔測量數據需要通過有線或無線方式傳輸到數據中心，在傳輸過程中可能受到干擾或連接故障的影響，造成數據丟失或錯誤。同時，存儲設備故障也可能導致歷史數據損壞或丟失。

第四，環境因素對風塔運行也有顯著影響。惡劣天氣如冰雹、雷擊可能直接損壞風塔結構，極端高溫或低溫也會影響電子元件性能。鳥糞或植物侵蝕也是風塔面臨的潛在威脅，直接影響風塔對風場參數的測量精度和可靠性，進而難以確保氣象數據質量，對天氣預報、航空運輸、能源利用等領域帶來不利影響[2]。

1.3 自動氣象站

自動氣象站是地面氣象觀測的基礎設備，用于連續自動測量氣壓、氣溫、濕度、風速風向、降水量等氣象要素，其穩定性和數據質量影響天氣預報和氣候分析的準確性。自動氣象站主要由氣象傳感器、數據采集器、通信模塊、供電系統等組成。氣象傳感器是自動站的核心部件，常見的故障包括氣壓傳感器的遲滯誤差增大、零點漂移等引起氣壓測量失真；溫濕度傳感器的污染、老化等導致測量精度下降；風速風向傳感器的軸承磨損、編碼器失效等影響風速風向測量；雨量傳感器的漏斗堵塞、翻斗機構卡滯等造成雨量漏測或錯測。數據采集器的故障主要有AD轉換電路損壞引起數據丟失，存儲器故障導致數據錯誤，時鐘電路失效造成時間錯誤等。通信模塊采用無線或有線方式傳輸數據，其中，無線通信受天線故障、電磁干擾等影響時會引起數據傳輸中斷或錯誤，有線通信線路老化、破損時也會導致通信異常。供電系統通常由太陽能電池板、蓄電池等組成，其故障如太陽能電池板老化引起充電效率下降，蓄電池損壞導致供電中斷等威脅自動站的正常工作。

1.4 土壤水分自動觀測站

土壤水分自動觀測站是監測土壤水分動態變化的重要設備，可應用于農業、水文、生態等領域，為旱澇監測、農事管理等提供重要依據。土壤水分自動觀測站通常由土壤水分傳感器、數據采集器、無線通信模塊、供電系統等組成。

土壤水分傳感器是測量土壤水分含量的關鍵部件，主要采用頻域反射計、時域反射計等原理，通過測量土壤介電常數推算含水量。常見的故障包括傳感器探頭的污染、腐蝕引起測量失真，電纜的破損、接觸不良導致信號中斷，電路板的器件老化、焊點開裂等造成工作異常。數據采集器負責傳感器數據的采集、轉換和存儲，其故障如AD轉換芯片損壞引起數據丟失，存儲芯片故障導致數據錯誤，時鐘電路失效造成時間戳錯誤等。無線通信模塊多采用GPRS、4G等方式，受基站信號覆蓋、天線故障、電磁干擾等影響時會導致數據傳輸中斷或錯誤。供電系統通常由太陽能電池板、充電控制器、蓄電池等組成，其故障如太陽能電池板老化引起輸出功率下降，充電控制器損壞導致充放電失控，蓄電池容量衰減造成供電時間縮短等[3]。

1.5 閃電定位儀

閃電定位儀是監測雷電活動的關鍵設備，可實時獲取閃電的三維位置、電流強度、極性等參數，為雷電預警、防護及氣象科研提供重要數據支撐。閃電定位儀主要由天線陣列、GPS時間同步模塊、信號調理電路、數據采集與處理單元等組成。

天線陣列用于接收閃電產生的電磁脈沖信號，通常采用磁天線或環形天線，布設在不同位置以實現定位。天線的機械損傷、腐蝕等會導致接收靈敏度下降，連接器的松動、氧化則會引起信號中斷或衰減。GPS時間同步模塊提供高精度的時間基準，是確保多臺閃電定位儀協同觀測的關鍵，其故障如天線失鎖、時鐘漂移等會導致時間同步誤差增大，影響定位精度。信號調理電路對天線接收到的微弱信號進行放大、濾波等處理，其性能關系到信噪比和動態范圍，常見故障包括運放失調、電路板開裂、元器件參數漂移等。數據采集與處理單元通過高速AD轉換和實時處理算法實現閃電信號的特征提取和定位解算，其故障如AD轉換器損壞引起數據丟失，時鐘同步差錯導致定位解算異常，數據存儲模塊損壞造成數據丟失等。

2 氣象觀測設備運行保障建議

2.1 加強設備維護和定期檢修

首先，氣象部門制定完善的設備維護管理制度，明確各類設備的維護周期、檢修項目和技術標準，制定設備維護手冊和操作規程，規范維護流程。例如，對于自動氣象站，要定期清潔傳感器表面，檢查各傳感器的安裝狀態和數據輸出，每年至少進行一次性能檢測和校準[4]。

其次，強化維護人員的技術培訓和考核，增強其專業技能和責任意識。可采取定期開展業務培訓、組織技能競賽等方式，促進維護人員的學習和交流。

再次，氣象部門加大維護經費投入力度，優化維護資源配置，確保備品備件充足，維修儀器齊全，滿足設備維護需求。例如，建立關鍵零部件的質量跟蹤機制，加強對備品備件的管理，提高備品備件的質量和可獲得性，降低設備故障率。

最后，氣象部門還要加強與設備制造商的溝通協作，及時獲取設備更新改造信息，掌握先進的維護維修技術。可定期召開設備維護技術交流會，邀請廠商介紹設備特性和維護經驗。通過構建完善的設備維護管理體系，強化人員技能培訓，加大資金投入力度，優化資源配置，借助廠商力量，多措并舉，開展氣象觀測設備維護和檢修工作，從而減少設備故障發生，延長設備使用壽命，切實保障氣象觀測的持續穩定運行。

2.2 建立完善的備品備件管理制度

首先，氣象部門需根據設備型號、數量和故障率，科學制定備品備件配置標準，合理確定各類備件的儲備定額、采購周期和更新頻率。例如，對于故障率較高的關鍵部件，如雷達發射機的大功率器件，要提高儲備量并縮短采購周期；對于故障率低但更換周期長的備件，如氣象傳感器，可適當降低儲備定額，延長采購周期。

其次，氣象部門需規范備品備件的采購流程和質量控制。制定嚴格的供應商準入制度，對備件的性能指標、可靠性、環境適應性等提出明確要求。在采購過程中，嚴把備件質量關，對重要備件開展出廠檢驗和到貨檢查，確保備件質量滿足使用要求。

最后，氣象部門需做好備品備件的庫存管理和定期盤點，建立臺賬和標識，實現備件的可追溯管理。定期評估備件的使用狀況和存儲環境，及時更換有效期臨近或性能降低的備件。此外，加強備品備件管理的信息化建設，開發備品備件管理系統，實現備件的編碼、入庫、出庫、庫存等全過程信息化管理，提高管理效率和決策水平。通過建立科學的備品備件配置標準，規范采購和質控流程，加強庫存管理，推進信息化建設等措施，不斷完善備品備件管理制度，從而提高備件的可獲得性和供應及時性，有效縮短設備故障的維修時間，確保氣象觀測設備的連續運行[5]。

2.3 加強人員技能培訓

首先，氣象部門要制定完善的人員培訓制度，根據崗位需求和設備特點，制定分類分級的培訓計劃，明確培訓內容、培訓方式和考核標準。如針對氣象雷達運維人員，開展雷達原理、系統結構、操作維護等專題培訓；針對自動氣象站維護人員，重點開展傳感器工作原理、數據采集與傳輸、常見故障診斷等實操訓練。

其次，氣象部門要創新培訓方式方法，將理論教學與實踐操作相結合，利用多媒體、虛擬仿真等手段，提升培訓的直觀性。定期組織技能競賽、經驗交流等活動，營造比學趕超的良好氛圍。與高校、科研院所開展產學研合作，為人員能力提升提供智力支持。

再次，氣象部門要制定人員持證上崗制度，將培訓與考核相掛鉤，采取理論考試與實際操作相結合的方式，考察人員的專業知識和實際技能，確保培訓效果。對考核合格的人員頒發崗位資格證書，并與績效考核、職稱評聘等掛鉤，調動人員培訓積極性。

最后，氣象部門要鼓勵人員參加行業交流和學術會議，了解前沿技術動態，拓寬專業視野。選派優秀人員到設備制造商參加技術培訓，學習先進的生產工藝和檢測手段。通過完善培訓制度，創新培訓模式，強化培訓考核，拓展培訓渠道等措施，不斷提升氣象觀測設備運維人員的業務水平和實際操作能力，使其掌握設備性能特點和維護技巧，從容應對各類故障問題，為氣象觀測設備的穩定運行提供堅實的人才保障[6]。

2.4 加強氣象觀測環境的管理

首先，氣象部門應嚴格遵守氣象觀測場地選址標準，綜合考慮地形、地貌、交通、電磁環境等因素，選擇環境代表性好、污染源少、便于維護的場地，并定期開展觀測環境評估，及時發現和解決環境變化問題。例如，在選址時，避開高大建筑物、樹木等遮擋物，遠離交通干線、工業區等污染源，確保觀測場地的空曠性和代表性。

其次，氣象部門要加強觀測場地的日常管理和維護，制定觀測場地巡查制度，及時清理雜草、垃圾等影響觀測的異物，維護場地整潔。定期對觀測場地進行硬化、平整等處理，保證儀器設備的安裝穩固性。及時修復易積水、易塌陷等問題，避免影響設備正常工作。

再次，氣象部門要做好觀測環境的安全防護，加強防雷、防臺等措施，如在自動氣象站周圍設置防雷擊設施，定期檢查接地裝置，確保設備安全。合理設置安全警示標識，加強安保巡查，防止人為損壞和盜竊。針對沙塵、鳥糞等特殊環境問題，采取防塵罩、驅鳥裝置等措施，減輕對設備的影響[7]。

最后，氣象部門應積極開展觀測環境的宣傳教育，

增強公眾的環保意識，爭取社會各界對氣象觀測工作的理解和支持。定期舉辦開放日活動，邀請周邊單位、學校等參觀，講解觀測環境保護的重要性。

3 結束語

氣象探測設備常見故障的分析和診斷是一項綜合性、專業性很強的工作，需要多學科知識和實踐經驗。通過加強維護檢修、完善備件管理、強化人員培訓、優化觀測環境等措施，可以有效降低氣象探測設備的故障率，延長其使用壽命，為提高氣象觀測數據質量奠定基礎。未來，隨著新技術新裝備的不斷應用，氣象部門還需與科研院所、制造廠商加強合作，構建健全的氣象探測設備全生命周期的質量管理體系，實現設備可靠性設計、精細化運維和綜合保障能力的同步提升，以適應現代氣象業務發展的新要求，不斷滿足國計民生和防災減災對高質量氣象服務的需求。

參考文獻

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[2] 陳開，陳柯辰.基于Spring框架的氣象探測設備監控系統設計與實現[J].軟件導刊，2020，19（7）：112-116.

[3] 葉冠寧.氣象探測設備常見故障及維修保障措施[J].南方農機，2020，51（9）：247.

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[5] 李靜，張朝明，華夏，等.山西省氣象探測設備維修平臺的研究[J].科技與創新，2019（10）：79-81.

[6] 趙云鵬.銀川月牙湖機場氣象探測設備電路跳閘故障排查[J].空運商務，2018（11）：52-54.

[7] 周文杰.基于SIPOC航空氣象探測設備的管理系統研究[J].物聯網技術，2018，8（9）：51-54，58.