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1、第八章第八章 现代自动气象观测系统现代自动气象观测系统1气象仪器分析课件序个业务部门的需求个业务部门的需求数值预报：增加台站密度数值预报：增加台站密度航空部门：即时观测：能见度、风切变航空部门：即时观测：能见度、风切变农业部门：土壤湿度、光照农业部门：土壤湿度、光照要满足以上需求，需建立自动气象观测要满足以上需求，需建立自动气象观测系统。系统。2气象仪器分析课件自动气象站自动气象站是由电子设备或计算机控制自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站。气象站。通常有以下两种形式：通常有以下两种形式：（1）有线遥测自动气象站）有线遥测
2、自动气象站（2）无线遥测气象站（无人气象站）无线遥测气象站（无人气象站）3气象仪器分析课件（1）有线遥测自动气象站n仪器的感应部分与接收处理部分相隔几十米到仪器的感应部分与接收处理部分相隔几十米到几公里，其间用有线通信电路传输。几公里，其间用有线通信电路传输。n由气象传感器，接口电路、微机系统、通讯接由气象传感器，接口电路、微机系统、通讯接口等组成。口等组成。n传感器将气象信息转换成电信号由接口电路输传感器将气象信息转换成电信号由接口电路输出。出。4气象仪器分析课件（1）有线遥测自动气象站（续）n微机系统是它的心脏，负责处理接口电微机系统是它的心脏，负责处理接口电路及观测员通过键盘输入的信号，
3、并将路及观测员通过键盘输入的信号，并将处理结果输出显示、打印、存盘，也可处理结果输出显示、打印、存盘，也可通过接口送到通过接口送到 信息网络服务系统。信息网络服务系统。n这种自动站早期用于实时查询气象资料，这种自动站早期用于实时查询气象资料，现在逐渐取代气象站日常现在逐渐取代气象站日常 主要观测工作。主要观测工作。5气象仪器分析课件（2）无线遥测气象站（无人气象站）n能自动观测、自动发报、自动整理和远能自动观测、自动发报、自动整理和远距离控制的地面气象综合观测装置称为距离控制的地面气象综合观测装置称为无人气象站，或称自动气象站。无人气象站，或称自动气象站。n无人气象站一般安置在荒无人人烟的沙无
4、人气象站一般安置在荒无人人烟的沙漠、远离大陆的海岛、人迹罕至的雪域漠、远离大陆的海岛、人迹罕至的雪域高原等地方。高原等地方。6气象仪器分析课件（2）无线遥测气象站（无人气象站） （续）n无人气象站一般由传感器、变换器、数据处理无人气象站一般由传感器、变换器、数据处理装置、资料发送装置、电源等部分组成。装置、资料发送装置、电源等部分组成。n变换器是将传感器感应的气象参数转换成电信变换器是将传感器感应的气象参数转换成电信号（比如电压、电流、频率等）；号（比如电压、电流、频率等）；n数据处理装置则将对这些电信号进行处理，再数据处理装置则将对这些电信号进行处理，再转换成对应的气象要素值。转换成对应的气
5、象要素值。7气象仪器分析课件（2）无线遥测气象站（无人气象站） （续）n经过处理的气象要素数据按规定的格式编排，经过处理的气象要素数据按规定的格式编排，经资料发送装置用有线或无线方式传给用户，经资料发送装置用有线或无线方式传给用户，或存贮在磁带上，由用户定期回收。或存贮在磁带上，由用户定期回收。n电源是为气象站正常工作提供动力的，通常使电源是为气象站正常工作提供动力的，通常使用蓄电池，并用太阳能给电池充电。用蓄电池，并用太阳能给电池充电。n整个系统由一部微机按事先编好的程序进行管整个系统由一部微机按事先编好的程序进行管理。理。 8气象仪器分析课件（2）无线遥测气象站（无人气象站） （续）自动气
6、象站观测项目通常为气压、气温、自动气象站观测项目通常为气压、气温、相对湿度、风向、风速、雨量等基本气相对湿度、风向、风速、雨量等基本气象要素，经扩充后还可测量其它要素。象要素，经扩充后还可测量其它要素。按用途不同，自动气象站可分为自动气按用途不同，自动气象站可分为自动气候站、自动天气站、特殊用途的自动站。候站、自动天气站、特殊用途的自动站。 9气象仪器分析课件（2）无线遥测气象站（无人气象站） （续）自动气候站观测项目比一般气候站要少，自动气候站观测项目比一般气候站要少，除代替在不便建立有人气候站的地方进除代替在不便建立有人气候站的地方进行气候观测外，也常用于气候资源调查。行气候观测外，也常用
7、于气候资源调查。自动天气站则是为了弥补那些不便建立自动天气站则是为了弥补那些不便建立有人气象站的地方气象资料的欠缺。有人气象站的地方气象资料的欠缺。10气象仪器分析课件（2）无线遥测气象站（无人气象站） （续）特殊用途的自动站如特殊用途的自动站如自动雨量站自动雨量站，能自，能自动感应测定雨量，向防汛和生产指挥部动感应测定雨量，向防汛和生产指挥部门提供雨情服务。门提供雨情服务。人们往往在一个区域用许多自动雨量站人们往往在一个区域用许多自动雨量站组成一个站网，以便及时取得整个区域组成一个站网，以便及时取得整个区域的降水量资料。的降水量资料。 11气象仪器分析课件CAWS600自动气象站12气象仪器
8、分析课件无人气象站13气象仪器分析课件8.1 常规自动气象站系统自动气象站自动气象站气象业务系统，气象业务系统，AWOS（Atmospheric Weather Observing System）航空港系统，航空港系统，ASOS（Automated Surface Observing System）基本的系统，观测内容：基本的系统，观测内容：温度、湿度、气压、风向、风速、降水五项温度、湿度、气压、风向、风速、降水五项14气象仪器分析课件8.1 常规自动气象站系统（续）中型规模，扩展项目：中型规模，扩展项目：地温、能见度和辐射能分量地温、能见度和辐射能分量机场的机场的ASOS系统：系统：基本的五
9、项基本的五项跑道视程、云高、降水性质识别、冻雨探测、跑道视程、云高、降水性质识别、冻雨探测、跑道干湿和冻结状况识别，以及单站闪电定跑道干湿和冻结状况识别，以及单站闪电定位等位等高速公路气象智能系统与上面两系统相近高速公路气象智能系统与上面两系统相近15气象仪器分析课件8.1 常规自动气象站系统（续）自动气象站系统主要包括：自动气象站系统主要包括：测量仪器测量仪器数据采集和资料存储数据采集和资料存储数据传输数据传输保障部分包括：保障部分包括：电源电源避雷措施避雷措施16气象仪器分析课件8.1.1 测量仪器自动气象站的测量仪器和元件在选用时自动气象站的测量仪器和元件在选用时须考虑的问题：须考虑的问
10、题：要满足对仪器关键性能的要求，保持资料的要满足对仪器关键性能的要求，保持资料的精度和代表性；精度和代表性；保持某种信号输出形式易于被数据采集系统保持某种信号输出形式易于被数据采集系统所接受；所接受；保证元件易于相互更换。保证元件易于相互更换。17气象仪器分析课件8.1.1 测量仪器（续）1. 温度和湿度气温测量最大可能的误差来源为防辐射罩的效气温测量最大可能的误差来源为防辐射罩的效率。率。大多数的自动气象站的防辐射设备为小型的无通风大多数的自动气象站的防辐射设备为小型的无通风装置的圆形百页板防辐射罩，百叶板由涂白的塑料装置的圆形百页板防辐射罩，百叶板由涂白的塑料或金属薄板构成。或金属薄板构成
11、。电测元件因电功率加热导致元件增温是第二主电测元件因电功率加热导致元件增温是第二主要误差来源。要误差来源。测湿元件多数选用湿敏电容，其次是碳膜电阻测湿元件多数选用湿敏电容，其次是碳膜电阻和湿球温度表。和湿球温度表。18气象仪器分析课件8.1.1 测量仪器（续）2. 气压水银气压表精度高，但不能自动。水银气压表精度高，但不能自动。多用电容式金属膜盒、硅单晶膜盒以及多用电容式金属膜盒、硅单晶膜盒以及硅单晶压敏片等几种。硅单晶压敏片等几种。由于精度低，需采取措施，保证测量结由于精度低，需采取措施，保证测量结果的稳定性：果的稳定性：采用三个空盒元件同时进行读数，保证误差采用三个空盒元件同时进行读数，保
12、证误差在规定的范围内，否则，予以放弃；在规定的范围内，否则，予以放弃；保持与水银气压表的定期对比。保持与水银气压表的定期对比。19气象仪器分析课件8.1.1 测量仪器（续）3. 风向和风速有三种型号：有三种型号：小型风杯风速计小型风杯风速计 和和 轻型单尾风标轻型单尾风标机身型旋桨式风向风速计机身型旋桨式风向风速计二维超声风速计二维超声风速计选择何种型号，取决于业务类型和性质选择何种型号，取决于业务类型和性质微气象观测：选一、三，它们的启动风速小微气象观测：选一、三，它们的启动风速小气象业务：选二气象业务：选二20气象仪器分析课件8.1.1 测量仪器（续）4. 雨量几乎全部采用翻斗式雨量计。几
13、乎全部采用翻斗式雨量计。在数据采集板上专门设置了一个输入口，在数据采集板上专门设置了一个输入口，专为输入此类不定时的触发信号。专为输入此类不定时的触发信号。该输入口有信号整形、状态翻转、唤醒该输入口有信号整形、状态翻转、唤醒值守以及计时和存储功能。值守以及计时和存储功能。21气象仪器分析课件8.1.2 数据采集板功能：功能：将元件探测到的信号进行摄取、处理，将元件探测到的信号进行摄取、处理，并转化为统一的数字信号，按一定的并转化为统一的数字信号，按一定的格式排列成数据文件，输出到输出接格式排列成数据文件，输出到输出接口，然后利用某种传输方式送到主中口，然后利用某种传输方式送到主中心站。心站。2
14、2气象仪器分析课件8.1.2 数据采集板（续）一般气象仪器的输出有四种方式：一般气象仪器的输出有四种方式：模拟量：模拟量：电压、电流、电阻、电动势电压、电流、电阻、电动势频率量：频率量：如风杯风速计的输出如风杯风速计的输出触发脉冲信号触发脉冲信号如翻斗式雨量计如翻斗式雨量计数字信号数字信号如风向标的码盘输出如风向标的码盘输出23气象仪器分析课件8.1.2 数据采集板（续）数据采集板一般的通道：数据采集板一般的通道：16个模拟通道个模拟通道1个频率通道个频率通道1个触发脉冲通道个触发脉冲通道4个数字通道个数字通道24气象仪器分析课件8.1.3 数据传输方式数字化后的数据，可以通过数字化后的数据，
15、可以通过RS 232或或RS 485接口输出。接口输出。输出后的发送方式可以有四种：输出后的发送方式可以有四种：对计算机对计算机RS 232或或RS 485接口直接连接；接口直接连接；通过双音频电话系统输出；通过双音频电话系统输出；以以VHF（甚高频）或（甚高频）或UHF（超高频）调频（超高频）调频通讯体制对中心站实施数据传输；通讯体制对中心站实施数据传输；使用卫星调相体制的无线传输。使用卫星调相体制的无线传输。25气象仪器分析课件8.1.3 数据传输方式（续）1. RS 232C 接口它是收据终端（它是收据终端（DTE）和数据传输设备和数据传输设备（DCE）之间的串行二进制数据交换接口。之间
16、的串行二进制数据交换接口。RS 表示推荐标准表示推荐标准232 是识别代号是识别代号C 是版本号是版本号RS232C接口的最大缺点：接口的最大缺点：传输距离太短传输距离太短长距离传输时可以在接口的两端加推动器，或是改长距离传输时可以在接口的两端加推动器，或是改用远程传输接口，如用远程传输接口，如RS 485等等 26气象仪器分析课件8.1.3 数据传输方式（续）1. 电话通讯接口板核心部分有两个：核心部分有两个：一是将数字信号一是将数字信号“0”和和“1”通过音频合成通过音频合成器转换为电话的双音频器转换为电话的双音频二是采用特殊的四线传送体制二是采用特殊的四线传送体制而实际电话线仍是双线，必
17、须通过而实际电话线仍是双线，必须通过2至至4线网络线网络器完成器完成2至至4线性能转换线性能转换27气象仪器分析课件8.1.3 数据传输方式（续）3. 数据无线传输采用以下技术：采用以下技术：VHF 甚高频甚高频UHF 超高频超高频卫星卫星三者的调相体制的无线发射机的主要结三者的调相体制的无线发射机的主要结构完全相似。构完全相似。28气象仪器分析课件8.1.3 数据传输方式（续）3. 数据无线传输发射机发生频率的三个部件：发射机发生频率的三个部件：频综起频综起功率输出级压控振荡器功率输出级压控振荡器400MHz基准信号发生器基准信号发生器实施：实施：每一个自动气象站可选择其中一个频点发送，每一
18、个自动气象站可选择其中一个频点发送，各个自动气象站的发射频率完全错开，不互各个自动气象站的发射频率完全错开，不互相干扰，中心站进行逐个跟踪，接收其传送相干扰，中心站进行逐个跟踪，接收其传送的资料。的资料。29气象仪器分析课件8.1.3 数据传输方式（续）3. 数据无线传输自动站工作正常与否，除了取决于探测自动站工作正常与否，除了取决于探测仪器和线路板的质量外，还有一些技术仪器和线路板的质量外，还有一些技术因素必须予以关注。因素必须予以关注。电源：电源：即使有交流电，仍需配置可充电电池即使有交流电，仍需配置可充电电池避雷措施：避雷措施：在自动站的各功能板的前端均设置防止强电流在自动站的各功能板的
19、前端均设置防止强电流冲击的短路和跳闸设施，更需要有一个良好的冲击的短路和跳闸设施，更需要有一个良好的接地系统（小电阻的接地装置）接地系统（小电阻的接地装置）30气象仪器分析课件8.2 水文气象自动站系统水文气象观测的两个主要素：水文气象观测的两个主要素：v 降水量降水量v 水位水位主要介绍水位观测系统。主要介绍水位观测系统。31气象仪器分析课件8.2 水文气象自动站系统（续）水位观测的仪器类型水位观测的仪器类型较多，最常用的是较多，最常用的是浮浮子水位计子水位计。其基本结构如图其基本结构如图由一根水泥管打入河由一根水泥管打入河床形成水位探测竖井，床形成水位探测竖井，水泥管下部有孔与水水泥管下部
20、有孔与水体相通。体相通。32气象仪器分析课件8.2 水文气象自动站系统（续）浮子随水位的涨落上下位移，计量水位浮子随水位的涨落上下位移，计量水位高低的探头是一个码盘，钢带绕过码盘高低的探头是一个码盘，钢带绕过码盘主轴的法兰盘一头系在浮子上，而另一主轴的法兰盘一头系在浮子上，而另一端加上配重与浮子平衡，并保持钢带始端加上配重与浮子平衡，并保持钢带始终处于恒张力的状态。终处于恒张力的状态。浮子上下的位移带动码盘旋转，并通过浮子上下的位移带动码盘旋转，并通过码盘的计数电路输出水位变动的数值。码盘的计数电路输出水位变动的数值。码盘有磁码盘和光码盘两种类型，磁码盘在码盘有磁码盘和光码盘两种类型，磁码盘在
21、坚固耐用、不损坏方面有明显的优势。坚固耐用、不损坏方面有明显的优势。33气象仪器分析课件8.3 农业气象观测系统最主要项目：最主要项目： 土壤含水量土壤含水量 光合有效辐射光合有效辐射34气象仪器分析课件8.3.1 烘干失重法最原始的土壤含水量观测方法是取土样最原始的土壤含水量观测方法是取土样烘干称重。烘干称重。35气象仪器分析课件8.3.2 中子散射法中子湿度仪中子湿度仪根据中子散射过程被氢减速的原理测量土壤根据中子散射过程被氢减速的原理测量土壤的含水量。的含水量。仪器分两部分：仪器分两部分：q 探测器探测器q 计数器计数器36气象仪器分析课件8.3.2 中子散射法（续）中子湿度仪的优点：中
22、子湿度仪的优点： 测量没有滞后测量没有滞后测量的直接结果是单位体积土壤的含水量；测量的直接结果是单位体积土壤的含水量； 与土壤密度无关与土壤密度无关测量范围可以从干土到饱和水分测量范围可以从干土到饱和水分37气象仪器分析课件8.3.3 时域反射法简称简称TDR法：法：v 测定土壤的介电常数，进而推算土壤含水测定土壤的介电常数，进而推算土壤含水量量v优点：优点：该方法能精确、快速和连续不取土样的条件该方法能精确、快速和连续不取土样的条件下测定土壤含水量下测定土壤含水量是目前推广的一种新型测定方法是目前推广的一种新型测定方法38气象仪器分析课件8.3.3 时域反射法（续）基本原理：基本原理：电磁波
23、在介质中传播的速度与介电常数的平电磁波在介质中传播的速度与介电常数的平方根成反比，可根据土壤中沿探针传播的脉方根成反比，可根据土壤中沿探针传播的脉冲时间测定含水土壤的介电常数，进而推出冲时间测定含水土壤的介电常数，进而推出土壤含水量。土壤含水量。39气象仪器分析课件8.3.4 张力计法测定土壤水势的常用方法。测定土壤水势的常用方法。40气象仪器分析课件8.3.5 光合有效辐射的测量植物的叶绿素依靠阳光进行光合作用植物的叶绿素依靠阳光进行光合作用被叶绿素吸收的辐射波长为被叶绿素吸收的辐射波长为400700nm，吸收率吸收率在在6090，超过，超过700nm的红外辐射对光合作的红外辐射对光合作用无
24、影响，低于用无影响，低于400nm的紫外辐射能量很小，它对的紫外辐射能量很小，它对光合作用的影响也可不予考虑。光合作用的影响也可不予考虑。植物吸收光辐射，激发叶绿素分子进行光化学植物吸收光辐射，激发叶绿素分子进行光化学反应，进行反应的分子数与光辐射在各个波段反应，进行反应的分子数与光辐射在各个波段的光子数目有一定的关系。的光子数目有一定的关系。在农业气象中，对短波辐射测量的不是其辐射在农业气象中，对短波辐射测量的不是其辐射通量密度值，而是在通量密度值，而是在400700nm波段范围内波段范围内的光子数目。的光子数目。41气象仪器分析课件8.4 微气象观测系统是指温、湿、风梯度观测和辐射平衡各是
25、指温、湿、风梯度观测和辐射平衡各项的观测项的观测特点：特点：输入通道数目较大输入通道数目较大因为在较小的区域内观测，需要较多的观测点因为在较小的区域内观测，需要较多的观测点要求精度高要求精度高如果精度不高，就无法区别相邻两点的差异，如果精度不高，就无法区别相邻两点的差异，就失去了微观测的意义。就失去了微观测的意义。42气象仪器分析课件8.4.1 温、湿梯度的测量仪器：干湿球湿度表仪器：干湿球湿度表只有它能达到要求的精度只有它能达到要求的精度但是他们的防辐射通风管的防辐射性能成为但是他们的防辐射通风管的防辐射性能成为控制其精度的关键。控制其精度的关键。仪器的摆放：仪器的摆放：q 采用交错移位系统
26、采用交错移位系统q 翻转系统翻转系统如果实施多高度翻转，则可以连续测量较厚气如果实施多高度翻转，则可以连续测量较厚气层内的温、湿度廓线。层内的温、湿度廓线。43气象仪器分析课件8.4.2 风速廓线的测量仪器：风杯风速计仪器：风杯风速计多选用微气象等级的风杯，启动风速较小。多选用微气象等级的风杯，启动风速较小。仪器的安装：仪器的安装：主支架：圆柱杆、三角形桅杆塔主支架：圆柱杆、三角形桅杆塔伸臂伸臂在近地层测量风速廓线时，仪器安装的在近地层测量风速廓线时，仪器安装的高度多取等比级数分布。高度多取等比级数分布。44气象仪器分析课件8.4.3 土壤热通量的测量45气象仪器分析课件8.5 边界层系留探空
27、系统系系留留气气球球46气象仪器分析课件8.5 边界层系留探空系统（续）用缆绳拴在地面绞车上，能控制浮升高用缆绳拴在地面绞车上，能控制浮升高度的气球。度的气球。通常用聚脂薄膜做成流线形，缆绳长度通常用聚脂薄膜做成流线形，缆绳长度及与地面交角可以估算气球距地面高度，及与地面交角可以估算气球距地面高度，它可以携带测量仪器在指定高度作数小它可以携带测量仪器在指定高度作数小时连续测量，用完后收回作多次使用。时连续测量，用完后收回作多次使用。特别适用于大气污染监测和研究大气边特别适用于大气污染监测和研究大气边界层等界层等。47气象仪器分析课件8.5 边界层系留探空系统（续）主要探头：主要探头：测量干、湿球温度的热敏电阻测量干、湿球温度的热敏电阻电容式气压盒电容式气压盒轻型风杯风速计轻型风杯风速计用磁罗盘测定风向用磁罗盘测定风向整个探头是一台微型自动气象站：整个探头是一台微型自动气象站：数据采集、信号变低频、信号调制及射频电数据采集、信号变低频、信号调制及射频电路。路。48气象仪器分析课件
