自动气象站及气象传感器发展现状和前景分析.doc

自动气象站及气象传感器发呈现状和前景分析1 引言 所谓自动气象站，是指能按设定的要求，对多种气象要素自动进行采集、处理、存储和传输的地面气象观测设备，可以削减观测人员的地面观测工作量，提高观测时效和质量自二十世纪八十年头以来，芬兰、美国、日本等很多国家的地面气象观测网中就已普遍采纳了自动气象站1999年7月，我国引进芬兰VAISALA公司的5套自动气象站投入业务运行，这是我国首次将自动气象站作为正式观测运用，标记着我国地面气象观测进入了一个新的里程同时，我国也加快了自行研制生产自动气象站的步伐，第一批于2000年1月1日起正式投入业务运行目前，我国已普遍运用自动遥测气象站，实现了人工气象站与自动气象站的联合观测 自动气象站在我国已运行多年，气象工作者积累了丰富的阅历，同时也发觉很多问题传统自动气象站的结构为集中式，数据采集器必需与详细的传感器匹配，系统开放性不高，不适用于气象传感器的替换或增加尽管国产的自动气象站发展快速，但气象传感器的技术水平较低，距世界先进水平还有肯定的差距由此可见，要进一步提升我国地面气象观测的自动化水平，升级自动气象站和提升国产传感器的生产水平是关键。

在对自动气象站进行改造和升级换代时，应当以丰富的阅历为基础，以实际业务需求为参考，研制国际领先的自动气象站和气象传感器 当前，随着微电子技术、计算机技术、卫星技术和材料科学的发展，很多新技术都应用到气象观测自动化中，大大提高了气象传感器的探测精度和可维护性因此，有必要了解当前国际自动气象站和气象传感器方面的最新发展和动态，为我国自动气象站及气象传感器技术的发展供应借鉴2 自动气象站的工作原理及结构 自动遥测气象站一般由传感器、数据采集器、主控微机、显示打印系统和供电系统等部分组成，传感器包括有温湿度传感器、气压传感器、风向风速传感器和降水传感器等自动气象站将各要素传感器所测要素的量值以各种电信号（模拟信号和数字信号）的形式传入或数据采集器；数据采集器采集各传感器信号，并对信号进行处理，通过一根通讯电缆与主控机进行通讯；主控微机接收数据采集器传送来的数据信号，并通过终端软件按地面气象观测规范的要求，实施地面气象观测业务工作，其工作原理如图1所示3 自动气象站的发呈现状3.1 国内自动气象站发呈现状 当前国内有多个厂家生产自动气象站，如北京华创升达高科技发展中心和天津气象仪器厂的CAWS 系列、长春气象仪器厂的DYYZ II系列、江苏无线电探讨所的ZQZ_C II系列、广东省气象技术装备中心的ZDZ II型和北京阿斯曼科技发展公司的ASM、XYZ系列。

其中CAWS600、XYZ06以及机场地面气象观测自动化系统在军队和地方台站得到了广泛的推广和应用下面列出部分自动气象站的结构组成及其采纳的部分气象传感器表1 三种自动气象站产品的结构组成和传感器运用对比 综合各种型号的自动气象站在我国的应用状况，总结如下： （1）大部分自动气象站采纳集中式结构，系统开放性不高，不同型号的传感器对应不同的数据采集器，各厂家之间标准不统一修理或增加传感器都必需对自动气象站重新进行校准标定，过程困难，不符合我国气象发展战略探讨中“综合气象观测系统工程”的发展要求 （2）国产自动气象站所采纳的气象传感器主要依靠进口，受技术水平和生产工艺的限制，国产传感器的精确性、牢靠性较差观测项目仅限于传统的温、压、湿、风和降水等六要素，云、能见度、降水现象等气象要素急须要纳入自动气象站的观测项目 （3）国产自动气象站所采纳的数据采集器大多与相应的自动气象站配套运用，当须要扩充自动气象站观测功能，增加新的气象要素传感器时，不能干脆进行升级，必需更换，从而造成重复建设和资源奢侈3.2 国外自动气象站发呈现状 目前全世界的70多个国家和20多个地区和组织基本上都是运用芬兰VAISALA公司的气象产品进行气象观测，自动气象站也不例外。

VAISALA公司自动气象站的代表系列是MAWS系列，目前在全球的大多数国家和地区运用的是MAWS201系列，该系列现已发展到了MAWS301、MAWS410系列与国产自动气象站相比，国外的自动气象站和气象传感器具有如下特点： （1）气象传感器技术先进，产品精确性和稳定性优越，除基本的六要素传感器外，土壤和水的温度、太阳辐射、土壤湿度、能见度、云等要素的传感器已经有成熟的产品出现 （2）自动气象站可以依据用户的不同需求增减传感器的种类和数量，实际操作简便采纳通用的数据传输格式，用户能自由配置数据的输出格式基本满意世界各国各种业务应用的须要 （3）自动气象站采纳良好的防护措施，能够适用于各种困难环境在装备运用的机动性、操作的便捷性、修理的快捷性、恶劣环境的适应性等方面都做得较好 （4）尽管国外自动气象站和传感器性能优越，但是通过进口自动气象站在中国长期运行的状况来看，其硬件和软件的表现都不尽如人意这是因为国外自动气象站的结构、传感器和软件等都是针对当地的详细状况设计的，并不完全符合我国的实际状况4 自动气象站的发展前景 通过对国内外自动气象站现状的分析可以看到，尽管目前国内的自动气象站基本能满意气象业务的须要和环境的要求，但存在不足和缺陷也较大。

必需充分相识到我国气象观测水平与国外先进技术相比还有较大的差距，为了满意不断提高的气象观测需求，提高我国气象观测事业的整体水平，应重点发展新一代自动气象站，对气象传感器、数据处理等关键技术进行改进，使我国的新一代自动气象站能够进入世界一流的行列4.1 自动气象站结构 自动气象站应最大程度地保证自动运行以削减维护费用和人力资源因此其结构设计要充分留意模块化和扩展性若有额外的传感器须要加入，只须要将新的传感器插入自动气象站而不须要变更已经存在的硬件结构并且任何硬件模块都应是可升级的，以适应仪器将来的扩展目前，我国所运用的自动气象站都属于集中式，结构封闭；国内各厂家生产的传感器独立性不强，互换性差；为了保证集中式自动气象站观测数据的精确性，每次修理或更换传感器都要重新校准标定，且必需整机进行，使得校标过程过于困难对于这些弊端，基于总线制分布式或网络型结构的自动气象站可以很好地解决，成为自动气象站发展的趋势之一 分布式自动气象站里所采纳的智能传感器不同于一般的气象传感器，区分在于智能传感器不是输出电信号，而是将电信号经过信号变换、采样计算，干脆输出我们所须要的气象数据，一个智能传感器就相当于一个一体化的单要素自动站。

分布式自动气象站所谓的“分布”，一方面是指硬件设备不是集中在一起，而是分散在一个相对广泛的区域里，通过一条数据总线把各个部件连接起来；另一方面是指硬件各部分相对独立，数据采集分散在各个智能传感器里面总线限制器负责供应现场总线（RS485或CAN总线），分布在不同区域里的各种智能传感器都可以通过该总线与计算机进行数据通讯，从而实现分布测量，如图2图2 分布式自动气象站结构示意图 江苏省无线电科学探讨所研制的新一代自动气象站——ZQZ-B型分布式自动气象站，正是利用该原理研制而成的自动气象站此类自动气象站具有如下特点：（1）面对用户，可自由组合、积木式构建系统；（2）CAN总线结构，开放式设计，传感器独立性好，可随意增减和组合，运用维护便利；（3）采集通道零误差，精度主要取决于传感器的精度4）可以进行有线或无线技术大范围组网 总线制分布式气象要素采集系统的探讨、开发将使测报自动化系统冲破长期封闭的禁锢，走上开放发展的道路，这对自动气象站的发展是极好的机遇在推动我国气象观测业务发展的进程中，应当向着趋于开放统一的方向发展，建立共同遵守的标准规范，而这符合中国气象发展战略探讨中“综合气象观测系统工程”的发展要求。

4.2 气象传感器 自动气象站主要包括传感器、数据采集、数据传输、数据处理等部分，其中最能确定自动气象站性能的是气象要素传感器在众多气象要素中，观测基本六要素的传感器已经实现业务化，其中部分传感器须要进口；能见度传感器已经有产品出现，国内厂家（如洛阳卓航）已经能够自主生产能见度仪，但是受设备牢靠性、成本等因素的限制，在自动气象站中还没有实现业务化；云、降水现象传感器正在研制过程中，受云图识别理论和相关仪器发展的限制，尚没有出现成熟的产品另外，PWV（大气柱可降水汽总量）、大气电场、雷电极性和位置等参数也是需纳入到自动气象站的观测范围中，这些资料对于危急天气的监测和预警、短时天气预报有着特别重要的作用 要真正提高我国气象观测水平，必需研制高精度、高牢靠性的气象传感器；在提高现有传感器的探测精度和牢靠性的同时，研制符合实际需求的其他要素的气象传感器；规范国产传感器的生产标准，不同厂家的产品应当遵守统一的标准，使同一型号的传感器能够相互替换4.2.1 基本六要素传感器 对于基本的温度、湿度、大气压强、风速、风向和降水量六要素的观测，目前自动气象站有部分传感器须要进口，国产传感器在精确度、稳定性、牢靠性等方面与进口传感器有肯定差距。

因此国内厂家应汲取国外先进阅历，改进生产工艺，突破关键技术，生产符合自动气象站观测要求的气象传感器，提高气象传感器的国产化水平 社会需求的不断增加和观测标准的不断提高对气象要素观测提出了新的要求，观测项目不断增加，更多的新技术和新方法应用到气象观测领域中温度方面，随着不同观测要求的出现，地面温度、土壤温度和水面温度等也渐渐成为自动气象站的观测项目，这对温度传感器的精度和稳定性提出了更高的要求；湿度方面存在的主要问题是湿度传感器难以在全温度量程范围内达到同样的测量精确度，在低温低湿条件下湿度传感器性能变差，响应迟缓，这是世界范围内大气探测的主要难题之一，亟待突破；气压方面，由于振筒气压仪和硅压阻气压传感器发展比较成熟，符合自动气象站的观测要求，目前对气压传感器的相关探讨较少；风速、风向方面，传统风向标和风杯的机械结构确定了其系统误差不行避开，且易受恶劣环境影响，而超声波风速仪、横风传感器等固态测风传感器的出现，不仅解决了机械摩擦问题，提高了测量精确度，而且环境适应性大大提高，在恶劣环境下仍可正常工作，成为风速、风向测量的主要发展方向；降水量方面，自动气象站主要是利用翻斗式雨量计对降水量进行观测和记录，观测项目单一，其它传感器，如光学雨强计、超声波测雪仪、冻雨传感器等 ，均只能对降水现象中的一个项目进行测量，应用有限。

当前的趋势是发展能够对降水量、降水类型和强度等多要素进行测量的技术4.2.2 蒸发、辐射、日照传感器 除了基本的六要素的测量外，部分自动气象站还担当了蒸发、辐射和日照的观测业务自动气象站测量蒸发用的传感器主要是浮子式数字水面蒸发传感器和超声波蒸发传感器，测量日照时间用的传感器主要是双金属片日照传感器和旋转式日照传感器，此类传感器多为进口，国内相关产品较少 辐射的测量项目较多，依据国际气象组织WMO标准[错误！未定义书签]，包括总辐射、散射辐射、干脆辐射、反射辐射、净全辐射和分光谱辐射等相应的传感器也较多，有总辐射表、反射辐射表、散射辐射表、干脆辐射表、净全辐射表、长波辐射表、紫外辐射表等CAWS600-B型自动气象站中就装备有总辐射表（TBQ-2-B）、干脆辐射表（FBS-2-B）和净辐射表（FNP-1）目前，我国的自动气象站对于辐射的观测还没有完全实现业务化4.2.3 测云传感器 云的观测项目包括云的量、状、高，目前能够进行业务观测的只有云高目前适用于自动气象站的云底高测量仪器主要是激光测云仪受云图识别理论和相关仪器发展的限制，自动气象站尚不能对云量和云状进行观测 目前国内外发展的趋势是利用可见光CCD和红外辐射方式对云进行测量。

可见光CCD可以获得白天云的分布图。