新型自动气象（气候）站功能规格书 - 图文

新型自动气象（气候）站功能规格书

（业务试用版）

2012年8月

目 录

1 前言 ............................................................................................................................................. 1 1.1 目标 ........................................................................................................................................... 1 1.2 编写原则 ................................................................................................................................... 1 1.3 编写依据 ................................................................................................................................... 1 2 组成结构 ..................................................................................................................................... 2 2.1 概述 ........................................................................................................................................... 2 2.2 采集器 ....................................................................................................................................... 3 2.3 总线 ........................................................................................................................................... 8 2.4 传感器 ....................................................................................................................................... 8 2.5 外围设备 ................................................................................................................................... 9 2.6 软件 ........................................................................................................................................... 9 3 总线物理接口及应用层协议 ..................................................................................................... 10 3.1 物理接口 ................................................................................................................................. 10 3.2 连接器 ..................................................................................................................................... 11 3.3 应用层协议 ............................................................................................................................. 11 4 功能要求 ................................................................................................................................... 12 4.1 软件初始化 ............................................................................................................................. 12 4.2 数据采集 ................................................................................................................................. 12 4.3 数据处理 ................................................................................................................................. 12 4.4 数据存储 ................................................................................................................................. 13 4.5 数据传输 ................................................................................................................................. 16 4.6 数据质量控制 ......................................................................................................................... 17 4.7 终端操作命令 ......................................................................................................................... 22 4.8 GPS对时功能 ......................................................................................................................... 24 4.9 人工输入观测资料 ................................................................................................................. 24 4.10 嵌入式软件在线升级 ............................................................................................................. 24 5 测量性能 ................................................................................................................................... 24 5.1 测量的气象要素 ..................................................................................................................... 24

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5.2 量和单位 ................................................................................................................................. 25 5.3 要求 ......................................................................................................................................... 26 5.4 采样和算法 ............................................................................................................................. 27 6 嵌入式软件流程 ........................................................................................................................ 39 6.1 采集软件流程 ......................................................................................................................... 39 6.2 数据流程 ................................................................................................................................. 40 7 传感器要求 ............................................................................................................................... 41 7.1 气压传感器 ............................................................................................................................. 41 7.2 温度测量传感器 ..................................................................................................................... 42 7.3 湿度测量传感器 ..................................................................................................................... 42 7.4 风测量传感器 ......................................................................................................................... 43 7.5 降水测量传感器 ..................................................................................................................... 44 7.6 蒸发测量传感器 ..................................................................................................................... 45 7.7 红外地表测温仪 ..................................................................................................................... 45 7.8 辐射测量传感器 ..................................................................................................................... 46 7.9 日照测量 ................................................................................................................................. 47 7.10 能见度测量传感器 ................................................................................................................. 47 7.11 土壤水分传感器（时域反射法：TDR法或频域反射法：FDR法） .................................. 48 7.12 地下水位测量传感器 ............................................................................................................. 48 7.13 天气现象观测传感器 ............................................................................................................. 48 7.14 云量测量传感器 ..................................................................................................................... 49 7.15 积雪深度测量传感器 ............................................................................................................. 49 7.16 冻土深度测量传感器 ............................................................................................................. 49 7.17 电线积冰测量传感器 ............................................................................................................. 49 7.18 闪电频次测量传感器 ............................................................................................................. 49 7.19 海洋测量传感器 ..................................................................................................................... 49 8 供电电源要求 ............................................................................................................................ 49 9 安全要求 ................................................................................................................................... 50 9.1 标记要求 ................................................................................................................................. 50 9.2 文件要求 ................................................................................................................................. 50 9.3 结构安全 ................................................................................................................................. 51 9.4 电气安全 ................................................................................................................................. 51

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10 工作环境适应性要求 ................................................................................................................ 52 10.1 气候条件 ................................................................................................................................. 52 10.2 生物条件 ................................................................................................................................. 53 10.3 化学活性物质 ......................................................................................................................... 53 10.4 机械条件 ................................................................................................................................. 53 11 电磁兼容性要求 ........................................................................................................................ 53 11.1 电磁骚扰限值要求 ................................................................................................................. 53 11.2 电磁抗扰度要求 ..................................................................................................................... 54 12 防雷要求 ................................................................................................................................... 54 12.1 一般要求 ................................................................................................................................. 54 12.2 直接雷击的防护措施 ............................................................................................................. 54 12.3 雷击电磁脉冲的防护 ............................................................................................................. 54 13 结构和外观要求 ........................................................................................................................ 55 13.1 机械结构要求 ......................................................................................................................... 55 13.2 机械强度要求 ......................................................................................................................... 55 13.3 材料与涂复要求 ..................................................................................................................... 56 13.4 外观要求 ................................................................................................................................. 56 14 可靠性要求 ............................................................................................................................... 56 15 可维护性要求 ............................................................................................................................ 56 16 其他要求 ................................................................................................................................... 56 16.1 时钟精度要求 ......................................................................................................................... 56 16.2 功耗要求 ................................................................................................................................. 57 16.3 观测的时制 ............................................................................................................................. 57 16.4 扩展性要求 ............................................................................................................................. 57 16.5 互换性要求 ............................................................................................................................. 57 16.6 传感器选型 ............................................................................................................................. 57 16.7 人机界面要求 ......................................................................................................................... 57 17 检验要求 ................................................................................................................................... 58 18 附录 ........................................................................................................................................... 58

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1 前言

1.1 目标

提高防灾减灾能力，做好应对气候变化工作，是党和政府对气象部门的根本要求，也是气象工作者的重要责任。做好这些工作，核心是提高预报预测准确率，根本是增强防御和减轻气象灾害的服务能力，而综合气象观测系统提供的准确、可靠的观测数据，是提高预报预测准确率和服务能力的重要保证。为了满足天气、气候需要的基本气象资料，形成天气、气候要素长期、连续和稳定可靠观测能力，必须进一步提升我国地面气象观测的自动化水平。

本功能规格书编写按照统一标准、统一功能、统一结构、统一方法、统一规范的设计思路，做到各部件或模块互换的自适应，形成统一型号的新型自动气象（气候）站，达到满足现有气象观测站的气候观测、天气观测和区域观测业务的需要。任何生产厂家生产的自动气象站必须以此功能规格书为标准，组织研发、生产型号统一的自动气象站，由中国气象局组织统一考核通过，才能进入列装。

1.2 编写原则

采用当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设计基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气象观测全要素自动观测。

新型自动气象（气候）站应该做到高精度、高稳定、易维护、低功耗、易扩展和实时远程监控，按照“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”的结构设计，对主/分采集器、总线结构、传感器、外围设备、软件、现场标校设备的各个部分，从功能、结构、通信协议、数据采集、数据存储、数据质量控制、数据传输、电气接口标准、生产工艺全面进行规定。本着先粗后细，不断完善的原则，逐步形成具备能够统一型号的生产标准性文件。

各有关附录均为本功能规格书的重要组成部分。 1.3 编写依据

现代气象业务对综合气象观测提出了更高的要求，目前现有自动气象站在观测能力上存在着严重不足，同时技术落后，功能规格不统一，致使型号繁多。当今现代电子测量和控制技术得到快速发展，我国近十年来地面气象观测站网大量使用自动气象站和自动气候站考核取得了许多成功的经验，为实现具备多功能、全要素、统一型号的新型自动气象（气候）站提供基础。本功能规格书编写的主要依据有。

a) 中国气象局关于发展现代气象业务的意见； b) 综合气象观测系统业务发展指导意见；

c) WMO CIMO《气象仪器和观测方法指南（第六版）》； d) 中国气象局《地面气象观测规范》（2003年）；

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e) 自动气象站质量控制程序指南（ET AWS-4, FINAL REPORT, Annex 3. WMO .

CBS ） f)

NOAA Automated Surface Observing System（ASOS）User’s Guide 1998.3

2 组成结构

2.1 概述

新型自动气象（气候）站基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，采用了国际标准并遵循标准、开放的技术路线进行设计，它由硬件和软件两大部分组成。硬件包括采集器（1个主采集器和若干个分采集器）、外部总线、传感器、外围设备四部分；软件包括嵌入式软件、业务软件二部分。其总体结构如图1所示。

图1 总线式自动气象站结构

其中，温湿度测量既可以使用温湿度智能传感器，也可将温度、湿度传感器直接挂接到

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主采集器上；称重式降水传感器既可采用串口方式挂接在主采集器上，也可挂接在气候分采集器上。

自动气象站的核心是基于CAN（Controller Area Network，控制器区域网）总线技术和国际标准CANopen协议进行设计，涉及物理层、数据链路层和应用层的标准定义。满足此定义和功能规格书的主/分采集器具备统一的物理接口和应用接口，从而达到兼容、互换的目的。

为了实现自动气象站的最小配置，将基本气象要素传感器直接挂接在主采集器上。可以对自动气象站进行不同的配置，以实现不同观测任务或满足不同类别气象观测站的需要，以最大限度地方便维护和降低维护成本。

在已建自动气象站扩展新的测量要素或增加传感器时，不需要对系统已有的传感器连接、布线作改动，只需要将新的分采集器和/或传感器加入到系统中，并进行简单的软件升级/配置。

外围设备主要包括电源、[终端]微机、通信接口和外存储器。 2.2 采集器 2.2.1 主采集器

主采集器是自动气象站的核心，由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的 A/D 电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据存储器、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。其结构框如图2所示。

图2 自动气象站主采集器结构

主采集器嵌入式处理器的选取还应满足下列要求：

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a) 综合考虑速度、功耗、环境要求，能支持嵌入式实时操作系统的运行并具有内置的

Watchdog 功能，采用当前市场主流ARM9系列的32位处理器； b) 选择 16 位以上的 A/D 转换电路，以满足传感器的测量要求； c) 实时时钟电路能保证误差 15s/月的要求；

d) 程序存储器为非易失性的，容量满足嵌入式软件的容量要求，并具有 50% 的余量； e) 数据存储器为非易失性的，容量满足数据存储的要求，并具有 50% 的余量； f) RAM满足嵌入式软件的运行要求，并且有 30% 的余量。

主采集器直接挂接的传感器包括：气温、湿度、气压、降水量（翻斗或容栅式、大翻斗式）、风向（10m高度）、风速（10m高度）、总辐射、蒸发和能见度。其通道配置要求如表1所示。

表1 主采集器接入传感器通道配置要求 传感器类型 气温 湿度 气压 风向 风速 降水量 总辐射 能见度 蒸发量 称重降水 渐近开关 应具备表2所示的通信接口。

表2 主采集器通信接口配置要求

通信接口 CAN RS 232 RS 232 RS 485 RJ 45 主采集器应具备外接存储器，包括：

? 1 个CF 卡； ? 2 个USB。

主采集器应具备监测电路，包括： ? 主板温度测量； ? 主板电源测量； ? 交流供电检测；

通道类型 模拟（铂电阻） 模拟（电压） RS232 数字（7位格雷码） 数字（频率） 数字（计数） 模拟（差分电压） RS485或RS232 模拟（电流） RS485或RS232 数字（电平） 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 用途 主、分采集器通信 终端操作 GPS对时 业务计算机通信 网络通信 数量 1 2 1 1 1 -4-

? 主采集器机箱门状态检测。 主采集器应具备指示灯，包括：

? 系统指示灯（秒闪）； ? CF 卡指示灯。

在线编程接口应包括：RS 232或RJ 45。

主采集器的主要有两大功能：一是完成基本气象要素传感器和各个分采集器的采样数据，对采样数据进行控制运算、数据计算处理、数据质量控制、数据记录存储，实现数据通信和传输，与终端微机或远程数据中心进行交互；二是担当管理者角色，对构成自动气象站的其他分采集器进行管理，包括网络管理、运行管理、配置管理、时钟管理等以协同完成自动气象站的功能。 2.2.2 分采集器

分采集器由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的 A/D 电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序存储器、参数存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、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。其结构框图如图3所示。

分采集器嵌入式处理器的选取还应满足下列要求：

a) 应综合考虑速度、功耗、环境要求，具有内置的 Watchdog 功能； b) 应选择 16 位以上的 A/D 转换电路，以满足传感器的测量要求； c) 实时时钟电路应能保证误差 15s/月的要求；

d) 程序存储器应为非易失性的，容量应满足嵌入式软件的容量要求，并具有 50% 的

余量；

e) 参数存储器应为非易失性的，容量应满足数据存储的要求，并具有 50% 的余量； f) RAM 应满足嵌入式软件的运行要求，并且有 30% 的余量。

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图3 自动气象站分采集器结构

按照气象要素性质的不同，分采集器划分为：

a) 基本观测气象要素采集器（各传感器直接挂接在主采集器）； b) 气候观测分采集器； c) 辐射观测分采集器； d) 地温观测分采集器； e) 土壤水分观测分采集器；

f) 云（云高、云量）、天气现象、积雪、水位等智能化传感器； g) 海洋气象观测分采集器； h) 温湿度智能传感器等。

分采集器负责所接入传感器对应气象要素的测量，在工作状态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。各分采集器的通信接口和测量通道配置如表3。

表3 各分采集器的基本配置要求 接口数（个） 分采集器 至少可挂接传感器 CAN总线 气温（3支）、通风防辐射气候观测 罩（3组）、称重式降水量、大翻斗式雨量、风速（1.5米）、地表温度（红外） 总辐射、直接辐射、反射辐射、散射辐射、紫外辐射A、辐射观测 紫外辐射B、大气长波辐射（含腔件温度）、光合有效辐射、地球长波辐射（含腔件温度）、日照 地温观测 地表温度（铂电阻）、草面温度、土壤温度（5cm、1 1 12 （差分） 1 1 12 （其中10个差分电压） 1 1 RS232 模拟量 5 （其中2个差分电压） 7 1 测量通道（个） 并行数字频率计数量 量 计数量

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10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm） 土壤水分观测 5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、100cm、180cm等层次 表层海水温度、海盐、海表波高、海表流速流向、水质、浮标方向 温湿度、地下水位、积雪、电线积冰、闪电频率 1 1 1 1 1 1 12 （差分电压） 海洋气象观测 智能传感器观测 分采集器应具备监测电路，包括： ? 主板温度测量； ? 主板电源测量。

分采集器应具备指示灯，包括： ? 系统运行指示灯； ? CANopen 操作指示灯； ? CANopen 错误指示灯；

? 分采集器应提供在线编程接口：RS 232。

分采集器能够监测自身的工作状态，至少包括以下内容： a) 主板温度； b) 工作电压； c) 传感器状态。

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。

2.2.3 温湿分采

温湿分采由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的 A/D 电路、参数存储器、传感器接口、CAN总线接口、RS232通信接口、监测电路、指示灯。

温湿分采的选取还应满足下列要求：

a) 应综合考虑速度、功耗、环境要求，具有内置的 Watchdog 功能； b) 应选择 16 位以上的 A/D 转换电路，以满足传感器的测量要求； c) 参数存储器应为非易失性的，容量应满足数据存储的要求。

温湿分采负责气温和湿度（百叶箱）的测量，在工作状态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。其基本配置要求见表4。

表4 温湿分采基本配置

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接口数（个） 智能传感器 温湿 至少可挂接传感器 气温（1支）、湿度（1支） CAN总线 RS232 1 1 测量通道（个） 并行数频率计模拟量 字量 数量 2 温湿分采应具备监测电路，包括主板电源测量。 温湿分采应具备指示灯，包括： a) 系统运行指示灯； b) CANopen 错误指示灯； c) 应提供在线编程接口：RS 232。

温湿分采应能够监测自身的工作状态，至少包括以下内容： a) 工作电压； b) 传感器状态。

在不更改任何硬件设备的前提下，可以通过本地终端对温湿分采嵌入式软件进行版本升级和测量参数订正。 2.3 总线

主采集器和分采集器或部分智能传感器之间采用CAN总线方式实现双工通信。 总线标准为ISO-11898，物理介质可以为双绞线、光纤等。CAN 总线的特性如下： a) 支持多主方式，可以实现系统冗余或热备份；

b) 可靠的错误处理和检错机制，错误严重的节点可自动关闭输出，发送的信息遭到破

坏后可自动重发，网络具备很高的可靠性；

c) 非破坏总线仲裁，允许多个节点同时发送信息，极高的总线利用率； d) 可实现点对点、一点对多点及全局广播， 无需专门的“调度”； e) 直接通信距离最远达10 km（速率5 kbps）；

f) 最高通信速率可达1Mbps（此时通信距离最远40m）； g) 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，抗干扰能力强；

h) 规定了数据链路层通信协议，且完全由硬件实现，设计人员无需再为此开发相关软

件（Software）或固件（Firmware）；

i) CAN总线具有较高的性价比――结构简单、器件容易购置且价格便宜、开发技术

容易掌握。

2.4 传感器

自动气象站使用的传感器，根据输出信号的特点，可分三类： a) 模拟传感器：输出模拟量信号的传感器；

b) 数字传感器：输出数字量（含脉冲和频率）信号的传感器；

c) 智能传感器：一种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，

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可以输出并行或串行数据信号。

模拟传感器、数字传感器、智能传感器连接到主采集器或分采集器，符合自动气象站总线接口的智能传感器可以直接挂在总线上作分采集器使用。

传感器的种类和数量根据实际需要测量的要素确定。 2.5 外围设备 2.5.1 电源

电源是组成自动气象站的外围设备之一。

12V直流电压是采集器的基本工作电压，采集器中其他直流工作电压应由此转换而成，该电压由蓄电池提供，需另外配置辅助电源（太阳能、风能）对蓄电池充电。 2.5.2 微机

即微型计算机，常用作采集器的终端实现对采集器的监控、数据处理和存储，按照业务规范完成地面气象观测业务。 2.5.3 通信接口

主采集器应配置RS 485接口，支持本地通信。

应配置以太网接口（RJ 45），以备接入本地局域网，可用于现场诊断维护或者是接入局域网提供WEB服务控制台。

应配置RS 232接口，以备挂接GPS授时模块和通信模块（无线或光电转换器），进行数据传输、现场测试或软件升级。 2.5.4 外存储器

采集器应具备通过外扩存储器（卡）的方式扩大本地数据存储能力，并将采集数据以文件方式进行存储。 2.6 软件

2.6.1 嵌入式软件

主/分采集器中运行的软件称嵌入式软件，由嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入式操作系统应选择实时性高、性价比好、稳定可靠的多任务实时操作系统（linux /μcos）。

在主采集器中，嵌入式软件建立在实时多任务操作系统的基础上，主要功能是： a) 实现CANopen主站协议，包括 NMT 管理、心跳消息检测、同步信号发送、PDO 发送和接收、SDO 服务、TimeStamp 发送；

b) 主采集器要在内部存储器和外部存储卡上实现 FAT 文件系统，存储数据文件、参数文件、配置文件、日志文件等；

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c) 主采集器应具备 GPS 自动对时功能，保证时间误差不大于1s，GPS对时功能失效时应提供报警功能；

d) 应实现基本的数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能；

e) 建立Web控制台（Web Console），实现远程参数的设置、数据监视、数据文件下载、主采集器复位等功能。

分采集器的软件要实现 CANopen 从站协议，包括接受 NMT 管理、同步信号接收、心跳消息服务、PDO 发送、SDO 服务、TimeStamp 接收，实现数据采集，包括：

a) 对传感器按预定的采样频率进行扫描和将获得的电信号转换成微控制器可读信号，得到气象变量测量值序列；

b) 对气象变量测量值进行转换，使传感器输出的电信号转换成气象单位量，得到采样瞬时值。

通过 CANopen 协议将采样数据发送到 CAN 总线。 2.6.2 业务软件

业务软件是安装在自动气象站微机中的应用软件，其主要功能：

a) 实现对主采集器参数设置、数据采集、各种报警和自动气象站运行监控； b) 实现自动气象站数据的实时上传；

c) 从采集器或外存储器读取数据或数据文件形成规定的采集数据文件； d) 实现对采集数据文件内容的查询、检索； e) 实现数据质量控制； f) 生成基本分析加工产品； g) 完成地面气象观测业务。

业务软件另行编制，本功能规格书仅规定监控功能和命令格式，见附录2。

3 总线物理接口及应用层协议

3.1 物理接口

新型自动气象（气候）站的总线物理接口采用 CAN 总线接口，ISO 11892-2 对此进行了详细规定，网络结构如图4所示。

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图4 CAN总线网络结构

3.2 连接器

连接器采用 CiA DR-303-1的工业级连接器中的开放形式连接器针脚标准，其结构如图5所示，针脚接线描述见表5。

图5 连接器结构

表5 连接器接线描述

针脚 1 2 3 4 5 3.3 应用层协议

主采集器和分采集器是CAN总线上的节点，它们之间的通信遵循CAN数据链路层协议和CANopen 应用层协议，实现网络管理服务和报文传送。

CAN总线标准已规定了数据链路层协议，目前为CAN2.0。数据链路层协议由CAN控制器在硬件上实现。

信号 CAN_GND CAN_L CAN_SHLD CAN_H CAN_V+ 描述 GND 或 0V 或 V- CAN_L线，显性为低电平 CAN 屏蔽（可选） CAN_H线，显性为高电平 CAN 收发器或光隔的电源（可选） -11-

主采集器和各分采集器通信协议的规定见附录1。

4 功能要求

4.1 软件初始化 4.1.1 主采集器

a) 对主采集器进行自检，准备存储器、外围设备；

b) 观测员可通过本地终端对主采集器设置，并修改所有保证自动气象站正常运行所必需的业务参数［缺省值］，包括观测站基本参数、传感器参数、通信参数、质量控制参数、气象报警阈值等；

c) 与各分采集器建立通信联系，进行必要的设置； d) 建立和运行观测任务。 4.1.2 分采集器

a) 对分采集器进行自检，准备外围设备；

b) 与主采集器建立通信联系，接受必要的参数设置； c) 建立并运行本采集器观测任务。 4.2 数据采集

a) 对传感器按预定的采样频率进行扫描和将获得的电信号转换成微控制器可读信号，得到气象变量测量值序列；

b) 对气象变量测量值进行转换，使传感器输出的电信号转换成气象单位量，得到采样瞬时值；

c) 对采样瞬时值，根据规定的算法，计算出瞬时气象值，又称气象变量瞬时值； d) 实现数据质量检查。 4.3 数据处理

a) 导出气象观测需要的其他气象变量瞬时值；这种导出通常是在数据采集获得的气象变量瞬时值的基础上进行的，也有通过更高频率的采样过程获得的，如瞬时风计算； b) 计算出气象观测需要的统计量，如一个或多个时段内的极值数据、专门时段内的总量、不同时段内的平均值以及累计量等；

c) 由主采集器生成采样瞬时值数据、瞬时气象值（分钟）数据、小时正点数据和监控数据，并写入数据内存储器，同时形成相应数据文件实时写入外存储器（各文件格式见附录3）； d) 实现数据质量检查。

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4.4 数据存储 4.4.1 采集器内部

主采集器存储1小时的采样瞬时值、7天的瞬时气象（分钟）值、1月的正点气象要素值，以及相应的导出量和统计量等。

采样瞬时值存储与相应要素的采样频率有关。

瞬时气象（分钟）值存储的要素有：本站气压、气温（有气候观测时存3组数据）、通风防辐射罩的通风速度（3组数据）、湿度（不存导出值）、瞬时极大风（风向/风速，有气候观测时另存1.5m风速）、1min平均风（风向/风速，有气候观测时另存1.5m风速）、降水量（包括翻斗式或容栅式和称重式传感器）、地表温度（包括铂电阻和红外地温传感器）或海水表层温度、能见度、各种辐射观测要素辐照度、长波辐射表腔体温度，除累计值的要素外，其余要素均需同时存储采样瞬时值的标准差值。全要素当前瞬时气象（分钟）值均应能写入缓存区，可以实时读取。

正点数据存储的具体内容由表6—表12给出。

表6 基本气象观测要素正点数据存储内容

序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 要素 2 min平均风向 2 min平均风速 10 min平均风向 10 min平均风速 最大风速时对应风向 最大风速 最大风速出现时间 分钟内最大瞬时风速的风向 分钟内最大瞬时风速 极大风速时对应风向 极大风速 极大风速出现时间 时累计降水量（翻斗式或容栅式传感器） 时累计降水量（大翻斗式） 气温 最高气温 最高气温出现时间 最低气温 最低气温出现时间 相对湿度 北京时 时制 序号 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 最小相对湿度 最小相对湿度出现时间 水汽压 露点温度 本站气压 最高本站气压 最高本站气压出现时间 最低本站气压 最低本站气压出现时间 正点分钟蒸发水位 时累计蒸发量 1min平均能见度 10min平均能见度 最小10min平均能见度 最小10min平均能见度出现时间 总辐射辐照度 总辐射曝辐量 总辐射最大辐照度 总辐射最大辐照度出现时间 地方时 北京时 要素 时制 表7 气候观测要素正点数据存储内容

序号 1. 气温 要素 时制 北京时 序号 11. 要素 最大风速（1.5m高） 时制 北京时

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2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 最高气温 最高气温出现时间 最低气温 最低气温出现时间 正点1min平均通风速度 时累计降水量（翻斗或容栅式） 时累计降水量（称重式） 2 min平均风速（1.5m高） 10 min平均风速（1.5m高） 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 最大风速出现时间（1.5m高） 分钟内最大瞬时风速（1.5m高） 极大风速（1.5m高） 极大风速出现时间（1.5m高） 地表温度（红外传感器） 最高地表温度（红外传感器） 最高地表温度出现时间（红外传感器） 最低地表温度（红外传感器） 最低地表温度出现时间（红外传感器） 表8 地温观测要素正点数据存储内容

序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 草面温度 最高草面温度 最高草面温度出现时间 最低草面温度 最低草面温度出现时间 地表温度 最高地表温度 最高地表温度出现时间 最低地表温度 北京时 要素 时制 序号 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 5cm地温 10cm地温 15cm地温 20cm地温 40cm地温 80cm地温 160cm地温 320cm地温 北京时 要素 最低地表温度出现时间 时制 表9 辐射观测要素正点数据存储内容

序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.

要素 总辐射辐照度 总辐射曝辐量 总辐射最大辐照度 总辐射最大辐照度出现时间 直接辐射辐照度 直接辐射曝辐量 直接辐射最大辐照度 直接辐射最大辐照度出现时间 直接辐射最小辐照度 直接辐射最小辐照度出现时间 水平面直接辐射曝辐量 大气浑浊度 小时日照时数 散射辐射辐照度 散射辐射曝辐量 散射辐射最大辐照度 散射辐射最大辐照度出现时间 反射辐射辐照度 反射辐射曝辐量 反射辐射最大辐照度 反射辐射最大辐照度出现时间 大气长波辐射辐照度 大气长波辐射曝辐量 地方时 时制 序号 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 要素 大气长波辐射最小辐照度出现时间 大气长波辐射最大辐照度 大气长波辐射最大辐照度出现时间 大气长波辐射传感器腔体温度 地球长波辐射辐照度 地球长波辐射曝辐量 地球长波辐射最小辐照度 地球长波辐射最小辐照度出现时间 地球长波辐射最大辐照度 地球长波辐射最大辐照度出现时间 地球长波辐射传感器腔体温度 紫外辐射（UVA）辐照度 紫外辐射（UVA）曝辐量 紫外辐射（UVA）最大辐照度 紫外辐射（UVA）最大辐照度出现时间 紫外辐射（UVB）辐照度 紫外辐射（UVB）曝辐量 紫外辐射（UVB）最大辐照度 紫外辐射（UVB）最大辐照度出现时间 光合有效辐射辐照度 光合有效辐射曝辐量 光合有效辐射最大辐照度 光合有效辐射最大辐照度出现时间 地方时 时制 -14-

24. 大气长波辐射最小辐照度 表10 土壤水分观测要素正点数据存储内容 序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25.

要素 5cm正点土壤体积含水量 5cm小时平均土壤体积含水量 5cm正点土壤相对湿度 5cm小时平均土壤相对湿度 5cm小时平均土壤重量含水率 5cm小时平均土壤水分贮存量 10cm正点土壤体积含水量 10cm小时平均土壤体积含水量 10cm正点土壤相对湿度 10cm小时平均土壤相对湿度 10cm小时平均土壤重量含水率 10cm小时平均土壤水分贮存量 20cm正点土壤体积含水量 20cm小时平均土壤体积含水量 20cm正点土壤相对湿度 20cm小时平均土壤相对湿度 20cm小时平均土壤重量含水率 20cm小时平均土壤水分贮存量 30cm正点土壤体积含水量 30cm小时平均土壤体积含水量 30cm正点土壤相对湿度 30cm小时平均土壤相对湿度 30cm小时平均土壤重量含水率 30cm小时平均土壤水分贮存量 40cm正点土壤体积含水量 北京时 时制 序号 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 要素 40cm小时平均土壤体积含水量 40cm正点土壤相对湿度 40cm小时平均土壤相对湿度 40cm小时平均土壤重量含水率 40cm小时平均土壤水分贮存量 50cm正点土壤体积含水量 50cm小时平均土壤体积含水量 50cm正点土壤相对湿度 50cm小时平均土壤相对湿度 50cm小时平均土壤重量含水率 50cm小时平均土壤水分贮存量 100cm正点土壤体积含水量 100cm小时平均土壤体积含水量 100cm正点土壤相对湿度 100cm小时平均土壤相对湿度 100cm小时平均土壤重量含水率 100cm小时平均土壤水分贮存量 180cm正点土壤体积含水量 180cm小时平均土壤体积含水量 180cm正点土壤相对湿度 180cm小时平均土壤相对湿度 180cm小时平均土壤重量含水率 180cm小时平均土壤水分贮存量 地下水位 北京时 时制 表11 云、天气现象正点数据存储内容

序号 1. 2. 3. 4. 5. 6. 云高 总云量 低云量 正点15分钟内出现的天气现象代码 小时内出现的天气现象代码 小时内闪电频次 北京时 要素 时制 序号 7. 8. 9. 10. 11. 12. 积雪深度 小时内最大积雪深度 电线积冰厚度 小时内最大电线积冰厚度 电线积冰冰层密度 小时内电线积冰冰层平均密度 北京时 要素 时制 表12 海洋气象观测要素正点数据存储内容

序号 1. 2. 3. 4. 5. 浮标方位 海水表层温度 海水表层最高温度 海水表层最高出现时间 海水表层最低温度 北京时 要素 时制 序号 13. 14. 15. 16. 17. 最大波周期 最大波高 波向 潮高 小时内最高潮高 北京时 要素 时制

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6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 海水表层最低出现时间 海水表层盐度 小时内海水表层平均盐度 海水表层电导率 小时内海水表层平均电导率 平均波高 平均波高周期 18. 19. 20. 21. 22. 23. 小时内最低潮高 表层海洋面流速 海水浊度 小时内海水平均浊度 海水叶绿素浓度 小时内海水平均叶绿素浓度 数据存储可以使用循环式存储器结构，即允许最新的数据覆盖旧数据。

采集器内部的数据存储器容量应留有50%的余量，具体可以在考核要素确定后规定一个量化的最小值。

采集器内部的数据存贮器应具备掉电保存功能。 4.4.2 外存储器

采集数据在外存储器（卡）以文件方式进行存储，能够存储至少6个月全要素分钟数据，全部数据以FAT的文件方式存入，微机通过通用读卡器可方便读取。 4.4.3 终端微机

终端微机是最常用的存储设备。

在微机的磁盘存储器中，存储全部需要存储的数据，包括经过处理的数据、人工输入数据、质量控制情况信息（内部管理数据）等。 4.5 数据传输 4.5.1 本地传输

自动气象站应有数据传输（数据传送、数据通信）的功能。配置终端设备（微机）的自动气象站，采集器把数据传送到终端设备。根据响应方式的不同，数据传输可分：

a) 在自动气象站时间表控制下的传输，即自动气象站正常运行时的自动传输； b) 响应终端命令的传输，即人工干预下的传输，通常由终端微机或中心站发出命令； c) 超过某个设定的气象阈值时，自动站进入报警状态的传输。 多数应用场合，自动气象站同时具有以上三种传输方式。

自动气象站正常运行时自动传输的时间表和报警的气象阈值可以通过终端命令或业务软件由用户设定。

终端微机与主采集器间的信号传输距离应不小于 200 m。在规定的传送距离之内，信号传送质量不应因改变线缆的长度而降低。 4.5.2 远程通信传输

自动气象站应具备通过无线方式或网络方式进行数据远程传输的功能。这种传输一般是

-16-

通过主采集器的远程通信接口（RS 232）外加远程通信设备（如GPRS/CDMA1X、DCP等）或RJ45实现的。通过微机终端实现远程通信传输的功能在业务软件中实现。 4.6 数据质量控制

为保证观测数据质量，应对自动气象站进行数据质量控制，包括自动气象站主采集器的嵌入式软件、终端微机中的业务软件两部分的质量控制。

自动气象站主采集器应具备对用于数据质量检查的各要素极值范围、允许变化速率和变化率值等参数的设置。

4.6.1 嵌入式软件中的数据质量控制 4.6.1.1 总体要求

a) 对采样瞬时值的质量控制

——对采样瞬时值变化极限范围的检查； ——对采样瞬时值变化速率的检查。 b) 对瞬时气象值的质量控制

——对瞬时气象值变化极限范围的检查； ——对瞬时气象值变化速率的检查： ? 检查瞬时气象值的最大允许变化速率； ? 检查瞬时气象值的最小应该变化速率； ? 标准偏差的计算。 ——内部一致性检查。

4.6.1.2 数据质量控制标识

数据质量控制过程中，需要对采样瞬时值和瞬时气象值是否经过数据质量控制以及质量控制得结果进行标识，这种标识用于定性描述数据置信度。标识的规定见表13。

表13 数据质量控制标识 标识代码值 9 0 1 2 3 4 8 N 描述 “没有检查”：该变量没有经过任何质量控制检查。 “正确”：数据没有超过给定界限。 “存疑”：不可信的。 “错误”：错误数据，已超过给定界限。 “不一致”：一个或多个参数不一致；不同要素的关系不满足规定的标准。 “校验过的”：原始数据标记为存疑、错误或不一致，后来利用其它检查程序确认为正确的。 “缺失”：缺失数据。 没有传感器，无数据。 注：对于瞬时气象值，若属采集器或通信原因引起数据缺测，在终端命令数据输出时直接给出缺失，相应质量控制标识为“8”；若有数据，质量控制判断为错误时，在终端命令数据输出时，其值仍给出，

-17-

相应质量控制标识为“2”，但错误的数据不能参加后续相关计算或统计。 4.6.1.3 采样瞬时值的质量控制 4.6.1.3.1 “正确”数据的基本条件

一个“正确”的采样瞬时值，应在传感器的测量范围内，且相邻两个值最大变化值在允许范围内。其判断条件见表14。

表14 “正确”的采样瞬时值的判断条件 序号 气象变量 传感器测量传感器测量范围下限 范围上限 允许最大变化值（适用于采样频率5次/分～10次/分以上） 0.3 hPa 2 ℃ 2 ℃ 2 ℃ 5% - 20 m/s - 800 W/m2 - - 0.3mm 依照传感器指标确定下限和上限 - - - - - 2 ℃ 1. 气压 2. 气温 3. 地表和土壤温度 4. 露点温度 5. 相对湿度 6. 风向 7. 风速 8. 降水量 9. 辐射（辐照度） 10. 日照时数 11. 能见度 12. 蒸发量 13. 土壤体积含水量 14. 地下水位 15. 云高 16. 云量 17. 积雪深度 18. 电线积冰厚度 19. 电线积冰冰层密度 20. 表层海水温度 21. 表层海水盐度 22. 表层海水电导率 23. 波高 24. 波向 25. 流速 26. 潮高 27. 海水浊度 28. 海水叶绿素浓度 29. 扩展项

-18-

4.6.1.3.2 极限范围检查

验证每个采样瞬时值，应在传感器的正常测量范围内。 未超出的，标识“正确”；超出的，标识“错误”。 标识“错误”的，不可用于计算瞬时气象值。 4.6.1.3.3 变化速率检查

验证相邻采样瞬时值之间的变化量，检查出不符合实际的跳变。

每次采样后，将当前采样瞬时值与前一个采样瞬时值做比较。若变化量未超出允许的变化速率，标识“正确”；若超出，标识“存疑”。标识“存疑”的，不能用于计算瞬时气象值，但仍用于下一次的变化速率检查（即将下一次的采样瞬时值与该“存疑”值作比较）。该规程的执行结果是，如果发生大的噪声，将有一个或二个连续的采样瞬时值不能用于计算。 4.6.1.3.4 瞬时气象值的计算

应有大于 66％（2/3）的采样瞬时值可用于计算瞬时气象值（平均值）；对于风速应有大于75％的采样瞬时值可用于计算2分钟或 10 分钟平均值。若不符合这一质量控制规程，则判定当前瞬时气象值计算缺少样本，标识为“缺失”。 4.6.1.4 瞬时气象值的质量控制 4.6.1.4.1 “正确”数据的基本条件

一个“正确”的瞬时气象值，不能超出规定的界限，相邻两个值的变化速率应在允许范围内，在一个持续的测量期（1小时）内应该有一个最小的变化速率。“正确”数据的判断条件见表15。

表15 “正确”的瞬时气象值的判断条件

序号 气象变量 下限 400 hPa -75 ℃ -80 ℃ 0% 0° 上限 存疑的变化速率 ［过去60分错误的变钟］最小应该化速率 变化的速率 2 hPa 0.1 hPa 5 ℃ 0.1 ℃ 0.1 ℃ 1%（U＜95％） 10°（10分钟平均风速大于0.1m/s时） - - 1. 气压 2. 气温 3. 露点温度 4. 相对湿度 5. 风向 6. 1100 hPa 0.5 hPa 80 ℃ 3 ℃ 传感器测量：2 ℃～3 ℃； 50 ℃ 5 ℃ 导出量：4 ℃～5 ℃ 100% 360° 75 m/s 150 m/s -19-

10% - 10 m/s 10 m/s 15% - 20 m/s 20 m/s 风速（2分钟、0 m/s 10分钟） 7. 瞬时风速 0 m/s

降水量（0.1mm） 0 mm （1min） 降水量（0.5mm） 9. 0 mm （1min） 10. 草面温度 -90 ℃ 8. 11. 地表温度 12. 13. 14. 15. 16. -90 ℃ 10mm 30mm 90 ℃ 90 ℃ 80 ℃ 70 ℃ 60 ℃ 50 ℃ 45 ℃ 40 ℃ - - 5 ℃ 5 ℃ 2 ℃ 1 ℃ 1 ℃ 0.5 ℃ 0.5 ℃ 0.5 ℃ - - 10 ℃ 10 ℃ 5 ℃ 5 ℃ 3 ℃ 2 ℃ 1.0 ℃ 1.0 ℃ 1000 W/m2 1000 W/m2 1000 W/m2 1000 W/m2 90 W/m2 30 W/m2 - - - 待定 - - 0.1 ℃（雪融过程中会产生等温情况） 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 5cm地温 -80 ℃ 10cm地温 -70 ℃ 15cm地温 -60 ℃ 20cm地温 -50 ℃ 40cm地温 -45 ℃ 80cm、160cm、-40 ℃ 320cm地温 总辐射 0 W/m2 净全辐射 直接辐射 0 W/m2 散射辐射 0 W/m2 反射辐射 0 W/m2 大气长波辐射 地球长波辐射 光合有效辐射 紫外辐射UVA 0 W/m2 紫外辐射UVB 0 W/m2 日照时数 0 min 能见度 0 m 蒸发量 0 mm 土壤体积含水量 0% 地下水位 云高 云量 积雪深度 电线积冰厚度 0 电线积冰冰层密 度 表层海水温度 可能很稳定 2000 W/m2 800 W/m2 21400 W/m 800 W/m2 1200 W/m2 800 W/m2 1200 W/m2 800 W/m2 200 W/m2 50 W/m2 100 W/m2 20 W/m2 1 min - 70km - 100 mm - 100% 待定 300 cm 1000 mm - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 39. 表层海水盐度 40. 表层海水电导率 41. 波高 42. 波向 43. 流速 44. 潮高 45. 海水浊度 46. 海水叶绿素浓度 47. 扩展项 表中“下限”和“上限”的值是可以根据季节和自动气象站安装地的气候条件进行设置的，可以分三种情况：

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a) 根据当地的气候极值作适当放宽，确定每个要素“正确”数据的下限和上限； b) 以传感器的测量范围定为每个要素“正确”数据的下限和上限； c) 设置宽范围和通用的值。

表 15列出的下限和上限即是宽范围和通用的值。 4.6.1.4.2 极限范围检查

a) 验证瞬时气象值，应在可接受的界限（下限、上限）范围内；

b) 未超出的，标识“正确”；超出的，若下限和上限值由当地气候极值确定，则标识

为“存疑”，若下限和上限值按传感器的测量范围或宽范围和通用的值确定，则标识“错误”。

4.6.1.4.3 变化速率检查

验证瞬时气象值的变化速率，检查出不符合实际的尖峰信号或跳变值，以及由传感器故障引起的测量死区。

a) 瞬时气象值的“最大允许变化速率”

当前瞬时气象值与前一个值的差大于表14中“存疑的变化速率”，则当前瞬时气象值通不过检查，标识为“存疑”。若大于表 14中的“错误的变化速率”，则标识为“错误”。

在极端天气条件下，气象变量可能会发生不同寻常的变化，这种情况下，正确的数据也有可能被标上“存疑”。所以，“存疑”的数据不能被丢弃，而应传输至［终端］微机或中心站，有待作进一步验证。

b) 瞬时气象值的“［过去60 min］最小应该变化的速率”

由表10可知，瞬时气象值的示值更新周期都为1 min，也就是说瞬时气象值每分钟都被接受检查。

在过去的60 min内，规定气象瞬时值的“最小应该变化的速率”，同样能帮助验证该值是正确的还是错误的。

如果这个值未能通过最小应该变化速率的检查，应标记“存疑”。 c) 标准偏差的计算 本部分待试验验证后再补充。 4.6.1.4.4 内部一致性检查

用于检查数据内部一致性的基本算法是基于两个气象变量之间的关系。下列条件是成立的：

? 露点温度 td ≤ t（气温）；

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? 风速 WS ＝ 00，则风向 WD 一般不会变化； ? 风速 WS ≠ 00，则风向 WD 一般会有变化； ? 分钟极大风速大于等于2 min和10 min平均风速；

? 如果日照时间 SD ＞ 0，而太阳辐射 E ＝ 0，这两个瞬时气象值均不可信； ? 如果太阳辐射 E ＞ 500 W/m2，而日照时间 SD ＝ 0，这两个瞬时气象值均不可

信；

? 各极值及出现时间应与对应时段相应要素瞬时气象值不矛盾； ? 各累计量应与对应时段相应要素各瞬时气象值不矛盾。

如果某个值不能通过内部一致性检验，应标识为“不一致”。内部一致性检查一般不在主采集器的嵌入式软件考虑，仅在业务软件中考虑。 4.6.2 业务软件中的数据质量控制

业务软件中的数据质量检查用来检查和验证数据的完整性（integrity），即数据的完全性（completeness）、正确性（correctness）和一致性（consistency），包括下面内容：

a) 极限范围的检查； b) 变化速率的检查； c) 内部一致性的检查。

业务软件中数据质量检查的内容除按照瞬时气象值的质量控制内容处理外，具体内容参照《自动气象站数据质量控制指南》（CIMO.2006.3）的要求另行制定。数据质量控制标识与嵌入式软件中的数据质量控制标识的表示方式相同。 4.7 终端操作命令

终端操作命令为主采集器和终端微机之间进行通信的命令，以实现对主采集器各种参数的传递和设置，从主采集器读取各种数据和下载各种文件。按照操作命令性质的不同，分为监控操作命令、数据质量控制参数操作命令、观测数据操作命令和报警操作命令。

本规格书中只对终端操作命令的内容进行说明，有关操作命令的格式详见附录2。 4.7.1 监控操作命令

监控操作命令至少应包括以下内容： a) 设置或读取数据采集器的通信参数； b) 读取数据采集器的基本信息； c) 数据采集器自检；

d) 设置或读取数据采集器日期；

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e) 设置或读取数据采集器时间； f) 设置或读取气象观测站的区站号； g) 设置或读取气象观测站的纬度； h) 设置或读取气象观测站的经度； i) 设置或读取地方时差；

j) 设置或读取气压传感器拔海高度； k) 设置或读取辐射传感器灵敏度； l) 设置或读取土壤湿度常数； m) 读取主采集箱门状态； n) 读取数据采集器电源电压； o) 读取数据采集器机箱温度； p) 设置或读取各传感器状态； q) 读取数据采集器实时状态信息。 4.7.2 数据质量控制参数操作命令

数据质量控制参数由主采集器嵌入式软件确定，可由用户设置的操作命令应包括各传感器测量范围值和各要素的质量控制项的内容。

a) 设置或读取各传感器测量范围值； b) 设置或读取各要素质量控制参数。 4.7.3 观测数据操作命令

观测数据操作命令至少应包括以下内容： a) 下载分钟常规观测数据； b) 下载分钟辐射观测数据； c) 下载分钟土壤水分观测数据； d) 下载分钟海洋气象观测数据； e) 下载小时常规观测数据； f) 下载小时辐射观测数据； g) 下载小时土壤水分观测数据； h) 下载小时海洋气象观测数据； i) 读取采样数据； j) 下载数据文件。 4.7.4 报警操作命令

报警操作命令至少应包括以下内容：

a) 设定气象阈值，出现报警时，实现报警解除操作，例如：大风、大雨报警等；

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b) 传感器、蓄电池电压、机箱温度、GPS对时、分采集器和主采集器等（局部）出现

异常或故障时报警；

c) 通信中断超过规定时限后，终端微机应发出报警信号。 4.8 GPS对时功能

主采集器应具备GPS自动对时功能， GPS对时功能失效时应提供报警功能。 4.9 人工输入观测资料

配置［终端］微机的自动气象站，应编制交互式终端程序，允许观测员输入和编辑人工观测的资料。

可以输入的人工观测资料由业务软件实现。 4.10 嵌入式软件在线升级

在不更改任何硬件设备的前提下，可以通过本地终端对主采集器嵌入式软件进行版本升级。

5 测量性能

5.1 测量的气象要素

新型自动气象（气候）站应能够同时测量以下气象要素：

a) 基本气象要素（含气候观测要素）：气温（3支通风防辐射罩铂电阻或3支百叶箱铂电阻）、湿度（相对湿度或露点温度）、本站气压、风向（10 m高度）、风速（1.5m或/和10m高度）、降水量（翻斗式或容栅式、称重式或大翻斗式）；

b) 地温：地表温度（红外、铂电阻）、草面温度、土壤温度（5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm）； c) 蒸发量；

d) 云（云量、云高）、能见度、天气现象；

e) 辐射：总辐射、（净辐射、）直接辐射（含日照）、反射辐射、散射辐射、紫外辐射A、紫外辐射B、（紫外辐射A+B、）大气长波辐射、光合有效辐射、地球长波辐射； f) 日照；

g) 土壤水分：5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、100cm、180cm等层次； h) 海洋气象观测：海温、表层海水盐度、表层海水电导率、波高、波周期、波向、流速、潮高、海水浊度、海水叶绿素浓度； i) 其它：水位、积雪、电线积冰、闪电频次。

-24-

5.2 量和单位

主要气象要素的量和单位名称及其符号按表16确定。

表16 主要气象要素的量和单位的名称及其符号 序号 1 2 ［气象变］量的名称 气压 温度 量的符号 P t ［测量］单位的名称 百帕 ［摄氏］度 单位的符号 hPa ℃ 另一个常用的相对湿度符号为3 相对湿度 U 百分率 % ―%RH‖ 示例1：相对湿度为50%； 示例2：湿度为50%RH。 4 5 6 风向 风速 降水量 WD WS R 度 米每秒 毫米 ° m/s mm 由北按顺时针方向旋转，以 0～360 标度，其中0 为北风，90 为东风。 降水强度（precipitation intensity）（又名降水率）的单位名称及符号是：毫米每分（mm/min）。 瓦［特］每平方米 说明 7 辐［射］照度 辐照量，曝辐量 E W/m2 8 又称曝辐［射］照度 H 焦［耳］每平方米 ［小］时或分钟 米或千米 毫米 百分率 百分率 米 米 ［摄氏］度 百分比 米 度 米每秒 厘米 厘米 J/m2 气象业务上的记录单位是 MJ/m2。 9 10 11 12 13 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

日照时数 能见度 蒸发量 土壤体积含水量 土壤重量含水率 云［底］高 水位 天气现象 海温 海盐 波高 波向 流速 潮高 积雪深度 SD V EC v h，min m，km mm % % m m ℃ % m ° m/s cm cm WMO天气现象编码 g CH WW St -25-

21 22 电线积冰 扩展项 厘米 cm 5.3 要求

新型自动气象（气候）站的测量性能应遵循《地面气象观测规范》和相关规范的要求。常见的气象要素观测性能要求见表17。

表17 自动气象站测量性能要求

测量要素 气压 气温 范围 450hPa～1100hPa -50℃～50℃ 分辨力 0.1hPa 0.1℃（天气观测） 0.01℃（气候观测） 1% 0.1℃ 3° 0.1m/s 0.1mm 最大允许误差 ±0.3hPa ±0.2℃（天气观测） ±0.1℃（气候观测） ±3%（≤80%） ±5%（＞80%） ±0.5℃ ±5° ±（0.5+0.03V）m/s ±0.4mm（≤10mm） ±4%（＞10mm） 相对湿度 露点温度 风向 风速 5%～100% -60℃～50℃ 0～360° 0～60m/s 翻斗0.1mm ：雨强0～4mm/min 降水量 翻斗0.5mm ：雨强0～10mm/min 称重：0～400mm 0.5mm ±0.5mm（≤10mm） ±5%（＞10mm） ±0.4mm（≤10mm） ±4%（＞10mm） -50～50℃：±0.2℃ 50～80℃：±0.5℃ ±0.5℃ ±0.3℃ ±0.3℃ ±0.1h ±5%（日累计） ±0.4MJ/m2d（≤8MJ/m2d） ±5%（＞8MJ/m2d） ±1%（日累计） ±5%（日累计） ±5%（日累计） ±5%（日累计） 0.1mm 地表温度 -50℃～80℃ 0.1℃ 红外地表温度 浅层地温 深层地温 日照 总辐射 净辐射 直接辐射 散射辐射 反射辐射 UV -50℃～80℃ -40℃～60℃ -30℃～40℃ 0～24h 0～1400 W/m2 -200-1400W/m 0～1400W/m2 0-200 W/m2 20.1℃ 0.1℃ 0.1℃ 1min 5 W/m2 1MJ/md 1W/m2 5 W/m2 5 W/m2 0.1 W/m2 2

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计算。

5.4.4 瞬时值、平均值、累计值计算

5.4.4.1 气压、气温、湿度、草温、地温、辐射、辐射传感器腔件温度1min平均值（瞬时值）

有两种不同计算方法，根据不同应用场合进行选择：

a) 对1min内的“正确”的采样值计算平均值，应有大于 66％（2/3）的采样瞬时值可用于计算瞬时值，若不符合这一质量控制规程，则当前瞬时值标识为“缺失”。 b) 用1min内的采样值计算均方差σ，凡样本值与平均值的差的绝对值大于3σ的样本值予以剔除，对剩余的样本值计算平均作为瞬时值。

5.4.4.2 气候观测气温（3支温度传感器）1min平均值（瞬时值）

如果配置3支通风防辐射罩（或百叶箱）气温传感器，需对3支传感器所测得的瞬时气象值相互比较，根据两两偏差确定取值。在-50~50℃范围内时，两两之间误差阈值设为0.3℃； 在小于-50和大于50℃时两两之间误差阈值设为0.6℃。

通风辐射罩的通风要求：风扇的标称通风转速FNi，风扇的临界通风转速Fci（判别风速是否合乎要求的阈值），Fi为实际工作通风转速。其中Fci=0.8×FNi。

第一步：两两计算偏差。

D12 = | T1 – T2| D23 = | T2 – T3| D31 = | T3 – T1|

其中，T1，T2，T3分别为3支温度传感器的1min平均温度（即瞬时值），D12，D23，D31分别为两两之间的差值（℃），若瞬时气温值出现缺失，相关Dij按缺失处理。

第二步：定义两两偏差允许范围。

Tol(i, j) = 0.3℃, 当 -50.0 ℃≤ Ti≤50.0℃，-50.0 ℃≤Tj ≤50.0℃； Tol(i, j) = 0.6℃, 当 | Ti | ＞ 50.0℃ 或 | Tj | ＞ 50.0℃ a) 如果Dij ≤ Tol(i, j)，Dij在允许范围之内； b) 如果Dij＞Tol(i, j)，Dij在允许范围之外； c) Dij缺失时，按在允许范围之外处理。 第三步：计算结果。

a) 如果Dij均在允许范围之内，取T1，T2，T3的中间值作为结果。

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b) 如果Dij有2个在允许范围之内，取T1，T2，T3的中间值作为结果。

c) 如果仅有1个Dij在允许范围之内，取形成该Dij的两支温度值的平均值作为结果，

最高、最低值计算方法：先计算形成该Dij的两支温度传感器的每分钟平均值，再从每分钟平均值序列中挑取。

d) 如果所有Dij都不在允许范围之内，结果标识为缺测。 第四步：通风速度的处理。

当Fi（1min平均值，下同）均≥Fci时：

a) 如果Dij均在允许范围之内，取T1，T2，T3的中间值作为结果。 b) 如果Dij有2个在允许范围之内，取T1，T2，T3的中间值作为结果。 如果仅有1个Dij在允许范围之内，取形成该Dij的两支温度值的平均值作为结果。 如果所有Dij都不在允许范围之内，结果标识为缺测。 当只有2个Fi≥Fci时：

a) 如果2个风扇正常工作的传感器Dij在允许范围之内，取形成该Dij传感器的平均

值作为结果。

b) 如果2个风扇正常工作的传感器Dij在允许范围之外，结果标识为缺测。 当只有1个Fi≥Fci时：此时不考虑Dij是否在允许范围，直接取该传感器的温度值作为结果。

当没有Fi≥Fci时：结果标识为缺测。 5.4.4.3 风向、风速 5.4.4.3.1 3s平均值

对于风速以0.25s为时间步长，滑动求取每0.25s的3s平均风速，对3s内的“正确”的采样值计算平均值，应有大于 75％（3/4）的采样瞬时值可用于计算3s平均值，若不符合这一质量控制规程，则当前3s平均值标识为“缺失”。

风向用1min平均值代替。 5.4.4.3.2 1min平均值

以1秒钟为时间步长，取每整秒的瞬时值，对1min内的“正确”的瞬时值计算平均值，应有大于 75％（3/4）的瞬时值可用于计算1min平均值，若不符合这一质量控制规程，则当前1min平均值标识为“缺失”。

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5.4.4.3.3 2min平均值

以1min为时间步长，取每整秒的瞬时值，对2min内的“正确”的瞬时值计算平均值，应有大于 75％（3/4）的瞬时值可用于计算2min平均值，若不符合这一质量控制规程，则当前2min平均值标识为“缺失”。（除正点外，其他时间也应计算，数据不存储，保存在缓存中实时刷新。） 5.4.4.3.4 10min平均值

以1min为时间步长，对每分钟的1min平均值求每分钟的10min滑动平均。对10min内的“正确”的1min平均值计算10min平均值，应有大于 75％（3/4）的1min平均值可用于计算10min平均值，若不符合这一质量控制规程，则当前10min平均值标识为“缺失”。 5.4.4.4 翻斗式或容栅式降水量 5.4.4.4.1 1min累计值

对传感器 1min内的输出脉冲或累计量进行计数得到。 5.4.4.4.2 1h累计值

1h内 60 个1min累计值中的“正确”的 1min累计值的累计值。 5.4.4.5 称重式降水量 5.4.4.5.1 1min累计值

1 min内的降水量累计值，可根据选用的传感器的特性选择合适的算法。 5.4.4.5.2 1h累计值

1 min内的降水量累计值，可根据选用的传感器的特性选择合适的算法。

通用的算法为：1h内 60 个1min累计值中的“正确”的 1min累计值的累计值。 5.4.4.6 蒸发量

蒸发量的计算应考虑降水量和溢出量的影响。 5.4.4.6.1 1min累计值

1min内的蒸发量累计值，可根据选用的传感器的特性选择合适的算法。当前分钟的蒸发量为当前1min内平均水位与前1min平均水位的差。实时给出的是当前小时内的累计值，由当时分钟的平均水位与本小时开始分钟的平均水位差。

注：为了检验每分钟的时内小时累计蒸发量和日累计蒸发量，在每分钟数据中需给出当前1min内平均水位。

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5.4.4.6.2 1h累计值

1 h内的蒸发量累计值，可根据选用的传感器的特性选择合适的算法。 通用的算法为：以小时内前后1min的平均水位差计算得到。 5.4.4.7 土壤水分、地下水位 5.4.4.7.1 1min平均值

对1min内的“正确”的采样值计算平均值，应有大于 66％（2/3）的采样瞬时值可用于计算瞬时值，若不符合这一质量控制规程，则当前瞬时值标识为“缺失”。 5.4.4.7.2 1h平均值

对1 h内的 60 个 1min平均值中的“正确”的1min平均值计算平均值，应有大于 66％（2/3）的“正确”值可用于计算1h平均值，若不符合这一质量控制规程，则1h平均值标识为“缺失”。

5.4.4.8 通风防辐射罩通风速度 5.4.4.8.1 1min平均值

根据1min内转速，转化为平均通风速度。 5.4.4.8.2 1h平均值

对1 h内的 60 个 1min平均值中的“正确”的1min平均值计算平均值，应有大于 66％（2/3）的“正确”值可用于计算1h平均值，若不符合这一质量控制规程，则1h平均值标识为“缺失”。 5.4.4.9 地下水位 5.4.4.9.1 1min平均值

对1min内的“正确”的采样值计算平均值，应有大于 66％（2/3）的采样瞬时值可用于计算瞬时值，若不符合这一质量控制规程，则当前瞬时值标识为“缺失”。

5.4.4.10 表层海水温度、表层海水盐度、表层海水电导率、波高、波周期、波向、表层海洋面流速、潮高、海水浊度、海水叶绿素浓度1min平均值（瞬时值）

有两种不同计算方法，根据不同应用场合进行选择：

a) 对1min内的“正确”的采样值计算平均值，应有大于 66％（2/3）的采样瞬时值可用于计算瞬时值，若不符合这一质量控制规程，则当前瞬时值标识为“缺失”。 b) 用1min内的采样值计算均方差σ，凡样本值与平均值的差的绝对值大于3σ的样本值予以剔除，对剩余的样本值计算平均作为瞬时值。

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5.4.5 导出量的计算 5.4.5.1 海平面气压

按“地面气象观测规范 中国气象局编. 北京：气象出版社，2003.11”（以下称《地面气象观测规范》）第 7 章公式 7.2 计算。

要求计算：1min平均海平面气压。 5.4.5.2 水汽压

按《地面气象观测规范》“附录 2 2.水汽压”中的公式计算。 要求计算：1min平均水汽压。 5.4.5.3 露点温度

按《地面气象观测规范》“附录 2 4.露点温度”中的公式计算。 要求计算：1min平均露点温度。 5.4.5.4 水平面直接辐射总量

按《地面气象观测规范》第 13 章公式 13.1 计算。

要求计算：1min水平面直接辐射总量、1h水平面直接辐射总量。 5.4.5.5 大气浑浊度

按《地面气象观测规范》第 13 章公式 13.13、13.14 计算。

要求计算：1min水平面直接辐射辐照度、1min本站气压P与太阳高度角HA。5.4.5.6 土壤重量含水率

由土壤体积含水量导出。

θρwg＝θvρ b式中：

θg——土壤重量含水率，单位是百分率（％）；

θv——土壤体积含水量，单位是百分率（％）； ρw——土壤水分密度，单位是克每立方厘米（g/cm3）；

ρb——干土壤体积密度，单位是克每立方厘米（g/cm3）。

要求计算：正点时的1min平均值、1h平均值。

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5）

（

5.4.5.7 土壤相对湿度

由土壤体积含水量导出。

Us?θgf?100％

c式中：

Us——土壤相对湿度，单位是百分率（％）； θg——土壤重量含水率，单位是百分率（％）

； fc——田间持水量，用重量含水率表示，单位是百分率（％）。要求计算：正点时的1min平均值、1h平均值。 5.4.5.8 土壤水分贮存量

由土壤体积含水量导出。

Wv?10?h?ρb?θg

式中：

Wv——土壤水分贮存量，单位是毫米（mm）；

h——土层厚度，单位是厘米（cm）；

ρb——干土壤体积密度，单位是克每立方厘米（g/cm3）；

θg——土壤重量含水量，单位是百分率（％）。 5.4.5.9 有效土壤水分贮存量

由土壤体积含水量导出。

Wu?10?h?ρb??θg－θw?

式中：

Wu——有效土壤水贮存量，单位是毫米（mm）；

h——土层厚度，单位是厘米（cm）；

ρb——干土壤体积密度，单位是克每立方厘米（g/cm3）；

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（6）

7）

（8）

（； θg——土壤重量含水量，单位是百分率（％）

θw——凋萎湿度，单位是百分率（％）。

要求计算：1h平均值。 5.4.5.10 日照时间

用太阳直接辐射表间接测算日照时间，辐照度≥120W/m2算为有日照。 5.4.5.10.1 1min日照时间

如果该分钟的直接辐射辐照度超过120W/m2，则该分钟日照时间记为 1，否则记为 0。如果直接辐射辐照度被质量控制规程标记为不“正确”，则该分钟日照时间标记为“缺失”。 5.4.5.10.2 1h日照时间

1 h内“正确”的1min日照时间的累计时间。 5.4.5.11 曝辐量 5.4.5.11.1 1min曝辐量

每分钟的曝辐量等于该分钟的瞬时辐照度值乘以 60s。 5.4.5.11.2 1h曝辐量

由每分钟曝辐量累加计算得到每小时辐射曝辐量。 5.4.6 极值挑选

5.4.6.1 气温、草温、地表温度、本站气压、辐射、表层海水温度、潮高 5.4.6.1.1 最高（大）值

从 1 h内 60个1min平均值的“正确”值中挑选最高（大）值，并记录时间。 5.4.6.1.2 最低（小）值

从 1 h内 60个1min平均值的“正确”值中挑选最低（小）值，并记录时间。 辐射要素仅净辐射、长波辐射有最小值。 5.4.6.2 湿度 5.4.6.2.1 最小值

从 1 h内 60个1min平均值的“正确”的1min平均值中挑选最小值，并记录时间。 5.4.6.3 能见度 5.4.6.3.1 最小值

从 1 h内 60个10min滑动平均值的“正确”的10min滑动平均值中挑选最小值，并记

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录时间。

5.4.6.4 风向、风速 5.4.6.4.1 最大值

从 1 h内 60个10min平均风速的“正确”值中挑选最大值，并记录相应的风向和时间。 5.4.6.4.2 极大值

分别从 1min、1 h内所有3s平均风速的“正确”值中挑选最大值，并记录对应整分时风向和时间。

5.4.7 传感器测量值修正

在进行自动气象站标校时，若某传感器的测量值与标校值存在差值，按照传感器的校准规程进行校正。

6 嵌入式软件流程

6.1 采集软件流程

气象要素从电信号变换成采样值，再经过数据质量检查程序等后续处理，最终要写入数据文件中，并且通过通信协议发送到业务软件，数据采集软件流程如图6所示。

图6 自动气象站数据采集流程

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在采集流程中，对于采样值的处理，分解为如图7所示的采集过程。

图7 自动气象站数据采样过程流程

6.2 数据流程

自动气象站采集数据流程如图8所示。

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图8 自动气象站采集数据流程图

7 传感器要求

7.1 气压测量传感器

气压测量传感器可采用振筒式、电容式等传感器。

a) 测量范围：500～1100 hPa（基本型）或450～900hPa（高原型）； b) 分辨力：0.1hPa； c) 最大允许误差：±0.3hPa； d) 使用温度范围：-40～50℃； e) 供电电源：

电压：DC（12±2）V； 电流：平均值小于30mA； f) 信号输出方式： 接口标准：RS232； g) 传感器具有互换性。

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7.2 温度测量传感器

温度测量传感器采用铠装Pt100铂电阻温度传感器，并采用ITS-90温标。 7.2.1 气温传感器

a) 测量范围：-50～50℃；

b) 分辨力：0.1℃（准确度要求±0.2℃时）；或0.01℃（准确度要求±0.1℃时）； c) 最大允许误差：±0.2℃（天气观测）；或±0.1℃（气候观测）； d) 时间常数：≤20S（通风速度2.5m/s）； e) 传感器具有互换性。 7.2.2 通风防辐射罩

待定

7.2.3 地表温测量传感器

a) 测量范围：-50～80℃； b) 分辨力： 0.1℃；

c) 最大允许误差：±0.2℃(-50～50℃)；±0.3℃(50～80℃)； d) 时间常数：≤20s（通风速度2.5m/s）； e) 相同种类传感器具有互换性。 7.2.4 草温、雪温、地温测量传感器

a) 测量范围：-50～80℃； b) 分辨力： 0.1℃； c) 最大允许误差：±0.3℃；

d) 时间常数：≤20s（通风速度2.5m/s）； e) 相同种类传感器具有互换性。 7.3 湿度测量传感器 7.3.1 电容式湿度传感器

a) 测量范围：5%～100%RH； b) 分辨力：1%RH；

c) 最大允许误差：±3%RH（≤80%），±5%RH（＞80%）； d) 使用温度范围：-50～50℃； e) 时间常数：≤40s；

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f) 供电电源：

电压：DC（12±2）V； 电流：平均值小于5mA； g) 输出方式：电压 0-1V； h) 传感器具有互换性。 7.3.2 其他

待定 7.4 风测量传感器 7.4.1 风向标传感器

a) 测量范围：0～360°； b) 分辨力：3°；

c) 最大允许误差：：±5°； d) 起动风速：≤0.5m/s； e) 使用温度范围：-50～50℃； f) 供电电源：

电压：DC(5±0.5)V； 电流：平均值小于20mA； g) 传感器具有互换性。 7.4.2 三杯式风速传感器

a) 测量范围：0～60m/s； b) 分辨力：0.1 m/s；

c) 最大允许误差：±（0.5+0.03V）m/s； d) 起动风速：≤0.5 m/s；

e) 输出：频率信号，校准方程为线性； f) 使用温度范围：-50～50℃； g) 供电电源：

电压：DC(5±0.5)V； 电流：平均值小于5mA；

h) 允许对校准方程线性系数进行修改的前提下传感器具有互换性。

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7.4.3 强风传感器

待定

7.5 降水测量传感器

7.5.1 翻斗式雨量传感器（0.1mm）

a) 承水口内径：200mm； b) 雨强测量范围：0～4mm/min； c) 分辨力：0.1 mm；

d) 最大允许误差：0.4mm（≤10mm）；±4%（＞10mm）； e) 使用温度范围： 0～50℃； f) 传感器具有互换性。 7.5.2 翻斗式雨量传感器（0.5mm）

a) 承水口内径：200mm； b) 雨强测量范围：0～10mm/min； c) 分辨力：0.5 mm；

d) 最大允许误差：±0.5mm（≤10mm）；±5%（＞10mm）； e) 使用温度范围： 0～50℃； f) 传感器具有互换性。

7.5.3 容栅式雨量传感器

待定

7.5.4 称重式降水传感器

a) 承水口内径：200mm； b) 承水桶容量范围：0～400mm； c) 分辨力：0. 1mm；

d) 最大允许误差：±0.4mm(≤10mm)；±4%(＞10mm) e) 使用温度范围：－45℃～60℃； f) 供电电源：

工作电压范围：DC，(9～15)V； 功耗：<1W；

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g) 输出方式： RS232或脉冲信号 h) 相同类型传感器具有互换性。 7.6 蒸发测量传感器

7.6.1 浮子式数字水面蒸发传感器

a) 测量范围： 0～100mm；

b) 最大允许误差：≤±0.3mm（当蒸发量≤10mm时）；≤±（0.3mm+1%FS）（当蒸发量＞10mm时）； c) 分辨力：0.1mm； d) 供电电源：

电压：DC（12±2）V； 电流：平均值小于30mA； e) 输出方式：RS232；

f) 适用环境条件：温度：0～50℃； g) 相同类型传感器具有互换性。 7.6.2 超声波蒸发传感器

a) 测量范围：0～100mm； b) 分辨力：0.1mm；

c) 最大允许误差：±0.2mm（≤10mm）；±2%（＞10mm） d) 供电电源：

电压：DC（12±2）V； 电流：平均值小于30mA；

e) 输出方式：电压 0-2.5V或电流4-20mA； f) 使用温度范围：0～50℃； g) 相同类型传感器具有互换性。 7.7 红外地表测温仪

a) 测量范围：-50℃～80℃； b) 最大允许误差：±0.5℃； c) 分辨力：0.1℃； d) 输出：热电偶；

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e) 相同类型传感器具有互换性。 7.8 辐射测量传感器 7.8.1 总辐射传感器

a) 测量范围：波长0.3～3μm；0～2000w/m2； b) 灵敏度：7～14μV/w2m–2； c) 响应时间：≤60s（99%信号值）；

d) 适应环境条件：温度 -50～50℃；相对湿度 ≤95%； e) 引线结构：2芯RVVP电缆（3个引线端子）；

f) 相同类型传感器具有互换性（允许用计算机一次性设置灵敏度参数）。 7.8.2 反射辐射传感器

要求同7.8.1。

7.8.3 散射辐射传感器（配置遮光环）

要求同7.8.1。 （遮光球传感器） 7.8.4 净全辐射传感器

a) 测量范围：波长0.3～30μm；-200w/m2～1400w/m2； b) 灵敏度：7～14μV/w2m –2； c) 响应时间：≤60s（99%信号值）； d) 两面灵敏度误差： ≤15%；

e) 适应环境条件：温度-50～50℃；相对湿度≤95%；

f) 相同类型传感器具有互换性（允许用计算机一次性设置灵敏度参数）。 7.8.5 直接辐射传感器

a) 测量范围：0.3～4μm；0～1400w/m2； b) 灵敏度：7～14μV/w2m–2； c) 响应时间：≤35s（99%信号值）； d) 跟踪精度：≤±1°（24小时）； e) 纬度刻度：0～90°（分度1°）； f) 时间刻度：0～24小时（4分钟/1度）；

g) 适用环境条件：温度-45～45℃；相对湿度≤95%；

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