自动气象站的发展方向与思考

自动气象站的发展方向与思考

1气象自动观测的发展及其现状

在气象预报与气候分析等气象研究应用领域,大气探测与测量是气象业务中最基础和最重要的工作之一,是实现天气预报和气候分析的数据基础和气象预报验证的标准。自17世纪以来,气象观测业务的发展主要经历了三个阶段:地面观测形成阶段、高空探测阶段和遥感阶段,其中地面观测业务是气象观测业务的重要组成部分,是气象精细化预报的数据基础和数据来源。1654年,Ferdinando II de Medici建立了世界上第一个气象观测站网络,该网络包含了巴黎、佛罗伦萨、米兰等八个城市的观测站点。观测数据按固定时间间隔集中送往佛罗伦萨进行局部天气预报服务。1837年,电报的出现使得更大区域的气象观测网络和有效的数据处理及其应用成为可能。观测网络获取的空间数据可以构成一个区域内的近地面大气状况分布图,有助于气象工作者分析局部区域内某一时间段的气象变化过程。然而,受观测空间范围、大气观测要素种类、数据传输速度以及数据处理能力的影响,该观测网络不能为日常天气预报提供准确、丰富的地面气象信息。1849年,美国科学家Joseph Henry在Smithsonian研究院幵始了历史上第一个覆盖全美国的气象观测站。此后,欧洲各国开始建立了基于陆基和海洋的各种气象观测站网络。尤其是1851成立的英国气象局从最初的海洋气象观测站到世界上首个的逐日气象预报仅用了 6年时间。接下来50年,许多国家都建立了国家级气象服务的各种地面气象观测平台。日本东京气象厅于1883年利用气象观测资料构建了历史上第一个地面天气图,直接将观测网络得到的实况资料与天气形势变化相关联,为日本成为当今世界气象强国奠定了坚实基础。此后,气象观测网络成为气象预报、气候分析等各种气象服务和气象研究中准确重要的数据基础,也是气象工作中不可缺少的组成部分。地面观测网络的发展史说明了观测站点的通讯条件和数据处理能力直接制约着观测网络的规模和时空观测密度。地面气象观测网络的发展从原始的手工采集时期到数据电报传真时期以及近代基于计算机和通讯网络的高度自动化观测时期的发展历程也是观测网络范围不断扩大、观测时空密度不断增强以及观测要素不断增多的过程。

气象观测站发展经历了三次革命性变化。第一代研制于上世纪50年代末,以人工观测为主的气象观测只能测量温度、湿度、气压、风速、风向、降水等少数几个大气要素;60年代中期,由于半导体元件和脉冲数字电路的普及,第二代自动气象站产生。它的感应元件能近似观测云高、降水、福射总量、雷暴等天气状态。然而,该类气象仪器的数据釆集主要以非电子技术(如机械惯装置,)为主且观测自动化水平较低,需要在人工干预的方式下釆集实况资料,数据正确性仍以人工检查为主。70年代后,气象站已发展到第三代,无线传感器技术、电子计算机和通信技术的兴起,使得地面气象观测站自动化程度大大提高,观测气象要素明显增多,尤其是高密度的时空分辨率、观测标准化、自动化等优势是传统人工观测技术无法比拟的。目前常见的气象观测要素有:降水,气温,风速,风向,湿度,气压,能见度,地面温度,云量,日照福射,雾,霾等基本要素,其中,对降水,气温,风速,风向等气象要素已经实现观测采集全自动化过程,未来还将实现云、能、天等复杂观测要素的观测自动化。不同于传统人工观测阶段,基于通讯网络的自动化观测模式能实现观测数据的国际资源共享、数据格式规范、空间分布更密集,观测数据种类更多。尤其是随着无线网络传感器,雷达,卫星等现代综合观测手段的广泛应用,

气象数据在数量和质量上均有着质的飞跃。最后,基于无线传感器技术的自动气象观测站由于建站和维护成本低,观测数据连续,观测位置不受限制等特点被广泛应用于气象观测、环境监测、水文观测等领域,成为防灾减灾和生态监测等公共服务中不可缺少的重要观测手段。未来气象观测业务的发展必然是高度集成化、自动化和多维(从地下到太空)的时空观测一体化发展的过程。相对于雷达,卫星等高空探测设备,气象自动观测站由于观测站点数量大、品种多,观测要素的各异性以及近实时的特点决定了相对前者,自动观测站有着更为迫切的数据处理需求和复杂的数据处理过程。

2自动气象站概述

2.1自动气象站的基本原理

自动气象站是一种能自动观测和存储气象观测数据的设备，主要由传感器、采集器、通讯接口、系统电源等组成，随着气象要素值的变化，各传感器的感应元件输出的电量产生变化，这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性化和定量化处理，实现工程量到要素量的转换，再对数据进行筛选，得出各个气象要素值。基本原理如下图所示。

各类气象要素传感器信号输入转换避雷器处理模拟信号 数字信号 脉冲频率信号 模拟信号输入通道 数字I/O信号通道 脉冲信号计数通道 数据采集器 电源

通讯接口\\ 自动气象站工作原理

自动气象站观测项目主要包括气压、 温度、湿度、风向、风速、雨量等要素，经扩充后还可测量其它要素，数据采集频率较高，每分钟采集并存储一组观测数据。自动气象站根据对自动气象站人工干预情况也可将自动气象站分为有人自动站和无人自动站。自动气象站网由一个中心站和若干自动气象站通过通信电路组成的。

2.2自动气象站类型

世界气象组织（WMO）的仪器和观测方法委员会（CIMO）把自动气象站根成提供实时资料的自动气象站和记录资料供非实时或脱机分析的自动气象站两类。

（1）实时自动气象站

指实时向用户提供气象观测资料的气象站。典型的例子是在规定的时间实时提供气象观测资料的自动气象站，也指在应急环境里或据外部要求提供资料的自动气象站。实时应用的典型例子是提供天气应用资料，或为观测危险警戒状态提供资料，如风暴、河流水位或潮汐高度等。国产Ⅰ型自动气象站、Ⅱ型自动气象站、中尺度自动气象站、雨量站等，都是实时自动气象站。

（2）非实时自动气象站

这一类自动气象站记录观测点的观测资料，观测资料记录在内部或外部的存储设备中，

并没有实际资料的显示功能。如需把存储资料发送到远距离的资料用户，需观测员进行干预。非实时自动气象站很少，例如农林小气候观测站。

2.3自动气象站技术国内外研究概况

自动气象站需按照国家气象部门的要求，对温度、湿度、气压、风向、风速、辐射、日照、蒸发量、能见度等多个气象要素进行实时采集、处理、存储和传输的地面气象观测设备，该设备可以减少观测人员工作量，提高观测效率和质量。

自 1999 年 7 月，我国引进芬兰 VAISALA 公司的自动气象站，首次将自动气象站投入到气象要素的观测领域，树立了我国气象领域新的里程碑。于此同时，我国也建立了自己的研发梯队，加快步伐自行生产研发更高效率的自动气象观测装置，于 2000 年 1 月 1 日第一批的自动气象站正式的开始运行。目前，自动遥测气象站在我国已普遍被使用，成功地实现了人工气象站与自动气象站的完美结合。当前国内自动气象站生产厂商很多，如 2011 年气象专用技术装备使用许可证名录公告中指出的长春气象仪器有限公司、广州市双一气象器材有限公司、中橡集团株洲塑料工业研究设计院、上海气象仪器厂有限公司、中国华云技术开发公司、沈阳新立新信息技术有限公司、天津气象仪器厂等。这些厂家已经研发出用于不同行业的自动气象站产品，包括纯用于气象要素观测的自动气象站、双金属温度计、毛发温度表、空盒气压计、电容式湿度传感器、称重式降水传感器、风向标传感器、翻斗式雨量传感器，总的来说，测量的气象要素主要为气压、湿度、雨量、风向、温度、风速、辐射、能见度、日照等，过传感器的采集将其转化为电信号，并通过采集器的外围处理电路输出并予以显示。

总的来说，我国的气象站已经建立了一定的规模，初步的实现了海洋观测、地面观测、大气观测，观测的范围涉及多个方面。卫星观测和雷达观测位居世界的行列。尽管我国现有的自动气象站发展速度很快，但就其气象传感器的技术水平来讲与世界发达国家还有一定的差距。况且，我国现有的气象站的布局还存在一定的不足，探测仪器、测量技术、基础研究的深度和设备的工艺生产还有待提高。因而，进一步改进我国地面气象观测的自动化水平，更新自动气象站和提高国产传感器的测量精度及效率成为目前气象领域的主要方向。在以丰富的经验为指导的前提下，对自动气象站进行更高层次的改造和升级换代，在实现实际业务需求的基础上，研制并开发出新一代的智能自动气象站作为新的发展目标。

现今，芬兰 VAISALA 公司生产的气象产品在全世界 70 几个国家和 20 几个地区和组织范围内使用，当然也不排除自动气象站。MAWS 系列的自动气象站是 VAISALA 公司的代表系列，MAWS201 系列目前流行于全球的大多数国家和地区，目前该系列已更新到了 MAWS301、MAWS410 系列。VAISALA 公司的 PWD22 系列气象传感器和 PWD12 系列气象传感器能够探测降水量、降水量类型、降水强度及由此现象而引发的能见度的变化的观测。相比之下，还有英国的Biral公司研发的新型PWS100系列气象传感器和VPF-730系列气象传感器;美国的 OSI 公司研制声场的 OWI 系列气象传感器和 WIVIS 系列气象传感器;德国的OTT Parsivel测量雨滴的普仪；加拿大的GENEQ公司研发制造的TPI-885系列气象传感器；以上这些传感器主要完成的功能是观测多个测量参数，能同时探测多个输入、并进行信号的数字化处理、同时存储采样的数据、对常规的故障能进行相应的诊断。对数据的传输和相应的处理操作，正是自动气象站数据采集系统所关心的核心问题。现阶段，无论是国内还是国外自动气象站和数据采集设备都是配套的应用在气象观测系统中，不同的传感器型号对应着不同的自动气象站的采集器接口。因此，提高自动气象站的通用性和扩展性具有了重要的意义。

与我国自主研发的自动气象站相比，国外的气象传感器和自动气象站突出特点分析如下：

（1）根据使用者的不同需求增加或是减少传感器的数量和种类，操作简单。自动气象站采取通用的数据通信传输格式，使用者可以自由的配置数据通讯的输出格式。基本达到了世界多国的业务应用的需要。

（2）采用现今的气象传感器技术，具有较高的产品精度和稳定性。在基本六要素传感器技术已达领先的局面下，辐射传感器、土壤湿度传感器、土壤和地温传感器、能见度传感器、红外传感器等产品的技术也已成熟。

（3）考虑各种恶劣复杂的外界环境，自动气象站配备有良好的防护措施。在设备的操作的便捷性、维修的快捷性、使用灵活性等诸多方面进行了人性化的设计。

3 自动气象站发展趋势思考

近年来随着科学与技术的发展，为实现国内气象事业发展战略的高效进行，研究有关气象观测发展，为满足国家气象局业务技术体制改革地全面实现国家天气观测网地面气象观测自动化的要求，需要研发新型多要素自动气象站系统来提高已在我国地面气象观测网中推广使用的自动气象站得运行可靠性、不同型号设备间的兼容性和观测要素扩充能力。

自动气象站及气象传感器应在如下几个方面加强和改进:

（1）增强自动气象站防护能力。当前我国运行自动气象站在防雷措施上有较大不足，对当前运行的自动气象站故障统计结果发现，雷击占故障总量的40%。由此可见加强自动气象站防雷措施是提高自动气象站运行能力的重要环节。在新型自动气象站设计中，其电源及信号防雷等级相比旧的自动气象站都有提升，自动气象站运行的可靠性大大提高。

(2)改进自动气象站的结构,采用总线制分布式或网络型结构,能够大大提高自动气象站的操作性和扩展性,是我国自动气象站发展的方向之一。研制具有自主知识产权、高精度、高可靠性的气象传感器;在提高现有气象传感器的探测精度和可靠性的同时,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互相替换。

(3)改进和完善数据采集器的结构,使数据采集器能实现传感器的随意增减和热插拔,从而提高自动气象站的扩展性和通用性。

(4) 修订完善地面气象观测规范。应当从观测的实际需求出发,针对自动气象站和气象传感器的技术指标修改、制定云、天气现象等的器测规范,促进多种气象传感器在自动气象站的业务应用。提高设计观念的优越性。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开发研制。各厂家生产的新型自动气象站都具有相同的总线模式、传感器接口方式、通讯协议和数据存储格式。这将极大提升我国气象装备的扩充能力及更新换代能力。同时，基层观测台站对设备的维护和保障也变得更为简单便捷。

和缺陷。因此，我们必须认清自动气象站的发展趋势，通过不断的努力，缩小技术上的差距，满足不断提高的气象观测需求，为提高我国气象观测事业的整体水平做出贡献。

（1）结构由集中式分布发展。自动气象站应最大程度地保证自动运行以减少维护费用和人力济源，因此其结构设计要充分注意模块化和新的传感器插入自动气象站而不需要加入，只需要将新的传感器插入自动气象站而不需要改变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，我国所使用的自动气象站都属于集中式，结构封闭式；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准确性，每次维修或更换传感器都要重新校准标定，且必修整机进行，是的校标过称过于复杂。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。

（2）传感器技术的不断进步以及气象要素传感器种类不断增多；目前由于国产传感器在精确度、稳定性、可靠性等方面与进口传感器有一定差距，因此国内自动气象站有部分传感器需要进口，所以国内厂家应吸收国外先进经验，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。另外，由于社会需求的不断增加，要求观测项目与之同步增加，这需要更多的气象要素传感器应用到自动气象站中。

（3）采集器技术的变革。数据采集器主要完成多个被测参数的输入、数字化处理、数据的采集存储、数据交换、常规故障诊断等功能，直接关系到数据的传输和处理，是自动气象站数据采集部分的核心。改进和完善数据采集器，对于提高自动气象站的扩展性和通用性具有重要意义，同时也是国际上自动气象站在扩展观测要素、提高系统开放性的趋势之一。

（4）行业规范化。未来的自动气象站应有更强大的兼容性，所以需要制定相应的行业规范。其中应该包括自动气象站的分布规范、采集器设计规范、数据格式与传输规范以及观测方法的规范等。

4.结 论

本文通过对当前国内外自动气象站和气象传感器的发展现状和未来发展趋势的分析,结 合我国气象观测自动化的现状,对符合我国气象观测事业发展需要的自动气象站、气象传感 器等方面进行了综合分析和评估,认为自动气象站及气象传感器应在如下几个方面加强和改进:

（1）改进自动气象站的结构,采用总线制分布式或网络型结构,能够大大提高自动气象站

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j143.html