現(xiàn)代自動氣象觀測系統(tǒng)ppt課件

1、第八章 現(xiàn)代自動氣象觀測系統(tǒng)向衛(wèi)國向衛(wèi)國序 個業(yè)務部門的需求個業(yè)務部門的需求 數(shù)值預報：增加臺站密度數(shù)值預報：增加臺站密度 航空部門：即時觀測：能見度、風切變航空部門：即時觀測：能見度、風切變 農業(yè)部門：土壤濕度、光照農業(yè)部門：土壤濕度、光照 要滿足以上需求，需建立自動氣象觀測要滿足以上需求，需建立自動氣象觀測系統(tǒng)。系統(tǒng)。自動氣象站 自動氣象站是由電子設備或計算機控制自動氣象站是由電子設備或計算機控制的自動進行氣象觀測和資料收集傳輸?shù)牡淖詣舆M行氣象觀測和資料收集傳輸?shù)臍庀笳尽庀笳尽?通常有以下兩種形式：通常有以下兩種形式： （1有線遙測自動氣象站有線遙測自動氣象站 （2無線遙測氣象站無人氣象

2、站）無線遙測氣象站無人氣象站）（1有線遙測自動氣象站n 儀器的感應部分與接收處理部分相隔幾十米到儀器的感應部分與接收處理部分相隔幾十米到幾公里，其間用有線通信電路傳輸。幾公里，其間用有線通信電路傳輸。n 由氣象傳感器，接口電路、微機系統(tǒng)、通訊接由氣象傳感器，接口電路、微機系統(tǒng)、通訊接口等組成?？诘冉M成。n 傳感器將氣象信息轉換成電信號由接口電路輸傳感器將氣象信息轉換成電信號由接口電路輸出。出。（1有線遙測自動氣象站續(xù)）n微機系統(tǒng)是它的心臟，負責處理接口電微機系統(tǒng)是它的心臟，負責處理接口電路及觀測員通過鍵盤輸入的信號，并將路及觀測員通過鍵盤輸入的信號，并將處理結果輸出顯示、打印、存盤，也可處理結

3、果輸出顯示、打印、存盤，也可通過接口送到通過接口送到 信息網(wǎng)絡服務系統(tǒng)。信息網(wǎng)絡服務系統(tǒng)。n這種自動站早期用于實時查詢氣象資料，這種自動站早期用于實時查詢氣象資料，現(xiàn)在逐漸取代氣象站日?，F(xiàn)在逐漸取代氣象站日常 主要觀測工作。主要觀測工作。（2無線遙測氣象站無人氣象站）n能自動觀測、自動發(fā)報、自動整理和遠能自動觀測、自動發(fā)報、自動整理和遠距離控制的地面氣象綜合觀測裝置稱為距離控制的地面氣象綜合觀測裝置稱為無人氣象站，或稱自動氣象站。無人氣象站，或稱自動氣象站。n無人氣象站一般安置在荒無人人煙的沙無人氣象站一般安置在荒無人人煙的沙漠、遠離大陸的海島、人跡罕至的雪域漠、遠離大陸的海島、人跡罕至的雪域

4、高原等地方。高原等地方。（2無線遙測氣象站無人氣象站） （續(xù)）n 無人氣象站一般由傳感器、變換器、數(shù)據(jù)處理無人氣象站一般由傳感器、變換器、數(shù)據(jù)處理裝置、資料發(fā)送裝置、電源等部分組成。裝置、資料發(fā)送裝置、電源等部分組成。n 變換器是將傳感器感應的氣象參數(shù)轉換成電信變換器是將傳感器感應的氣象參數(shù)轉換成電信號比如電壓、電流、頻率等）；號比如電壓、電流、頻率等）；n 數(shù)據(jù)處理裝置則將對這些電信號進行處理，再數(shù)據(jù)處理裝置則將對這些電信號進行處理，再轉換成對應的氣象要素值。轉換成對應的氣象要素值。（2無線遙測氣象站無人氣象站） （續(xù)）n 經(jīng)過處理的氣象要素數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式編排，經(jīng)過處理的氣象要素數(shù)據(jù)按規(guī)定

5、的格式編排，經(jīng)資料發(fā)送裝置用有線或無線方式傳給用戶，經(jīng)資料發(fā)送裝置用有線或無線方式傳給用戶，或存貯在磁帶上，由用戶定期回收。或存貯在磁帶上，由用戶定期回收。n 電源是為氣象站正常工作提供動力的，通常使電源是為氣象站正常工作提供動力的，通常使用蓄電池，并用太陽能給電池充電。用蓄電池，并用太陽能給電池充電。n 整個系統(tǒng)由一部微機按事先編好的程序進行管整個系統(tǒng)由一部微機按事先編好的程序進行管理。理。 （2無線遙測氣象站無人氣象站） （續(xù)） 自動氣象站觀測項目通常為氣壓、氣溫、自動氣象站觀測項目通常為氣壓、氣溫、相對濕度、風向、風速、雨量等基本氣相對濕度、風向、風速、雨量等基本氣象要素，經(jīng)擴充后還可測

6、量其它要素。象要素，經(jīng)擴充后還可測量其它要素。 按用途不同，自動氣象站可分為自動氣按用途不同，自動氣象站可分為自動氣候站、自動天氣站、特殊用途的自動站。候站、自動天氣站、特殊用途的自動站。 （2無線遙測氣象站無人氣象站） （續(xù)） 自動氣候站觀測項目比一般氣候站要少，自動氣候站觀測項目比一般氣候站要少，除代替在不便建立有人氣候站的地方進除代替在不便建立有人氣候站的地方進行氣候觀測外，也常用于氣候資源調查。行氣候觀測外，也常用于氣候資源調查。 自動天氣站則是為了彌補那些不便建立自動天氣站則是為了彌補那些不便建立有人氣象站的地方氣象資料的欠缺。有人氣象站的地方氣象資料的欠缺。（2無線遙測氣象站無人氣

7、象站） （續(xù)） 特殊用途的自動站如自動雨量站，能自特殊用途的自動站如自動雨量站，能自動感應測定雨量，向防汛和生產(chǎn)指揮部動感應測定雨量，向防汛和生產(chǎn)指揮部門提供雨情服務。門提供雨情服務。 人們往往在一個區(qū)域用許多自動雨量站人們往往在一個區(qū)域用許多自動雨量站組成一個站網(wǎng)，以便及時取得整個區(qū)域組成一個站網(wǎng)，以便及時取得整個區(qū)域的降水量資料。的降水量資料。 CAWS600自動氣象站無人氣象站8.1 常規(guī)自動氣象站系統(tǒng) 自動氣象站自動氣象站 氣象業(yè)務系統(tǒng)，氣象業(yè)務系統(tǒng)，AWOSAtmospheric Weather Observing System） 航空港系統(tǒng)，航空港系統(tǒng)，ASOSAutomated

8、Surface Observing System） 基本的系統(tǒng)，觀測內容：基本的系統(tǒng)，觀測內容： 溫度、濕度、氣壓、風向、風速、降水溫度、濕度、氣壓、風向、風速、降水五項五項8.1 常規(guī)自動氣象站系統(tǒng)續(xù)） 中型規(guī)模，擴展項目：中型規(guī)模，擴展項目： 地溫、能見度和輻射能分量地溫、能見度和輻射能分量 機場的機場的ASOS系統(tǒng)：系統(tǒng)： 基本的五項基本的五項 跑道視程、云高、降水性質識別、凍雨跑道視程、云高、降水性質識別、凍雨探測、跑道干濕和凍結狀況識別，以及探測、跑道干濕和凍結狀況識別，以及單站閃電定位等單站閃電定位等 高速公路氣象智能系統(tǒng)與上面兩系統(tǒng)相高速公路氣象智能系統(tǒng)與上面兩系統(tǒng)相近近8.1

9、常規(guī)自動氣象站系統(tǒng)續(xù)） 自動氣象站系統(tǒng)主要包括：自動氣象站系統(tǒng)主要包括： 測量儀器測量儀器 數(shù)據(jù)采集和資料存儲數(shù)據(jù)采集和資料存儲 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 保障部分包括：保障部分包括： 電源電源 避雷措施避雷措施8.1.1 測量儀器 自動氣象站的測量儀器和元件在選用時自動氣象站的測量儀器和元件在選用時須考慮的問題：須考慮的問題： 要滿足對儀器關鍵性能的要求，保持資要滿足對儀器關鍵性能的要求，保持資料的精度和代表性；料的精度和代表性； 保持某種信號輸出形式易于被數(shù)據(jù)采集保持某種信號輸出形式易于被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所接受；系統(tǒng)所接受； 保證元件易于相互更換。保證元件易于相互更換。8.1.1 測量儀器續(xù)）1. 溫

10、度和濕度 氣溫測量最大可能的誤差來源為防輻射罩的效氣溫測量最大可能的誤差來源為防輻射罩的效率。率。 大多數(shù)的自動氣象站的防輻射設備為小型的無大多數(shù)的自動氣象站的防輻射設備為小型的無通風裝置的圓形百頁板防輻射罩，百葉板由涂通風裝置的圓形百頁板防輻射罩，百葉板由涂白的塑料或金屬薄板構成。白的塑料或金屬薄板構成。 電測元件因電功率加熱導致元件增溫是第二主電測元件因電功率加熱導致元件增溫是第二主要誤差來源。要誤差來源。 測濕元件多數(shù)選用濕敏電容，其次是碳膜電阻測濕元件多數(shù)選用濕敏電容，其次是碳膜電阻和濕球溫度表。和濕球溫度表。8.1.1 測量儀器續(xù)）2. 氣壓 水銀氣壓表精度高，但不能自動。水銀氣壓表

11、精度高，但不能自動。 多用電容式金屬膜盒、硅單晶膜盒以及多用電容式金屬膜盒、硅單晶膜盒以及硅單晶壓敏片等幾種。硅單晶壓敏片等幾種。 由于精度低，需采取措施，保證測量結由于精度低，需采取措施，保證測量結果的穩(wěn)定性：果的穩(wěn)定性： 采用三個空盒元件同時進行讀數(shù)，保證采用三個空盒元件同時進行讀數(shù)，保證誤差在規(guī)定的范圍內，否則，予以放棄；誤差在規(guī)定的范圍內，否則，予以放棄； 保持與水銀氣壓表的定期對比。保持與水銀氣壓表的定期對比。8.1.1 測量儀器續(xù)）3. 風向和風速 有三種型號：有三種型號： 小型風杯風速計小型風杯風速計 和和 輕型單尾風標輕型單尾風標 機身型旋槳式風向風速計機身型旋槳式風向風速計

12、二維超聲風速計二維超聲風速計 選擇何種型號，取決于業(yè)務類型和性質選擇何種型號，取決于業(yè)務類型和性質 微氣象觀測：選一、三，它們的啟動風微氣象觀測：選一、三，它們的啟動風速小速小 氣象業(yè)務：選二氣象業(yè)務：選二8.1.1 測量儀器續(xù)）4. 雨量 幾乎全部采用翻斗式雨量計。幾乎全部采用翻斗式雨量計。 在數(shù)據(jù)采集板上專門設置了一個輸入口，在數(shù)據(jù)采集板上專門設置了一個輸入口，專為輸入此類不定時的觸發(fā)信號。專為輸入此類不定時的觸發(fā)信號。 該輸入口有信號整形、狀態(tài)翻轉、喚醒該輸入口有信號整形、狀態(tài)翻轉、喚醒值守以及計時和存儲功能。值守以及計時和存儲功能。8.1.2 數(shù)據(jù)采集板 功能：功能： 將元件探測到的信

13、號進行攝取、處置，將元件探測到的信號進行攝取、處置，并轉化為統(tǒng)一的數(shù)字信號，按一定的格并轉化為統(tǒng)一的數(shù)字信號，按一定的格式排列成數(shù)據(jù)文件，輸出到輸出接口，式排列成數(shù)據(jù)文件，輸出到輸出接口，然后利用某種傳輸方式送到主中心站。然后利用某種傳輸方式送到主中心站。8.1.2 數(shù)據(jù)采集板續(xù)）一般氣象儀器的輸出有四種方式：一般氣象儀器的輸出有四種方式：模擬量：模擬量：電壓、電流、電阻、電動勢電壓、電流、電阻、電動勢頻率量：頻率量：如風杯風速計的輸出如風杯風速計的輸出觸發(fā)脈沖信號觸發(fā)脈沖信號如翻斗式雨量計如翻斗式雨量計數(shù)字信號數(shù)字信號如風向標的碼盤輸出如風向標的碼盤輸出8.1.2 數(shù)據(jù)采集板續(xù)） 數(shù)據(jù)采集板

14、一般的通道：數(shù)據(jù)采集板一般的通道： 16個模擬通道個模擬通道 1個頻率通道個頻率通道 1個觸發(fā)脈沖通道個觸發(fā)脈沖通道 4個數(shù)字通道個數(shù)字通道8.1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)字化后的數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)字化后的數(shù)據(jù)，可以通過RS 232或或RS 485接口輸出。接口輸出。輸出后的發(fā)送方式可以有四種：輸出后的發(fā)送方式可以有四種：對計算機對計算機RS 232或或RS 485接口直接接口直接連接；連接；通過雙音頻電話系統(tǒng)輸出；通過雙音頻電話系統(tǒng)輸出；以以VHF甚高頻或甚高頻或UHF超高頻超高頻調頻通訊體制對中心站實施數(shù)據(jù)傳輸；調頻通訊體制對中心站實施數(shù)據(jù)傳輸；使用衛(wèi)星調相體制的無線傳輸。使用衛(wèi)星調相體制的無線傳

15、輸。8.1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式續(xù)）1. RS 232C 接口 它是收據(jù)終端它是收據(jù)終端DTE和數(shù)據(jù)傳輸設備和數(shù)據(jù)傳輸設備DCE之間的串行二進制數(shù)據(jù)交換接口。之間的串行二進制數(shù)據(jù)交換接口。 RS 表示推薦標準表示推薦標準 232 是識別代號是識別代號 C 是版本號是版本號 RS232C接口的最大缺點：接口的最大缺點： 傳輸距離太短傳輸距離太短 長距離傳輸時可以在接口的兩端加推動器，或長距離傳輸時可以在接口的兩端加推動器，或是改用遠程傳輸接口，如是改用遠程傳輸接口，如RS 485等等 8.1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式續(xù)）1. 電話通訊接口板 核心部分有兩個：核心部分有兩個： 一是將數(shù)字信號一是將數(shù)字信號“0

16、和和“1通過音頻通過音頻合成器轉換為電話的雙音頻合成器轉換為電話的雙音頻 二是采用特殊的四線傳送體制二是采用特殊的四線傳送體制 而實際電話線仍是雙線，必須通過而實際電話線仍是雙線，必須通過2至至4線網(wǎng)絡器完成線網(wǎng)絡器完成2至至4線性能轉換線性能轉換8.1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式續(xù)）3. 數(shù)據(jù)無線傳輸 采用以下技術：采用以下技術： VHF 甚高頻甚高頻 UHF 超高頻超高頻 衛(wèi)星衛(wèi)星 三者的調相體制的無線發(fā)射機的主要結三者的調相體制的無線發(fā)射機的主要結構完全相似。構完全相似。8.1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式續(xù)）3. 數(shù)據(jù)無線傳輸 發(fā)射機發(fā)生頻率的三個部件：發(fā)射機發(fā)生頻率的三個部件： 頻綜起頻綜起 功率輸出級壓

17、控振蕩器功率輸出級壓控振蕩器 400MHz基準信號發(fā)生器基準信號發(fā)生器 實施：實施： 每一個自動氣象站可選擇其中一個頻點每一個自動氣象站可選擇其中一個頻點發(fā)送，各個自動氣象站的發(fā)射頻率完全發(fā)送，各個自動氣象站的發(fā)射頻率完全錯開，不互相干擾，中心站進行逐個跟錯開，不互相干擾，中心站進行逐個跟蹤，接收其傳送的資料。蹤，接收其傳送的資料。8.1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式續(xù)）3. 數(shù)據(jù)無線傳輸 自動站工作正常與否，除了取決于探測自動站工作正常與否，除了取決于探測儀器和線路板的質量外，還有一些技術儀器和線路板的質量外，還有一些技術因素必須予以關注。因素必須予以關注。 電源：電源： 即使有交流電，仍需配置可充電電

18、池即使有交流電，仍需配置可充電電池 避雷措施：避雷措施： 在自動站的各功能板的前端均設置防止在自動站的各功能板的前端均設置防止強電流沖擊的短路和跳閘設施，更需要強電流沖擊的短路和跳閘設施，更需要有一個良好的接地系統(tǒng)小電阻的接地有一個良好的接地系統(tǒng)小電阻的接地裝置）裝置）8.2 水文氣象自動站系統(tǒng) 水文氣象觀測的兩個主要素：水文氣象觀測的兩個主要素： 降水量降水量 水位水位 主要介紹水位觀測系統(tǒng)。主要介紹水位觀測系統(tǒng)。8.2 水文氣象自動站系統(tǒng)續(xù)） 水位觀測的儀器類型較多，最常用的是浮子水位計。 其基本結構如圖 由一根水泥管打入河床形成水位探測豎井，水泥管下部有孔與水體相通。8.2 水文氣象自動

19、站系統(tǒng)續(xù)） 浮子隨水位的漲落上下位移，計量水位浮子隨水位的漲落上下位移，計量水位高低的探頭是一個碼盤，鋼帶繞過碼盤高低的探頭是一個碼盤，鋼帶繞過碼盤主軸的法蘭盤一頭系在浮子上，而另一主軸的法蘭盤一頭系在浮子上，而另一端加上配重與浮子平衡，并保持鋼帶始端加上配重與浮子平衡，并保持鋼帶始終處于恒張力的狀態(tài)。終處于恒張力的狀態(tài)。 浮子上下的位移帶動碼盤旋轉，并通過浮子上下的位移帶動碼盤旋轉，并通過碼盤的計數(shù)電路輸出水位變動的數(shù)值。碼盤的計數(shù)電路輸出水位變動的數(shù)值。 碼盤有磁碼盤和光碼盤兩種類型，磁碼碼盤有磁碼盤和光碼盤兩種類型，磁碼盤在堅固耐用、不損壞方面有明顯的優(yōu)盤在堅固耐用、不損壞方面有明顯的優(yōu)

20、勢。勢。8.3 農業(yè)氣象觀測系統(tǒng) 最主要項目：最主要項目： 土壤含水量土壤含水量 光合有效輻射光合有效輻射8.3.1 烘干失重法 最原始的土壤含水量觀測方法是取土樣最原始的土壤含水量觀測方法是取土樣烘干稱重。烘干稱重。8.3.2 中子散射法 中子濕度儀中子濕度儀 根據(jù)中子散射過程被氫減速的原理測量根據(jù)中子散射過程被氫減速的原理測量土壤的含水量。土壤的含水量。 儀器分兩部分：儀器分兩部分： 探測器探測器 計數(shù)器計數(shù)器8.3.2 中子散射法續(xù)） 中子濕度儀的優(yōu)點：中子濕度儀的優(yōu)點： 測量沒有滯后測量沒有滯后 測量的直接結果是單位體積土壤的含水測量的直接結果是單位體積土壤的含水量；量； 與土壤密度無

21、關與土壤密度無關 測量范圍可以從干土到飽和水分測量范圍可以從干土到飽和水分8.3.3 時域反射法 簡稱簡稱TDR法：法： 測定土壤的介電常數(shù)，進而推算土壤含測定土壤的介電常數(shù)，進而推算土壤含水量水量 優(yōu)點：優(yōu)點： 該方法能精確、快速和連續(xù)不取土樣的該方法能精確、快速和連續(xù)不取土樣的條件下測定土壤含水量條件下測定土壤含水量 是目前推廣的一種新型測定方法是目前推廣的一種新型測定方法8.3.3 時域反射法續(xù)） 基本原理：基本原理： 電磁波在介質中傳播的速度與介電常數(shù)電磁波在介質中傳播的速度與介電常數(shù)的平方根成反比，可根據(jù)土壤中沿探針的平方根成反比，可根據(jù)土壤中沿探針傳播的脈沖時間測定含水土壤的介電常

22、傳播的脈沖時間測定含水土壤的介電常數(shù)，進而推出土壤含水量。數(shù)，進而推出土壤含水量。8.3.4 張力計法 測定土壤水勢的常用方法。測定土壤水勢的常用方法。8.3.5 光合有效輻射的測量 植物的葉綠素依靠陽光進行光合作用植物的葉綠素依靠陽光進行光合作用 被葉綠素吸收的輻射波長為被葉綠素吸收的輻射波長為400700nm，吸，吸收率在收率在6090，超過，超過700nm的紅外輻射的紅外輻射對光合作用無影響，低于對光合作用無影響，低于400nm的紫外輻射的紫外輻射能量很小，它對光合作用的影響也可不予考慮。能量很小，它對光合作用的影響也可不予考慮。 植物吸收光輻射，激發(fā)葉綠素分子進行光化學植物吸收光輻射，

23、激發(fā)葉綠素分子進行光化學反應，進行反應的分子數(shù)與光輻射在各個波段反應，進行反應的分子數(shù)與光輻射在各個波段的光子數(shù)目有一定的關系。的光子數(shù)目有一定的關系。 在農業(yè)氣象中，對短波輻射測量的不是其輻射在農業(yè)氣象中，對短波輻射測量的不是其輻射通量密度值，而是在通量密度值，而是在400700nm波段范圍內波段范圍內的光子數(shù)目。的光子數(shù)目。8.4 微氣象觀測系統(tǒng) 是指溫、濕、風梯度觀測和輻射平衡各是指溫、濕、風梯度觀測和輻射平衡各項的觀測項的觀測 特點：特點： 輸入通道數(shù)目較大輸入通道數(shù)目較大 因為在較小的區(qū)域內觀測，需要較多的因為在較小的區(qū)域內觀測，需要較多的觀測點觀測點 要求精度高要求精度高 如果精度不高，就無法區(qū)別相鄰兩點的如果精度不高，就無法區(qū)別相鄰兩點的差異，就失去了微觀測的意義。差異，就失去了微觀測的意義。8.4.1 溫、濕梯度的測量 儀器：干濕球濕度表儀器：干濕球濕度表 只有它能達到要求的精度只有它能達到要求的精度