雪深自动观测规范.doc

雪深自动观测规范（试行）中国气象局综合观测司2012年9月前 言雪深自动观测规范分为5章，包括：总则、结构与原理、安装与调试、观测与记录、维护与现场校准等。编写组依据气象仪器和观测方法指南（第六版）、地面气象观测规范（2003年）、自动雪深观测仪功能需求书（试验版）等相关技术文件，在总结自动雪深观测仪试验考核和京津冀地区固态降水试点观测工作经验基础上编写的本规范。本规范主要适用于以超声波测距或激光测距原理的观测设备开展的雪深自动观测业务，是对现行地面气象观测规范（2003年）的必要补充。本规范由中国气象局综合观测司组织编写，主要编写人员有：王柏林、关彦华、冯冬霞、梁如意、王志敏、阳艳红。中国气象局综合观测司二一二年九月目 录前 言I第1章 总则11.1 目的和适用范围11.2 仪器布设11.3 时制和日界21.4 传感器要求2第2章 结构与原理32.1结构32.1.1测距探头32.1.2处理控制单元42.1.3安装支架42.1.4附件42.2测距原理42.3测量性能6第3章 安装与调试73.1安装高度与朝向73.2基准面要求73.3电源要求73.4线路连接73.5防雷要求83.6基座要求83.7调试方法83.7.1激光测距探头倾角和基准高度测定83.7.2超声波测距探头基准高度测定83.7.3测量性能检查9第4章观测与记录104.1观测104.2记录10第5章 维护与现场校准115.1维护115.2 现场校准125.3注意事项12第1章 总则雪深（积雪深度）观测是地面气象观测的主要项目之一，利用以超声波测距或激光测距为原理的观测设备开展雪深实时自动观测，能够提高雪深观测的时效性和准确性，为气象防灾减灾、气象预报预测、公共气象服务和气候变化研究提供重要的基础资料。同时，将充分发挥地面气象观测自动化的效益，有力推动综合气象观测系统的快速发展。1.1 目的和适用范围制定雪深自动观测规范，有利于推进我国雪深观测的自动化进程，发挥地面气象观测系统的效益，满足气象业务和服务需求。本规范适用于利用以超声波测距或激光测距为原理的观测设备开展的雪深实时自动观测业务。本规范是地面气象观测规范的必要补充，在观测工作中必须严格遵守。1.2 仪器布设雪深传感器应布设在地面气象观测场内，安装位置应符合地面气象观测规范中观测场仪器布局的原则，布设在观测场西北角，具体位置参考图1。因受地形影响，在布局原则下，可根据实际情况适当调整。图1 雪深传感器布设位置参考图（注：此图为地面观测自动化后布局图，图中风向风速传感器位置因站类而变化）1.3 时制和日界观测时制为北京时，以20时为日界。1.4 传感器要求应具有国务院气象主管机构颁发的气象专用技术装备使用许可证。第2章 结构与原理2.1结构雪深传感器主要由测距探头、处理控制单元和安装支架等3个部分组成。 图2 雪深传感器外观示意图2.1.1测距探头目前国内气象部门使用的雪深传感器所采用的测距原理为超声波测距或激光测距。超声波测距超声波测距探头由1个收发超声波的探头和1个用于波速订正的温度传感器组成。激光测距激光测距探头由1个激光收发器和1个低温加热模块组成。2.1.2处理控制单元处理控制单元负责对测距探头的激发控制、计算测量波速发送和接收的时差（或相位差），并对采样样本进行数据质量控制、数据运算处理、记录存储和传输。2.1.3安装支架安装支架用于固定测距探头，包括设备支撑杆、探头安装连接件、预埋件定位板和预埋件等。支架高度可调，能满足探头在指定高度范围内进行测量。2.1.4附件在雪深传感器停用期间，须使用防护罩保护测距探头。防护罩应具有防水、防尘、透气等特点。在雪深传感器现场校准过程中，须使用经计量检定的校准模块。校准模块使用铝合金材质制作，经氧化处理，表面平整光滑，不易磨损和变形。模块分为5cm和20cm高度两种规格，各2块。2.2测距原理测距探头是雪深传感器的关键组成部分，是利用发射的波束（光波、声波或电磁波）遇到障碍物反射回来的特性进行距离差测量。目前国内气象部门使用的雪深传感器，采用超声波测距探头或激光测距探头。超声波测距探头超声波探头由一个超声波激发电路、机械波发生器和一个超声波接收电路组成，实现电信号到超声波能量的转换，同时可以接收超声波在目标物上的反射回波，并转换成电信号。采用时差法可计算出探头到目标的距离，由于超声波受周围环境影响较大，所以必须通过温度补偿、数字滤波等技术提高测量准确性达毫米级。超声波探头安装须保持水平，测量波束角（）为2230，距离盲区约为50cm。图3 超声波测距探头工作原理激光测距探头激光探头由高稳定的激光发射器、接收器、前置控制器组成，采用相位法测距，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。激光探头倾斜安装在支撑杆上，倾斜角（）1030，距离盲区约为10cm。图4 激光测距探头工作原理2.3测量性能测量性能要求见表1。表1 测量性能要求测量要素测量范围分辨力最大测量误差输出供电雪深0150 cm0.1 cm1 cmRS-232/CAN总线直流12V注：测量范围=探头安装高度-测量盲区，可扩展。第3章 安装与调试3.1安装高度与朝向雪深传感器的安装支架应牢固安装在观测场内混凝土基础上。测距探头距地面垂直高度一般选择1503cm，在北方雪深较深的个别地区可以根据实际情况进行调整至2005cm。传感器测距探头应朝向西方，测量路径上无任何遮挡。3.2基准面要求雪深测量的基准面为地面（裸地），基准面的大小应以安装支架向西0.6m的点为中心（位于超声波测距探头的正下方），边长 0.9m 的正方形，基准面区域内的地面应为处理平整的裸地，且与观测场地面齐平。3.3电源要求雪深传感器的工作电源(DC12V)可直接从自动气象站获取，也可以单独配备AC220电源转换装置。激光探头需大功率的加热电源时，应选配专用的AC220V电源转换装置。3.4线路连接雪深传感器以及电源转换装置的电源线应连接到规定的电源处，数据线应连接到自动气象站采集器(雪深分采集器)相应的端子上。为了防雷、防鼠、防水，方便安装与维修，电源线和数据线应穿入带屏蔽层的线槽内，线槽须安置在电缆沟内。3.5防雷要求雪深传感器基座的接地线就近接入观测场地网，接地电阻应4。3.6基座要求基座表面积为30cm（长）30cm（宽），埋深不小于30cm，高度与地面齐平。传感器支架应牢固安装在基座上。3.7调试方法用专用串口数据线连接计算机和雪深传感器，使用专用软件进行调试（详见传感器使用说明书）。3.7.1激光测距探头倾角和基准高度测定检查基准面是否水平。把校准模块置于激光测量光点位置，操作调试软件，测得探头与校准模块顶面之间的直线距离。取走校准模块，操作调试软件，测得探头与基准面之间的直线距离。将校准模块的高度输入到调试软件中。操作调试软件，通知传感器完成标校并启动测量。传感器将自动计算得到探头的倾角。根据倾角，可得到基准面高度，将测量结果输入软件。3.7.2超声波测距探头基准高度测定检查探头安装是否水平，测量路径是否有遮挡。检查基准面是否水平。测量基准面高度，将测量结果输入软件。3.7.3测量性能检查使用校准模块模拟5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm高度积雪深度，用传感器分别测量这6种高度，每种高度重复进行3次测量，计算误差。误差应达到技术指标要求，否则需重新检查仪器和安装情况。13第4章观测与记录4.1观测1各省（区、市）气象局观测业务主管机构，应根据本省降雪出现的历史最早时间和分布情况，统一要求提前启用自动雪深传感器。2启用前，应进行运行调试、现场测试（方法见3.7），保证仪器正常运行，测量性能达到技术指标要求，测试结果应在当日观测记录备注栏中备注。3在自动雪深观测仪停用期间，应清洁测距探头，停止设备供电，测距探头外加防护罩。4.2记录1雪深观测记录，以厘米（cm）为单位，取整数；平均雪深不足0.5cm记0；2雪深传感器接入现行自动气象站时使用数字量输出，观测数据的数据格式应符合地面气象要素数据文件格式的要求，记录5分钟平均积雪深度值。3出现以下情况时，应在备注栏中注明：无积雪时，仪器产生的异常数据，应及时删除；有积雪时，仪器产生的异常数据，应按缺测处理；测雪面因踩踏造成破坏后至恢复原状前，应按缺测处理。第5章 维护与现场校准5.1维护值班人员应严格按照地面气象观测规范要求，按时巡视、检查和维护设备、场地及电源供电情况等。1启用雪深观测前，应清理基准面上杂物，平整基准面，检查供电、防雷接地、数据线连接等情况。2启用雪深观测前，应对雪深传感器的测量性能进行检查，若不符合要求，应重新进行现场校准(按 3.7 的方法)，直到达到规定的技术要求。3传感器启用期间，保持基准面整洁平整，每日检查供电、通信情况。4积雪期间，每日检查测雪面，及时清除异物。若测雪面因踩踏等造成破坏时，应及时将测雪面尽可能恢复至与周围雪面状况相同。5传感器启用期间，每日检查传感器的外观、运行状态，注意分析判断雪深数据的准确性，如有疑问，应及时进行现场测试。6每月应定期检查传感器防雷接地情况。7按照仪器说明书要求，定期检查超声波探头干燥剂，若受潮失效，应及时更换；定期检查激光传感器探头的清洁度，保持清洁。8停用时，应切断传感器电源线、和采集器连接的数据线，清洁测距探头，并加防护罩。9停用期间，应定期给仪器的蓄电池充电。5.2 现场校准1检查仪器的工作状态，确保仪器符合性能指标要求。2调试，确认超声波探头安装水平、基准面水平、测量路径无遮挡，获得激光探头安装倾角，确认基准面高度。3使用校准模块模拟5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm高度积雪深度，用传感器分别测量这6种高度，每种高度重复进行3次测量，测量结果应当在允许误差范围内。其中：对于激光测距探头，应将校准模块置于激光探头的激光测量光点处