现代大气探测学-第十讲-现代自动气象观测系统-夏俊荣-课件

南京信息工程大学夏俊荣xiajunr03126现代大气探测学2019年11月19日南京信息工程大学现代大气探测学2019年11月19日1

致谢

本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成，此外还得到了其他诸位老师的帮助，在此谨表示衷心感谢。

致谢本课程多媒体教材是在兰州大学张2第十讲自动气象观测系统第十讲自动气象观测系统3自动气象观测系统一概述三硬件五采样与算法二结构及工作原理四软件六自动气象站网自动气象观测系统一概述三硬件五采样与算法二结构及工作4§1自动气象站（环工）

——概述

自动气象观测系统，从狭义上说是指自动气象站，从广义上说是指自动气象站网。自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备。如果需要，可直接或在中心站编发气象报告，也可以按业务需求编制各类气象报表。自动气象站网由一个中心站和若干自动气象站通过有线和无线通信电路和组网软件组成。自动气象观测系统是怎么定义的？§1自动气象站（环工）

——概述5自动气象站自动气象站6现代大气探测学-第十讲-现代自动气象观测系统-夏俊荣-课件7back自动气象站的分类：按提供数据的时效性实时自动气象站非实时自动气象站

能按规定的时间实时提供气象观测数据的自动气象站

只能定时记录和存储观测数据，但不能实时提供气象观测数据的自动气象站根据对自动气象站人工干预情况有人自动站无人自动站§1自动气象站

——概述back自动气象站的分类：按实时非实时能按规定的时间8使用自动气象站的优点提高观测站点的密度（空间分辨率）提高观测时间的密度（时间分辨率）提高观测资料的可靠性保证观测站点的统一性减少人为误差降低观测业务费用使用自动气象站的优点提高观测站点的密度（空间分辨率）9§2自动气象站

——结构及工作原理系统结构自动气象站由硬件和系统软件组成,硬件包括传感器,采集器,通信接口,电源,计算机等,系统软件有采集软件和业务应用软件。还应配置远程监控软件，将自动气象站与中心站连接形成自动气象站网。现代自动气象站主要采用集散式和总线式两种体系结构。§2自动气象站

——结构及工作10§2自动气象站

——结构及工作原理工作原理

随着气象要素值的变化，自动气象站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，并按一定的格式存储在采集器中。在配有计算机的自动气象站，实时将气象要素值显示在计算机屏幕上，并按规定的格式存储在计算机的硬盘上。在定时观测时刻，还将气象要素值存入规定格式的定时数据文件中。根据业务需要实现各种气象报告的编发，形成各种气象记录报表和气象数据文件。§2自动气象站

——结构及工作原理工作原理随11§2自动气象站

——结构及工作原理主要功能⑴自动采集气压、温度、湿度、风向、风速、雨量、蒸发量、日照、辐射、地温、能见度等全部或部分气象要素⑵按业务需求通过计算机输入人工观测数据⑶按照海平面气压计算公式自动计算海平面气压；按照湿度参量的计算公式计算水汽压、相对湿度、露点温度以及所需的各种统计量⑷编发各类气象报告⑸形成观测数据文件⑹编制各类气象报表⑺实现通讯组网和运行状态的远程监控§2自动气象站

——结构及工作原理主要功能12§3自动气象站

——硬件传感器

能感受被测气象要素的变化并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换器组成。常用的传感器有：§3自动气象站

——硬件传感器13§3自动气象站

——硬件气压——振筒式气压传感器或膜盒式电容气压传感器气温——铂电阻温度传感器或热敏电阻温度传感器湿度——湿敏电容湿度传感器或电阻湿度传感器风向——单翼风向传感器风速——风杯风速传感器雨量——翻斗式雨量传感器蒸发——超声测距蒸发传感器辐射——热电堆式辐射传感器地温——铂电阻或热敏电阻地温传感器日照——直接辐射表、双金属片日照传感器能见度——透射型能见度仪或散射型能见度仪§3自动气象站

——硬件气压——振筒式气压传14风速传感器●原理

三个轻质锥形风杯；

附着在中心不锈钢轴上的截光盘随轴旋转；

每转动一圈，切割红外光束14次，从而由光电晶体中产生出一个脉冲链，输出的脉冲速率与风速成正比。

测量范围 0

~60m/s分辨率0.05m/s起动风速不大于0.3m/s精度±0.3m/s（S<10m/s）

±3m/s（S>10m/s）抗风强度75m/s传感器输出0~1221Hz方波

工作电源12V工作温度-40oC~+60oC(带加热)●技术指标风速传感器●原理三个轻质锥形风杯；附着在中15测风杆测风杆16风向传感器风标转轴带动的6至8位格雷码光码盘6至8个同心圆轨道，0、2、22、23、24、25、(26、27)等分相邻每份作透光与不透光处理码盘两侧同一半径上的6至8对光电耦合器件输出相应的6至8位格雷码，每一个格雷码代表一个风向。测量范围 0~360°响应灵敏度 0.3m/s（30度偏角）工作电源 10~14VDC分辨率 输出 电压0~2.5VDC抗风强度 75m/s工作环境 -40℃~60℃、0~100%RH

原理

技术指标风向传感器风标转轴带动的6至8位格雷码光码盘测量范围 0~317风向、风速传感器

测量距地10米处的地面风的速度及方向值，并转换为电信号，此信号可以直接传送到显示仪器或记录设备进行处理。风向、风速测量距地10米处的地面风的速度及方向值，并18温、湿度传感器来自芬兰VAISALA公司的温湿度传感器同时测量空气温度和相对湿度

CAWS-FH防辐射罩温、湿度传感器来自芬兰VAISALA公司的温湿度传感器CAW19温湿度传感器测湿元件是聚合物薄膜电容传感器（湿敏电容传感器）测温元件是铂电阻Pt100感应部件位于传感器杆头部，外有一层滤膜过滤罩保护标准4线制铂电阻测温满足PT385测温标准

原理湿度测量范围： 0

~100%RH输出范围： 0

~100%RH0-1VDC分辨率： ±1%RH准确度： 3%（T>0℃）

±5%（T≤0℃）稳定性： <1%RH/年温度测量范围： -50

~+50℃分辨率： 0.1℃准确度： ±0.2℃输出：四线制电阻

技术指标温湿度传感器测湿元件是聚合物薄膜电容传感器（湿敏电容传感器）20雨量传感器

原理雨水由截面积为200平方厘米集水器汇集，通过装有小圆护网的小漏斗及其下端的引流管注入翻斗。当翻斗承积的水量达到一定的数量值时，翻斗翻倒，另一半翻斗开始盛雨。计数翻斗中部装有一块小磁钢，磁钢上端有干簧管。当计数翻斗翻动时，磁钢对干簧管扫描，使干簧接点因磁化而瞬间闭合一次，送出一个电路导通脉冲。相当于0.1mm降雨量。雨量传感器原理21气压传感器

原理

振筒式气压计由振动筒、外保护筒、激振线圈和检测线圈组成。弹性振筒感应内外的真空腔和空气腔的压力差对应输出变化的频率。系统将频率转化为电压输出。为解决振筒振动固有频率的温度漂移，在振筒基座上加了一个测温元件，将测得筒内气体温度作为参数提供给系统进行温度补偿。气压传感器原理22蒸发传感器

超声波测距原理，选用高精度超声波探头，对标准蒸发皿内水面高度变化进行检测，转换成电信号输出。测量范围0~100mm分辨率0.1mm供电10~15VDC输出0~5V（电流最大5Ma）

4~20mA（负载电阻最大500Ω）技术指标蒸发传感器超声波测距原理，选用高精度超声波23总辐射表总辐射：测量水平表面上、2π立体角内所接收到波长为0.3-3μm的太阳直接照射和天空散射的总辐照度（W/m2）。反射辐射：总辐射感应面向下，用来测量来自地面的波长为0.3-3

m短波反射辐射。散射辐射：总辐射用遮光环遮挡太阳直接辐射后，用来测量散射辐射。

感应件、玻璃罩和配件组成;附件包括：机体、干燥器、白色挡板、底座、水准器和接线柱等。此外还有保护玻璃罩的金属盖（又称遮光罩或保护罩）。感应件由感应面和热电堆组成。热电堆为快速响应的线绕电镀式热电堆，感应面涂3M无光黑漆.玻璃罩为半球形双层石英玻璃，起防风和透过波长0.3-3.0

m范围的短波辐射，透过率为常数且接近0.9。采用双层罩是为了阻止外层罩的红外辐射影响，减小测量误差结构原理

总辐射表总辐射：测量水平表面上、2π立体角内所接收到波长24总辐射表

基于热电效应当涂黑的感应面接收辐射增热时，使以热接点紧贴在下部的热电堆产生与接收到的辐照度成正比的温差电动势输出信号。

工作原理响应时间（95%）：<35S（99%）稳定性（年变化量）：小于±2%非线性：小于±2%方位：小于±5%测量角：2π立体角辐照度：0-1400W/m2（最大2000W/m2）光谱范围：300-3200nm灵敏度：7-14μv/W*m-2接收涂层：3M无光黑漆干燥剂：硅胶技术指标总辐射表基于热电效应工作原理响应时间（95%25直接辐射表光筒、自动跟踪装置光筒内部由光阑、内筒、热电堆、干燥剂筒等组成。感应部件是采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。在线性范围内产生的温差电势与太阳直接辐照度成正比。自动跟踪装置是由底板、纬度架、电机等组成。电机是动力源，用户可根据要求选择直流电机或交流电机作为动力源。该表的跟踪精度与安装和细心的调整有密切关系。工作原理

用于测量光谱范围为0.27-3.2μm的太阳直辐射量。当太阳直辐射量超过120W/m2时和日照时数记录仪连接，也可直接测量日照时数。

直接辐射表光筒、自动跟踪装置工作原理用26净辐射表

用来测量太阳辐射差，即净（全）辐射。上表面测量由天空（包括太阳和大气）向下的投射，下表面测量由地表（包括土壤、植物、水面）向上投射的全波段辐射量，且自动输出上下表面测量值之差。

工作原理

感应件、薄膜罩和配件感应件由上下两片涂黑感应面和热电堆组成。上下感应面接受不同的辐射量，使热电堆上下端产生温差而输出与净（全）辐射成正比的电量。感应面外罩为上下两个半球形聚乙烯薄膜罩，能透过短波辐射和长波辐射，测量0.3-100μm波长的全波段的光辐射净辐射表用来测量太阳辐射差，即净（全）辐射27紫外辐射表

紫外辐射传感器是一种测量全球太阳紫外辐射(UV-B)波长的精密仪器。广泛应用于曝晒引起红斑剂量的研究，UV-B光波对植物的影响研究，紫外线预报，气候资料收集和臭氧洞影响的研究。工作原理不是基于辐射的热效应（与前不同）基于电离效应、光电效应或摄影感光紫外辐射表紫外辐射传感器是一种测量全球太阳紫外辐射(28分光谱辐射表

采用光电转换感应原理。表的内罩为石英玻璃，外罩是经精密冷加工磨制而成的光学玻璃

分光谱辐射传感器是用来测量不同波长辐射强度的仪表。

可广泛应用于紫外线测量的预报、农业气象、植物生理研究，太阳能利用、海洋考察、建筑材料老化及大气污染等科学研究。工作原理分光谱辐射表采用光电转换感应原理。表的内罩为石英29能见度仪

能见度仪采用前向散射法测大气消光系数，通过换算得出能见度

能见度仪由稳定的红外发射光源，高灵敏度，大动态范围的红外散射光接收器，信号采集与处理器，控制器，加热器，电源，调制解条器，防护罩，防腐支架，不锈钢机箱等部件组成。整个电路采用大规模可编程器件，贴片工艺，体积小，升级灵活方便，易于扩充。信号采集系统用贴片式低功耗CPLD门阵列电路，缩小了电路体积，增强了稳定性和可靠性。工作原理能见度仪能见度仪采用前向散射法测大气消光系数，通过换算得30日照传感器

原理

双金属片日照传感器用以精确探测太阳辐射起止。当照射在仪器上的直接阳光辐射高于某一预设阈值时触点接触闭合，接触闭合输出信号可由多种记录器记录。它不需要季节性的调节和维护。对于纬度在0度到65度的任意区域内，能满足无人值守和低能耗的要求。

当太阳直辐射量超过120W/㎡时，直接辐射表和日照时数记录仪连接，也可直接测量日照时数。

双金属片日照传感器

日照传感器原理当太阳直辐射量超过120W/㎡时，31日照传感器

日照传感器32自动气象站的结构框图风向、风速温、湿度气压雨量地温蒸发辐射感雨防雷板采集核心通讯预处理MODEM串口隔离器DCP发射机VHF/UHF通讯部件

供电系统主控机打印机UPS传感器采集系统自动气象站的结构框图风向、风速温、湿度气压雨量地温蒸发辐射感33现代大气探测学-第十讲-现代自动气象观测系统-夏俊荣-课件34§3自动气象站

——硬件

数据采集器数据采集器是自动气象站的核心，其主要功能是数据采集、数据处理、数据存储及数据传输等。§3自动气象站

——硬件数35数据采集器数据采集器36数据采集器数据采集器37关于数据采集器采集器的电源要能保证采集器至少7天正常工作，数据存储器至少能存储3天的每分钟气压、气温、相对湿度、1分钟平均风向和风速、降水量和下表所列各项目的每小时正点观测数据，能在计算机中形成规定的数据文件关于数据采集器采集器的电源要能保证采集器至少7天正常工作，数382分钟平均风向露点温度最低草温/最低雪温2分钟平均风速本站气压最低草温/最低雪温出现时间10分钟平均风向最高本站气压蒸发量10分钟平均风速最高本站气压出现时间日照时数最大风速时风向最低本站气压总辐射曝辐量最大风速最低本站气压出现时间总辐射最大辐照度最大风速出现时间地面温度总辐射最大辐照度出现时间瞬时风向地面最高温度净全辐射曝辐量瞬时风速地面最高温度出现时间净全辐射最大辐照度极大风向地面最低温度净全辐射最大辐照度出现时间极大风速地面最低温度出现时间净全辐射最小辐照度极大风速出现时间5cm地温净全辐射最小辐照度出现时间降水量10cm地温直接辐射曝辐量气温15cm地温直接辐射最大辐照度最高气温20cm地温直接辐射最大辐照度出现时间最高气温出现时间40cm地温水平直接辐射曝辐量最低气温80cm地温散射辐射曝辐量最低气温出现时间160cm地温散射辐射最大辐照度相对湿度320cm地温散射辐射最大辐照度出现时间最小相对湿度草温/雪温反射辐射曝辐量最小相对湿度出现时间最高草温/最高雪温反射辐射最大辐照度水汽压最高草温/最高雪温出现时间反射辐射最大辐照度出现时间2分钟平均风向露点温度最低草温/最低雪温2分钟平均风速本站气39§3自动气象站

——硬件

系统电源自动气象站具备高稳定性无干扰的系统电源。在有市电的地方，使用市电，并对备用电池浮充电，以备出现故障时使用。若使用计算机，则还配备不间断电源(UPS)和后备电池。自动气象站可用电池供电。在无市电的地区，自动气象站可用电池供电，这时，可用辅助电源对电池充电。可作辅助电源的有：柴油或汽油发电机、风力发电机、太阳能电池板等

通信接口联接采集器与计算机计算机与中心站采集器与中心站等的通信连接设备

外围设备根据不同的需要，配置的外围设备有：计算机、打印机、显示器等§3自动气象站

——硬件系统电源自动气40§4自动气象站

——软件自动气象站的系统软件采集软件业务软件

为了实现组网和远程控制，还须配置远程监控软件。§4自动气象站

——软件自动气象站采集软件业41§4自动气象站

——软件

采集软件

采集软件有厂家提供,写在采集器中.必须遵守本规范及其它气象技术规定.其主要功能有:(1)接受和响应业务软件对参数的设置和系统时钟的调整;(2)实时和定时采集各传感器的输出信号,经计算、处理形成各气象要素值;(3)存储、显示和传输各气象要素值;(4)大风报警;(5)运行状态监控.§4自动气象站

——软件采42§4自动气象站

——软件

业务软件

业务软件根据地面气象业务的需要编制，有国务院气象主管机构颁发主要功能包括：参数设置、实时数据显示、定时数据存储、编发气象报告、数据维护、数据审核、报表编制，按照《全国地面气象资料数据模式》形成统一的数据文件等§4自动气象站

——软件业务软43§5自动气象站

——采样和算法

采样

自动站的数据采样在采集器中完成，采样顺序：气温、湿度、降水量、风向、风速、气压、地温、辐射、日照、蒸发

算法

1.平均值

2.极值选取

3.降水量、日照时数、蒸发量、辐射均计算累计值§5自动气象站

——采样和算法44§5自动气象站

——采样和算法

气温、湿度、气压、地温、辐射采样速率是：6次/分钟，去掉一个最大值和一个最小值，余下的4次采样值求算数平均，1min平均值为瞬时值风向、风速采样速率是：1次/秒，求3s、2min、10min的滑动平均值，3s的平均值为瞬时值降水量、蒸发量、日照时数采样速率是：1次/分钟。平均值在等时间间隔内取得，时间间隔不能超过传感器的时间常数。§5自动气象站

——采样和算法45响应时间（滞后系数）

被测量值阶跃变化后，仪器测量值达到最终稳定值的不同百分比所需要的时间。其中达到63.2%所需的时间称为仪器的时间常数响应时间（滞后系数）被测量值阶跃变化后46算法平均值气温、湿度、气压、地温