现代大气探测学-第十讲-现代自动气象观测系统-夏课件.ppt

1、南京信息工程大学南京信息工程大学 夏俊荣夏俊荣xiajunr03126xiajunr031262019年年11月月19日日 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。 自动气象观测系统自动气象观测系统一一 概述概述三三 硬件硬件五五 采样与算法采样与算法二二 结构及工作原理结构及工作原理四四 软件软件六六 自动气象站网自动气象站网1 1 自自 动动 气气 象象 站（环工）站（环工） 概概 述述 自动气象观测系统，从狭义上说是指自动气自动气象观测系统，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

2、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，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。无线通信电路和组网软件组成。自动气象站自动气象站按按提提供供数数据据的的时时效效性性 实时实时自动自动气象站气象站非实时非实时自动自动气象站气象站 能按规定的时间能按规定的时间实时提供气象观

3、测实时提供气象观测数据的自动气象站数据的自动气象站 只能定时记录只能定时记录和存储观测数据，和存储观测数据，但不能实时提供气但不能实时提供气象观测数据的自动象观测数据的自动气象站气象站 根根据据对对自自动动气气象象站站人人工工干干预预情情况况 有人有人自动站自动站 无人无人自动站自动站 使用自动气象站的优点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）提高观测时间的密度（时间分辨率） 提高观测资料的可靠性提高观测资料的可靠性 保证观测站点的统一性保证观测站点的统一性 减少人为误差减少人为误差 降低观测业务费用降低观测业务

4、费用2 2 自自 动动 气气 象象 站站 结构及工作原理结构及工作原理 系统结构系统结构 自动气象站由硬件和系统软件自动气象站由硬件和系统软件组成组成, ,硬件包括传感器硬件包括传感器, ,采集器采集器, ,通信接口通信接口, ,电源电源, ,计算机等计算机等, ,系统软件有采集软件和业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自动气象站与中心站连接形成自动气象站网。网。 现代自动气象站主要采用集散式和总现代自动气象站主要采用集散式和总线式两种体系结构。线式两种体系结构。2 2 自自 动动 气气 象象 站站

5、 结构及工作原理结构及工作原理工作原理工作原理 随着气象要素值的变化，自动气象站各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，这种变传感器的感应元件输出的电量产生变化，这种变化量被化量被CPUCPU实时控制的数据采集器所采集，经过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，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。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，实时将气象要在配有计算机的自动气象站，实时将气象要素值显

6、示在计算机屏幕上，并按规定的格式存储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。记录报表和气象数据文件。2 2 自自 动动 气气 象象 站站 结构及工作原理结构及工作原理主要功能主要功能 自动采集气压、温度、湿度、风向、风速、雨自动采集气压、温度、湿度、风向、风速、雨 量、蒸发量、日照、辐射、地温、能见度等全部或部量、蒸发量

7、、日照、辐射、地温、能见度等全部或部分气象要素分气象要素 按业务需求通过计算机输入人工观测数据按业务需求通过计算机输入人工观测数据 按照海平面气压计算公式自动计算海平面气压；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、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露点温度以及所需的各种统计量 编发各类气象报告编发各类气象报告 形成观测数据文件形成观测数据文件 编制各类气象报表编制各类气象报表 实现通讯组网和运行状态的远程监控实现通讯组网和运行状态的远程监控3 3 自自 动动 气气 象象 站站 硬硬 件件 能感受被测气象要素

8、能感受被测气象要素的变化并按一定的规律转的变化并按一定的规律转换成可用输出信号的器件换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件或装置，通常由敏感元件和转换器组成。和转换器组成。 3 3 自自 动动 气气 象象 站站 硬硬 件件 气压气压振筒式气压传感器或膜盒式电容气压传感器振筒式气压传感器或膜盒式电容气压传感器 气温气温铂电阻温度传感器或热敏电阻温度传感器铂电阻温度传感器或热敏电阻温度传感器 湿度湿度湿敏电容湿度传感器或电阻湿度传感器湿敏电容湿度传感器或电阻湿度传感器 风向风向单翼风向传感器单翼风向传感器 风速风速风杯风速传感器风杯风速传感器 雨量雨量翻斗式雨量传感器翻斗式雨量传感器 蒸发蒸

9、发超声测距蒸发传感器超声测距蒸发传感器 辐射辐射热电堆式辐射传感器热电堆式辐射传感器 地温地温铂电阻或热敏电阻地温传感器铂电阻或热敏电阻地温传感器 日照日照直接辐射表、双金属片日照传感器直接辐射表、双金属片日照传感器 能见度能见度透射型能见度仪或散射型能见度仪透射型能见度仪或散射型能见度仪风速传感器风速传感器原理原理 三个轻质锥形风杯；三个轻质锥形风杯； 附着在中心不锈钢轴上的附着在中心不锈钢轴上的截光盘随轴旋转截光盘随轴旋转 ； 每转动一圈，切割红外光束每转动一圈，切割红外光束1414次，从而由光电晶体中产生出次，从而由光电晶体中产生出一个脉冲链，输出的脉冲速率与一个脉冲链，输出的脉冲速率与

10、风速成正比风速成正比。 测量范围测量范围 0 0 60m/s60m/s分辨率分辨率 0.05m/s0.05m/s起动风速起动风速 不大于不大于0.3 m/s0.3 m/s精度精度 0.3m/s0.3m/s（S10m/sS10m/sS10m/s）抗风强度抗风强度 75m/s75m/s传感器输出传感器输出 01221Hz01221Hz方波方波 工作电源工作电源 12V12V工作温度工作温度-40-40 o oC C+60+60 o oC (C (带加热带加热) )技术指标技术指标测风杆测风杆风向传感器 风标转轴带动的风标转轴带动的6 6至至8 8位格雷码光码盘位格雷码光码盘 6 6至至8 8个同心

11、圆轨道，个同心圆轨道，0 0、2 2、2 22 2、2 23 3、2 24 4、2 25 5、(2(26 6 、2 27 7) )等分等分 相邻每份作透光与不透光处理相邻每份作透光与不透光处理 码盘两侧同一半径上的码盘两侧同一半径上的6 6至至8 8对光电耦合器件对光电耦合器件 输出相应的输出相应的6 6至至8 8位格雷码，每一个格雷码代表一个风向。位格雷码，每一个格雷码代表一个风向。 测量范围测量范围03600360响应灵敏度响应灵敏度0.3 m/s0.3 m/s（3030度偏角）度偏角）工作电源工作电源1014VDC1014VDC分辨率分辨率 输出输出电压电压02.5VDC02.5VDC抗

12、风强度抗风强度75m/s75m/s工作环境工作环境-4060-4060、0100%RH0100%RH 原理原理技术指标技术指标风向、风速风向、风速 传传 感感 器器 测量距地测量距地1010米处米处的地面风的速度及方的地面风的速度及方向值，并转换为电信向值，并转换为电信号，此信号可以直接号，此信号可以直接传送到显示仪器或记传送到显示仪器或记录设备进行处理。录设备进行处理。温、湿度传感器温、湿度传感器 来自芬兰来自芬兰VAISALAVAISALA公公司的温湿度传感器司的温湿度传感器 同时测量空气温度和同时测量空气温度和相对湿度相对湿度 CAWS-FH防辐射罩防辐射罩温温湿湿度度传传感感器器 测湿

13、元件是聚合物薄膜电容测湿元件是聚合物薄膜电容传感器（湿敏电容传感器）传感器（湿敏电容传感器） 测温元件是铂电阻测温元件是铂电阻Pt100Pt100 感应部件位于传感器杆头部，感应部件位于传感器杆头部，外有一层滤膜过滤罩保护外有一层滤膜过滤罩保护 标准标准4 4线制铂电阻测温满足线制铂电阻测温满足PT385PT385测温标准测温标准 原理原理湿度湿度测量范围：测量范围：0 0 100%RH100%RH输出范围：输出范围：0 0 100%RH0-1VDC100%RH0-1VDC分分 辨辨 率：率：1%RH1%RH准准 确确 度：度：3%3%（T0T0） 5%5%（T0T0）稳定性：稳定性：1%RH

14、/1%RH/年年温度温度测量范围：测量范围：-50-50 +50+50分分 辨辨 率：率：0.10.1准准 确确 度：度：0.20.2输出：四线制电阻输出：四线制电阻 技术指标技术指标测测 V1、V2值即可求得值即可求得 Rt: Rt=R0*V1/V2 温度计算公式：温度计算公式：T=A+B*Rt+C*Rt2 A 恒流源 Rt R0 V1 V2 雨量传感器雨量传感器 原理原理 雨水由截面积为雨水由截面积为200200平方厘米集水器汇集，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通过装有小圆护网的小漏斗及其下端的引流管注入翻斗。注入翻斗。 当翻斗承积的水量达到一定的数量值时，当

15、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。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。相当于出一个电路导通脉冲。相当于0.1 mm0.1 mm降雨量。降雨量。 气压传感器气压传感器 原理原理 振筒式气压计由振动筒、外保护筒、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。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弹

16、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。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，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将测得筒内气体温度作为参数提供给系统进行温度补偿。统进行温度补偿。蒸发传感器蒸发传感器 超声波测距原理，选用高精度超声波测距原理，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，转换成电信号高度变化进行检测，转换成电信号输出输出 。测量范围测量范围 010

17、0mm0100mm分辨率分辨率 0.1mm0.1mm供电供电 1015VDC1015VDC输出输出 05V05V（电流最大（电流最大5Ma5Ma） 420mA420mA（负载电阻最大（负载电阻最大500500）技术指标技术指标总辐射表总辐射：总辐射： 测量水平表面上、测量水平表面上、22立体角内所接收到波长为立体角内所接收到波长为0.3-3m0.3-3m的太阳直接照射和天空散射的总辐照度（的太阳直接照射和天空散射的总辐照度（W/mW/m2 2）。反射辐射：总辐射感应面向下，用来测量来自地面的波长为反射辐射：总辐射感应面向下，用来测量来自地面的波长为0.3-30.3-3 m m短波反射辐射短波反

18、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：总辐射用遮光环遮挡太阳直接辐射后，用来测量散射辐射散射辐射。 感应件、玻璃罩和配件组成感应件、玻璃罩和配件组成; ;附件附件包括：机体、干燥器、白色挡板、底座、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）。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，感应为快速响应的线绕电镀式热电堆，感应面涂面涂3M3M无光黑漆无光黑漆. . 玻璃罩为半球形双层玻璃

19、罩为半球形双层石英玻璃，起防风和透过波长石英玻璃，起防风和透过波长0.3-3.00.3-3.0 m m范围的短波辐射，透过率范围的短波辐射，透过率 为常数且接近为常数且接近0.90.9。采用双层罩是为了阻。采用双层罩是为了阻止外层罩的红外辐射影响，减小测量误止外层罩的红外辐射影响，减小测量误差差结构原理结构原理 总辐射表总辐射表 基于热电效应基于热电效应 当涂黑的感应面接当涂黑的感应面接收辐射增热时，使以热收辐射增热时，使以热接点紧贴在下部的热电接点紧贴在下部的热电堆产生与接收到的辐照堆产生与接收到的辐照度成正比的温差电动势度成正比的温差电动势输出信号。输出信号。 工作原理工作原理响应时间（响

20、应时间（95%95%）：）： 35S180，则从，则从E中减去中减去360 ；若；若E360 ，则减去，则减去360 ；若重新计算的；若重新计算的 0 ，则，则加上加上360 nYnYnY 极值的选取极值的选取 最大风速从最大风速从10分钟平均风速值中选取分钟平均风速值中选取 其他要素的极值（含极大风速）均从其他要素的极值（含极大风速）均从瞬时值中选取瞬时值中选取 累计值累计值 降水量、日照时数、蒸发量、辐射均降水量、日照时数、蒸发量、辐射均计算累计值计算累计值6 6 自自 动动 气气 象象 站站 自动气象站网自动气象站网 由由一个中心站一个中心站 若干个自动气象站若干个自动气象站通过通过有线

21、或无线通信电路和组网软件组成有线或无线通信电路和组网软件组成自动自动气象站网气象站网.主要功能有：自动观测各气象要主要功能有：自动观测各气象要素素,编制和存储各类气象报告和观测数据文编制和存储各类气象报告和观测数据文件件,建立气象观测数据库、实现气象观测报建立气象观测数据库、实现气象观测报告和观测数据文件的自动传输、调用、实告和观测数据文件的自动传输、调用、实时控制及对系统运行的状态的远程监控时控制及对系统运行的状态的远程监控7 7 复复 习习 思思 考考 题题 1.1.何谓自动气象站何谓自动气象站, ,如何分类？如何分类？ 2.2.试述自动气象站的基本构成和工作原理。试述自动气象站的基本构成和工作原理。 3.3.自动气象站的主要功能是什么？自动气象站的主要功能是什么？ 4.4.自动气象站常用的传感器有哪些？自动气象站常用的传感器有哪些？ 5.5.自动气象站数据采集器的主要功能是什么？自动气象站数据采集器的主要功能是什么？ 6.6.自动气象站的数据采样顺序如何？自动气象站的数据采样顺序如何？ 7.7.自动气象站观测的风向，风速是如何平均的，自动气象站观测的风向，风速是如何平均的，风向过零如何考虑？风向过零如何考虑？ 8.8.自动气象站观测要素的极值如何选取？自动气象站观测要素的极值如何选取？ Thank you