自动气象站自动气象站原理与测量方法原理与测量方法主讲：唐晓丽四川省气象培训中心第一章第一章 概述概述1、自动站的涵义顾名思义，它是一个能自动采集、处理、存储和传输地面气象信息的设备（装置），其功能类似一个自动气象站，但它还不能完全代替一个观测员的人工观测。自动气象观测系统，在网络系统中，自动气象站也称子站，将许多子站和一个中心站用通讯网络连接起来，形成自动气象观测系统。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。自动气象站的组成一般由传感器、数据采集器、微机、系统电源、通讯接口等组成。传感器传感器将气象参数转换成数据采集器所需的模拟量、数字、频率等，以便进行测量，数据采集器数据采集器将传感器送来的参量按设定的要求进行处理。经过处理的气象资料用有线或无线方式传输给用户，或存储起来。2、使用自动站的目的使用自动气象站可以提高观测站网的均一程度和资料的时空密度，提高我国大气探测的现代化水平，减少人工观测引起的误差，从而提高地面观测资料的可靠性，减轻观测人员的劳动强度。在现有台站建设自动气象站，可以提高现有气在现有台站建设自动气象站，可以提高现有气象台站观测资料的时间密度；在野外建设自动象台站观测资料的时间密度；在野外建设自动气象站，可以提高观测资料的空间密度，如目气象站，可以提高观测资料的空间密度，如目前大量建设的区域气象观测站。前大量建设的区域气象观测站。随着大量自动气象站建设投入使用，提升了我随着大量自动气象站建设投入使用，提升了我国地面气象观测站网的时空密度，对增强监测、国地面气象观测站网的时空密度，对增强监测、警报、预测能力，为科学研究、科学试验、天警报、预测能力，为科学研究、科学试验、天气预报、气候预测、人工影响天气、城市环境气预报、气候预测、人工影响天气、城市环境气象和气象灾害决策服务等方面，提供了更准气象和气象灾害决策服务等方面，提供了更准确、更及时、更有效的地面气象观测资料。确、更及时、更有效的地面气象观测资料。3.自动观测与人工观测的差异仪器原理差异时空差异样本差异时次差异4.自动气象站的基本要求 主要功能要求：主要功能要求：1 1、自动采集各类气象要素的观测数据，经处理后、自动采集各类气象要素的观测数据，经处理后发送至终端设备。发送至终端设备。2 2、按照规定公式自动计算海平面气压、水汽压、按照规定公式自动计算海平面气压、水汽压、相对湿度、露点温度等，以及所需的各种统计相对湿度、露点温度等，以及所需的各种统计数据。数据。3 3、按照业务需求，编发各类气象报文，编制各类、按照业务需求，编发各类气象报文，编制各类气象报表（数据文件）和发送实时观测数据。气象报表（数据文件）和发送实时观测数据。主要技术性能指标自动气象站的主要技术性能指标：测量要素及其测量范围，数据采样率，数据处理方法，准确度，数据存储能力，数据传输方式等。5.自动气象站的种类 自动气象站有不同的分类方法，按提供数据的时效性，通常分成实时自动气象站和非实时自动气象站两类。世界气象组织仪器和观测方法委员会（CIMO）把自动气象站分成提供实时资料的实时自动气象站和记录资料供非实时分析用的非实时自动气象站两类。实时自动气象站：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。非实时自动气象站：非实时自动气象站：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也可将自动气象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值守的自动气象站和无人值守的自动站分为有人值守的自动气象站和无人值守的自动气象站。气象站。有人值守的自动气象站是一种人机结合的自动气有人值守的自动气象站是一种人机结合的自动气象站，配有终端设备。目前在业务上使用的就是象站，配有终端设备。目前在业务上使用的就是这类自动气象站。这类自动气象站。无人值守的自动气象站是一种全自动的自动气象无人值守的自动气象站是一种全自动的自动气象站，只含有能实现自动测量的气象要素，要素的站，只含有能实现自动测量的气象要素，要素的多少根据用户的需要而定，可以定时或非定时的多少根据用户的需要而定，可以定时或非定时的采集数据，直接远距离传输给用户，也可以把此采集数据，直接远距离传输给用户，也可以把此数据存储在本站存储器内，定时回收处理。数据存储在本站存储器内，定时回收处理。6.国内、国外自动气象站发展概况 第一代自动气象站：第一代自动气象站：2020世纪世纪5050年代末，有前苏联年代末，有前苏联研制的研制的M36M36型自动气象站，美国研制的型自动气象站，美国研制的AMOSAMOSIIIIII型自动气象站。缺点：观测要素少、结构简单、型自动气象站。缺点：观测要素少、结构简单、准确度低。准确度低。第二代自动气象站：第二代自动气象站：6060年代中期，能适应较严酷年代中期，能适应较严酷的气候条件，缺点：未能解决存储和传输问题，的气候条件，缺点：未能解决存储和传输问题，无法形成完整的自动观测系统。无法形成完整的自动观测系统。第三代自动气象站：第三代自动气象站：7070年代初，大量采用集成年代初，大量采用集成电路，实现了软件模块化、硬件积木化，单片电路，实现了软件模块化、硬件积木化，单片微处理器的应用使其具有较强的数据处理、记微处理器的应用使其具有较强的数据处理、记录和传输能力，并逐步投入业务使用。录和传输能力，并逐步投入业务使用。成熟的自动气象站：进入成熟的自动气象站：进入9090年代以来，自动气年代以来，自动气象站在许多发达国家得到了迅速发展，建成了象站在许多发达国家得到了迅速发展，建成了业务性自动观测网。如美国的（业务性自动观测网。如美国的（ASOSASOS）、日本）、日本的（的（AMEDASAMEDAS）、芬兰的（）、芬兰的（MILOSMILOS）和法国的）和法国的（MISTRALMISTRAL）自动化观测系统等。）自动化观测系统等。我国自动气象站研制工作始于我国自动气象站研制工作始于2020世纪世纪5050年代后期，年代后期，至今已有至今已有4040年代的历史。年代的历史。7070年代初研制出年代初研制出5 5台无台无人自动气象站。人自动气象站。9090年代后期，我国第一批自动气年代后期，我国第一批自动气象站设计定型，并获准在业务中使用。截至象站设计定型，并获准在业务中使用。截至20032003年，全国有年，全国有10001000多个台站使用了自动气象站，并多个台站使用了自动气象站，并实现了组网。国产的自动站在质量、性能、适应实现了组网。国产的自动站在质量、性能、适应恶劣气候的能力方面与发达国家生产的自动气象恶劣气候的能力方面与发达国家生产的自动气象站有较大差距，主要受科学技术水平和经济因素站有较大差距，主要受科学技术水平和经济因素的制约。的制约。第二章第二章 结构及工作原理结构及工作原理1 1、组成、组成自动站的种类很多，但不管是哪一种，其组成与自动站的种类很多，但不管是哪一种，其组成与原理大致是相同的。自动气象站由硬件和系统软原理大致是相同的。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、通讯接口、件组成，硬件包括传感器、采集器、通讯接口、系统电源、计算机等，系统软件有采集软件和地系统电源、计算机等，系统软件有采集软件和地面测报业务软件。为了实现组网和远程监控，还面测报业务软件。为了实现组网和远程监控，还须配置远程监控软件，将自动气象站与中心站联须配置远程监控软件，将自动气象站与中心站联接形成自动气象观测系统。接形成自动气象观测系统。自动站组成框图2、工作原理各个传感器的感应元件随着气象要素值的变化，各个传感器的感应元件随着气象要素值的变化，使得相应传感器输出的电信号产生变化，这种变使得相应传感器输出的电信号产生变化，这种变化由化由CPUCPU实时控制的数据采集器所采集，进行线实时控制的数据采集器所采集，进行线性化和定标处理，实现工程量到气象要素量的转性化和定标处理，实现工程量到气象要素量的转换；对数据进行质量控制，通过预处理后，得出换；对数据进行质量控制，通过预处理后，得出各个气象要素的实测值。（比如温度，它采集到各个气象要素的实测值。（比如温度，它采集到的是一个模拟量，是一个低压信号，与温度是一的是一个模拟量，是一个低压信号，与温度是一一对应的关系，那么在采集器里面经过定标处理一对应的关系，那么在采集器里面经过定标处理后就转化成实时的气象温度值了）后就转化成实时的气象温度值了）如果配上微机终端可实时按设定的菜单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。在定时观测的时刻，数据采集器将采集到的数据传到计算机里经过微机处理后。还将气象要素值存入规定格式的定时数据文件中。同时可按规定，生成各种气象报告；对观测资料进一步加工处理后，生成全月数据文件，利用配备的打印机可打印输出气象记录报表。如果需要将观测数据远距离发送，可在设定程序控制下，通过发送设备定时进行观测数据的传输，也可通过收发送设备进行应答式数据收集和传输。若配有数据存储卡（模块），可按设定时次将观测数据存入其中，定期收回处理。此外，还可对运行状态进行远程监控。华创升达生产的CAWS600型自动站介绍第三章第三章传感器传感器1、定义传感器是指能感受规定的被测对象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。2、传感器的组成传感器一般由敏感元件、变换元件组成。变换元件也称变换器，有时将变换器也作为传感器的一部分。敏感元件：直接感受（响应）被测量，并输出与被测量成确定关系的电的或非电的信号的元件。变换器：接受敏感元件输出的信号，转换为标准电信号输出的器件。由于电信号便于测量、传输、变换、储存和处理，由于电信号便于测量、传输、变换、储存和处理，因此气象传感器一般为电信号输出。输出的电信因此气象传感器一般为电信号输出。输出的电信号通常有：电压、电阻、电容、电流、频率等。号通常有：电压、电阻、电容、电流、频率等。气象传感器是直接从大气中获得信息的前沿装置，气象传感器是直接从大气中获得信息的前沿装置，传感器是否准确、可靠是影响自动气象站观测结传感器是否准确、可靠是影响自动气象站观测结果的关键。果的关键。3、传感器的特性传感器将输入的被测量参数转换为电信号输出，这种输出与输入关系是传感器的基本特性。（1）线性度-所谓线性度就是在理想的情况下，传感器的输出与输入应是直线关系，这种直线关系便于显示记录和处理，但是通常情况下，传感器输出与输入的关系并非直线，一般都以多向式方程来表示它，然后通过拟合的方式或通过计算机来进行直接处理，使线性程度变好。（2 2）灵敏度）灵敏度所谓灵敏度就是指传感器在稳态工作时，输出量的变化值所谓灵敏度就是指传感器在稳态工作时，输出量的变化值与输入量的变化值之比，称为传感器的灵敏度。与输入量的变化值之比，称为传感器的灵敏度。（3 3）响应时间（滞后时间）响应时间（滞后时间）-通常传感器用来测量每一个通常传感器用来测量每一个被测参数时被测参数时,它都不能立即响应参数的真实情况它都不能立即响应参数的真实情况,它总是逐它总是逐渐地接近被测参数的情况渐地接近被测参数的情况,这种滞后现象称为传感器的滞后这种滞后现象称为传感器的滞后性或叫惯性，当被测参数将要变化时，一般传感器都是随性或叫惯性，当被测参数将要变化时，一般传感器都是随将要变化的参数而变化，那么这种将要变化从开始将要的将要变化的参数而变化，那么这种将要变化从开始将要的时间，我们就称为传感器的实际常数。过去常用的时间，我们就称为传感器的实际常数。过去常用的时间常数都是时间常数都是I I变化量达到变化量达到63.2%63.2%的时候经历的时的时候经历的时间间,这个时间它是决定传感器的反映速度快慢的一这个时间它是决定传感器的反映速度快慢的一个重要参熟个重要参熟.现在大多数都采用的响应时间是达到现在大多数都采用的响应时间是达到90.0%90.0%所需要的时间来作为响应的时间所需要的时间来作为响应的时间,这样可减这样可减少响应的时间少响应的时间,缩短其滞后性。缩短