自动气象站及气象传感器发展现状和前景分析

自动气象站及气象传感器发展现状和前景分析
1 引言
所谓自动气象站，是指能按设定的要求，对多种气象要素自动进行采集、处理、存储和传输的地面气象观测设备，可以减少观测人员的地面观测工作量，提高观测时效和质量。

自二十世纪八十年代以来，芬兰、美国、日本等许多国家的地面气象观测网中就已普遍采用了自动气象站。

1999年7月，我国引进芬兰VAISALA公司的5套自动气象站投入业务运行，这是我国首次将自动气象站作为正式观测使用，标志着我国地面气象观测进入了一个新的里程。

同时，我国也加快了自行研制生产自动气象站的步伐，第一批于2000年1月1日起正式投入业务运行。

目前，我国已普遍使用自动遥测气象站，实现了人工气象站与自动气象站的联合观测。

自动气象站在我国已运行多年，气象工作者积累了丰富的经验，同时也发现许多问题。

传统自动气象站的结构为集中式，数据采集器必须与具体的传感器匹配，系统开放性不高，不适用于气象传感器的替换或增加。

尽管国产的自动气象站发展迅速，但气象传感器的技术水平较低，距世界先进水平还有一定的差距。

由此可见，要进一步提升我国地面气象观测的自动化水平，升级自动气象站和提升国产传感器的生产水平是关键。

在对自动气象站进行改造和升级换代时，应当以丰富的经验为基础，以实际业务需求为参考，研制国际领先的自动气象站和气象传感器。

当前，随着微电子技术、计算机技术、卫星技术和材料科学的发展，许多新技术都应用到气象观测自动化中，大大提高了气象传感器的探测精度和可维护性。

因此，有必要了解当前国际自动气象站和气象传感器方面的最新发展和动态，为我国自动气象站及气象传感器技术的发展提供借鉴。

2 自动气象站的工作原理及结构
自动遥测气象站一般由传感器、数据采集器、主控微机、显示打印系统和供电系统等部分组成，传感器包括有温湿度传感器、气压传感器、风向风速传感器和降水传感器等。

自动气象站将各要素传感器所测要素的量值以各种电信号（模拟信号和数字信号）的形式传入或数据采集器；数据采集器采集各传感器信号，并对信号进行处理，通过一根通讯电缆与主控机进行通讯；主控微机接收数据采集器传送来的数据信号，并通过终端软件按地面气象观测规范的要求，实施地面气象观测业务工作，其工作原理如图1所示。

3 自动气象站的发展现状
3.1 国内自动气象站发展现状
当前国内有多个厂家生产自动气象站，如北京华创升达高科技发展中心和天津气象仪器厂的CAWS 系列、长春气象仪器厂的DYYZ II系列、江苏无线电研究所的ZQZ_C II系列、广东省气象技术装备中心的ZDZ II型和北京阿斯曼科技发展公司的ASM、XYZ系列。

其中CAWS600、XYZ06以及机场地面气象观测自动化系统在军队和地方台站得到了广泛的推广和应用。

下面列出部分自动气象站的结构组成及其采用的部分气象传感器。

表1 三种自动气象站产品的结构组成和传感器使用对比
综合各种型号的自动气象站在我国的应用情况，总结如下：
（1）大部分自动气象站采用集中式结构，系统开放性不高，不同型号的传感器对应不同的数据采集器，各厂家之间标准不统一。

维修或增加传感器都必须对自动气象站重新进行校准标定，过程复杂，不符合我国气象发展战略研究中“综合气象观测系统工程”的发展要求。

（2）国产自动气象站所采用的气象传感器主要依赖进口，受技术水平和生产工艺的限制，国产传感器的准确性、可靠性较差。

观测项目仅限于传统的温、压、湿、风和降水等六要素，云、能见度、降水现象等气象要素急需要纳入自动气象站的观测项目。

（3）国产自动气象站所采用的数据采集器大多与相应的自动气象站配套使用，当需要扩充自动气象站观测功能，增加新的气象要素传感器时，不能直接进行升级，必须更换，从而造成重复建设和资源浪费。

3.2 国外自动气象站发展现状
目前全世界的70多个国家和20多个地区和组织基本上都是使用芬兰VAISALA公司的气象产品进行气象观测，自动气象站也不例外。

VAISALA公司自动气象站的代表系列是MAWS系列，目前在全球的大多数国家和地区使用的是MAWS201系列，该系列现已发展到了MAWS301、MAWS410系列。

与国产自动气象站相比，国外的自动气象站和气象传感器具有如下特点：（1）气象传感器技术先进，产品精确性和稳定性优越，除基本的六要素传感器外，土壤和水的温度、太阳辐射、土壤湿度、能见度、云等要素的传感器已经有成熟的产品出现。

（2）自动气象站可以根据用户的不同需求增减传感器的种类和数量，实际操作简便。

采用通用的数据传输格式，用户能自由配置数据的输出格式。

基本满足世界各国各种业务应用的需要。

（3）自动气象站采用良好的防护措施，能够适用于各种复杂环境。

在装备使用的机动性、操作的便捷性、维修的快捷性、恶劣环境的适应性等方面都做得较好。

（4）尽管国外自动气象站和传感器性能优越，但是通过进口自动气象站在中国长期运行的情况来看，其硬件和软件的表现都不尽如人意。

这是因为国外自动气象站的结构、传感器和软件等都是针对当地的具体情况设计的，并不完全符合我国的实际情况。

4 自动气象站的发展前景
通过对国内外自动气象站现状的分析可以看到，尽管目前国内的自动气象站基本能满足气象业务的需要和环境的要求，但存在不足和缺陷也较大。

必须充分认识到我国气象观测水平与国外先进技术相比还有较大的差距，为了满足不断提高的气象观测需求，提高我国气象观测事业的整体水平，应重点发展新一代自动气象站，对气象传感器、数据处理等关键技术进行改进，使我国的新一代自动气象站能够进入世界一流的行列。

4.1 自动气象站结构
自动气象站应最大程度地保证自动运行以减少维护费用和人力资源。

因此其结构设计要充分注意模块化和扩展性。

若有额外的传感器需要加入，只需要将新的传感器插入自动气象站而不需要改变已经存在的硬件结构。

并且任何硬件模块都应是可升级的，以适应仪器将来的扩展。

目前，我国所使用的自动气象站都属于集中式，结构封闭；国内各厂家生产的传感器独立性不强，互换性差；为了保证集中式自动气象站观测数据的准确性，每次维修或更换传感器都要重新校准标定，且必须整机进行，使得校标过程过于复杂。

对于这些弊端，基于总线制分布式或网络型结构的自动气象站可以很好地解决，成为自动气象站发展的趋势之一。

分布式自动气象站里所采用的智能传感器不同于普通的气象传感器，区别在于智能传感器不是输出电信号，而是将电信号经过信号变换、采样计算，直接输出我们所需要的气象数据，一个智能传感器就相当于一个一体化的单要素自动站。

分布式自动气象站所谓的“分布”，一方面是指硬件设备不是集中在一起，而是分散在一个相对广泛的区域里，通过一条数据总线把各个部件连接起来；另一方面是指硬件各部分相对独立，数据采集分散在各个智能传感器里面。

总线控制器负责提供现场总线（RS485或CAN总线），分布在不同区域里的各种智能传感器都可以通过该总线与计算机进行数据通讯，从而实现分布测量，如图2。

图2 分布式自动气象站结构示意图
江苏省无线电科学研究所研制的新一代自动气象站——ZQZ-B型分布式自动气象站，正是利用该原理研制而成的自动气象站。

此类自动气象站具有如下特点：（1）面向用户，可自由组合、积木式构建系统；（2）CAN总线结构，开放式设计，传感器独立性好，可任意增减和组合，使用维护方便；（3）采集通道零误差，精度主要取决于传感器的精度。

（4）可以进
行有线或无线技术大范围组网。

总线制分布式气象要素采集系统的研究、开发将使测报自动化系统冲破长期封闭的禁锢，走上开放发展的道路，这对自动气象站的发展是极好的机遇。

在推进我国气象观测业务发展的进程中，应该向着趋于开放统一的方向发展，建立共同遵守的标准规范，而这符合中国气象发展战略研究中“综合气象观测系统工程”的发展要求。

4.2 气象传感器
自动气象站主要包括传感器、数据采集、数据传输、数据处理等部分，其中最能决定自动气象站性能的是气象要素传感器。

在众多气象要素中，观测基本六要素的传感器已经实现业务化，其中部分传感器需要进口；能见度传感器已经有产品出现，国内厂家（如洛阳卓航）已经能够自主生产能见度仪，但是受设备可靠性、成本等因素的限制，在自动气象站中还没有实现业务化；云、降水现象传感器正在研制过程中，受云图识别理论和相关仪器发展的限制，尚没有出现成熟的产品。

另外，PWV（大气柱可降水汽总量）、大气电场、雷电极性和位置等参数也是需纳入到自动气象站的观测范围中，这些资料对于危险天气的监测和预警、短时天气预报有着非常重要的作用。

要真正提高我国气象观测水平，必须研制高精度、高可靠性的气象传感器；在提高现有传感器的探测精度和可靠性的同时，研制符合实际需求的其他要素的气象传感器；规范国产传感器的生产标准，不同厂家的产品应当遵守统一的标准，使同一型号的传感器能够互相替换。

4.2.1 基本六要素传感器
对于基本的温度、湿度、大气压强、风速、风向和降水量六要素的观测，目前自动气象站有部分传感器需要进口，国产传感器在精确度、稳定性、可靠性等方面与进口传感器有一定差距。

因此国内厂家应吸收国外先进经验，改进生产工艺，突破关键技术，生产符合自动气象站观测要求的气象传感器，提高气象传感器的国产化水平。

社会需求的不断增加和观测标准的不断提高对气象要素观测提出了新的要求，观测项目不断增加，更多的新技术和新方法应用到气象观测领域中。

温度方面，随着不同观测要求的出现，地面温度、土壤温度和水面温度等也逐渐成为自动气象站的观测项目，这对温度传感器的精度和稳定性提出了更高的要求；湿度方面存在的主要问题是湿度传感器难以在全温度量程范围内达到同样的测量准确度，在低温低湿条件下湿度传感器性能变差，响应迟缓，这是世界范围内大气探测的主要难题之一，亟待突破；气压方面，由于振筒气压仪和硅压阻气
压传感器发展比较成熟，符合自动气象站的观测要求，目前对气压传感器的相关研究较少；风速、风向方面，传统风向标和风杯的机械结构决定了其系统误差不可避免，且易受恶劣环境影响，而超声波风速仪、横风传感器等固态测风传感器的出现，不仅解决了机械摩擦问题，提高了测量准确度，而且环境适应性大大提高，在恶劣环境下仍可正常工作，成为风速、风向测量的主要发展方向；降水量方面，自动气象站主要是利用翻斗式雨量计对降水量进行观测和记录，观测项目单一，其它传感器，如光学雨强计、超声波测雪仪、冻雨传感器等，均只能对降水现象中的一个项目进行测量，应用有限。

当前的趋势是发展能够对降水量、降水类型和强度等多要素进行测量的技术。

4.2.2 蒸发、辐射、日照传感器
除了基本的六要素的测量外，部分自动气象站还承担了蒸发、辐射和日照的观测业务。

自动气象站测量蒸发用的传感器主要是浮子式数字水面蒸发传感器和超声波蒸发传感器，测量日照时间用的传感器主要是双金属片日照传感器和旋转式日照传感器，此类传感器多为进口，国内相关产品较少。

辐射的测量项目较多，根据国际气象组织WMO标准[错误！未定义书签。

]，包括总辐射、散射辐射、直接辐射、反射辐射、净全辐射和分光谱辐射等。

相应的传感器也较多，有总辐射表、反射辐射表、散射辐射表、直接辐射表、净全辐射表、长波辐射表、紫外辐射表等。

CAWS600-B型自动气象站中就装备有总辐射表（TBQ-2-B）、直接辐射表（FBS-2-B）和净辐射表（FNP-1）。

目前，我国的自动气象站对于辐射的观测还没有完全实现业务化
4.2.3 测云传感器
云的观测项目包括云的量、状、高，目前能够进行业务观测的只有云高。

目前适用于自动气象站的云底高测量仪器主要是激光测云仪。

受云图识别理论和相关仪器发展的限制，自动气象站尚不能对云量和云状进行观测。

目前国内外发展的趋势是利用可见光CCD和红外辐射方式对云进行测量。

可见光CCD可以获得白天云的分布图，典型的仪器有美国Yankee环境系统公司研制出的一种全天空成像仪TSI（Total Sky Imager），已经从TS-440型发展到了TS-880型，能识别云量，初步分析云状。

红外辐射方式又分为单元式和面阵列式，一般选择在红外窗区8~14微米波段，这种方式可实现云的昼夜连续测量，且昼夜测量准确度一致，能实现云量、云状和云底高的全要素测量。

两种红外测量方式都有成品，如法国研制的一种称为Nephelo的红外云分析仪就是采用了单元式，而我国研制的红外测云仪则采用了面阵列式。

相比较而言，单元式测量法的天空
分辨率较低，获得全天云分布信息扫描时间较长。

目前，面阵列式测云仪即将进入业务推广使用。

地面气象观测规范中关于云的分类、记录和编发报等是针对人工观测制定的，对于仪器观测并不完全符合，其分类原则和记录应当结合实际需要进行相应的调整。

因此在推动云的器测的同时，应当制定云的器测标准，从而使云的器测规范化、标准化。

4.2.4 能见度传感器
与测云传感器相比，能见度传感器的种类较多，应用比较广泛。

这主要归功于能见度理论的成熟和光学测量技术的发展。

传统的能见度测量方法主要包括两种。

一是消光系数法，其测量准确度较高，但需要一定长度的基线，费用较高，影响大范围推广使用，通常用于对能见度测量要求较高的场合（如机场）。

二是散射系数法，其在不同的天气条件下观测结果差别较大，但费用较低。

两种方法都有成熟产品，如VAISALA公司生产的FD12型透射式能见度仪和我国洛阳卓航测控设备有限责任公司生产的XDN01型前向散射能见度仪。

除此之外，摄像法测量能见度逐渐显现出其独特的优势，它的原理是数字摄像机模拟人眼直接摄取选定目标物的图像，通过计算机对获取的图像进行分析处理，从而获取能见度的数值。

该方法完全仿照人工目测能见度的方式测量能见度，避免了人的主观性，比传统的透射式、散射式能见度仪更具客观性，因而具有广阔的应用前景。

在香港等地区，摄像技术不仅已经投入能见度的业务使用，而且在监测天气现象等方面发挥重要作用。

目前，受观测地点限制，气象站广泛使用的是前向散射能见度仪，而自动气象站还没有实现业务化。

因此应当对现有能见度仪进行改进，设计符合自动气象站观测要求的能见度仪；制定能见度的器测规范，使能见度仪规范化、标准化；同时大力发展国产传感器，提高国产能见度仪的技术水平和产品质量。

4.2.5 天气现象传感器
天气现象包括降水现象、雾现象、风沙现象、雷电现象和地面冻结现象等9类，天气现象涉及的气象要素和条件复杂多变，对其进行观测所涉及的技术也相当复杂，因此实现所有类型天气现象的自动观测是不现实的。

目前此类仪器较少，最为成熟的是对降水现象传感器，由于成本、可维护性等因素的限制，降水现象传感器在自动气象站装备较少。

目前使用最广泛的是芬兰VAISALA公司的PWD12 和 PWD22系列天气现象传感器，该仪器能够对能见度以及引起能见度变化的天气现象、降水类型、降水量和降水强度等进行探测。

除此之外，英国的Biral VPF-730和PWS100天气现象传感器、德国的OTT Parsivel雨滴谱仪和Thies Clima Laser Precipitation Monitor，美国OSI公司生产的WIVIS、OWI，加拿大GENEQ公司生产的TPI-885降水现象传感器等均能够对降水现象和其它现象进行测量。

这些仪器所采用的技术主要是光学技术，利用降水粒子对不同波段光的散射、衰减、吸收等特性来实现对降水类型、强度和降水量的探测。

由于降水现象涉及多种气象要素，因此使用多种传感器对降水现象进行综合探测也是有效手段之一。

国内有关机构也正在这方面进行研究，但成熟的产品还没有出现，亟需我国气象工作者的努力。

综合比较国内外天气现象传感器的研究现状和发展趋势，我国应重点发展利用多传感器，采用多种手段对天气现象进行综合探测；同时制定天气现象的器测规范，使天气现象器测规范化、标准化，从而推动天气现象传感器的业务化。

4.2.6 雷电传感器
对于雷电现象的观测，我国《地面气象观测规范》中规定观测的项目包括雷电发生的方向和时间。

然而这只是定性观测，随着雷电研究的不断深入以及实际需求的不断增加，大气静电场强度、雷电强度、雷电位置和雷电极性等量化指标也成为当前雷电观测业务中的重要项目。

目前对电场强度、雷电过程和发生位置的探测主要利用大气电场仪和闪电定位仪，当前广泛应用的仪器有Vaisala的LPATS系列和LS系列闪电定位仪，美国GAI公司的IMPACT 闪电定位仪和LDAR系列闪电探测仪，以及中科院空间中心研制的DNDY型地面电场仪和ADTD 闪电定位仪等。

此外，多个大气电场仪和闪电定位仪联合组成观测网，还可以实现对雷电的预警，为社会和军事活动提供服务和保障。

我国对雷电的探测是由专门的台站和雷电监测设备进行，一般自动气象站并无此业务。

当前的发展趋势除了研究如何调整改造雷电探测设备的结构组成，使之满足自动气象站的系统要求之外，还应当研究如何对装备雷电传感器的自动气象站进行布网，规划配置方案，制定组网规范，大力推动自动气象站系统中雷电传感器的业务化。

.3 数据采集器
数据采集器主要完成多个被测参数的输入、数字化处理、数据的采集存储、数据交换、常规故障诊断等功能，直接关系到数据的传输和处理，是自动气象站数据采集部分的核心。

目前的数据采集器大多都是与相应的自动气象站配套使用，不同传感器的数量、型号对应不同的传感器接口。

当需要扩充自动气象站观测功能，增加新的气象要素传感器时，不能直接进行升级，必须对其进行更换，从而造成重复建设和资源浪费。

因此，应当使数据采集器能
实现要素传感器的随意增减和热插拔，从而能根据用户的不同需求灵活增减要素传感器。

改进和完善数据采集器，对于提高自动气象站的扩展性和通用性具有重要意义，同时也是国际上自动气象站在扩展观测要素、提高系统开放性方面的趋势之一。

5 结论
本文通过对当前国内外自动气象站和气象传感器的发展现状和未来发展趋势的分析，结合我国气象观测自动化的现状，对符合我国气象观测事业发展需要的自动气象站、气象传感器等方面进行了综合分析和评估，认为自动气象站及气象传感器应在如下几个方面加强和改进：
(1 )改进自动气象站的结构，采用总线制分布式或网络型结构，能够大大提高自动气象站的操作性和扩展性，是我国自动气象站发展的方向之一。

研制具有自主知识产权、高精度、高可靠性的气象传感器；在提高现有气象传感器的探测精度和可靠性的同时，研制符合实际需求的其他要素的气象传感器；规范国产传感器的生产标准，不同厂家的产品应当遵守统一的标准，使同一型号的传感器能够互相替换。

(2 )改进和完善数据采集器的结构，使数据采集器能实现传感器的随意增减和热插拔，从而提高自动气象站的扩展性和通用性。

(3)此外，地面气象观测规范的修订完善也是当前的发展趋势之一。

应当从观测的实际需求出发，针对自动气象站和气象传感器的技术指标修改、制定云、天气现象等的器测规范，促进多种气象传感器在自动气象站的业务应用。

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