自动气象站及气象传感器发展现状及前景分析计划

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自动气象站及气象传感器发显现状和远景剖析

前言

所谓自动气象站，是指能按设定的要求，对多种气象因素自动进行收集、办理、存储和

传输的地面气象观察设备，可以减少观察人员的地面观察工作量，提高观察时效和质量。自二十世纪八十年月以来，芬兰、美国、日本等好多国家的地面气象观察网中就已广泛采纳了

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转，这是我国初次将自动气象站作为正式观察使用，标记着我国地面气象观察进入了一个新的里程。同时，我国也加速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转。当前，我国已广泛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

观察。

自动气象站在我国已运转多年，气象工作者累积了丰富的经验，同时也发现好多问题。传统自动气象站的结构为会合式，数据收集器必然与详尽的传感器般配，系统开放性不高，不合用于气象传感器的取代或增添。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必然的差距。所以可知，要进一步提高我国地面气象观察的自动化水平，升级自动气象站和提高国产传感器的生产水平是要点。在对自动气象站进行改造和升级换代时，应该以丰富的经验为基础，以实质业务需求为参照，研制国际当先的自动气象站平易象传感器。

当前，跟着微电子技术、计算机技术、卫星技术和资料科学的发展，好多新技术都应用到气象观察自动化中，大大提高了气象传感器的探测精度和可保护性。所以，有必需认识当前国际自动气象站平易象传感器方面的最新发展和动向，为我国自动气象站及气象传感器技术的发展供给借鉴。

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、数据收集器、主控微机、显示打印系统和供电系统等部

分构成，传感器包含有温湿度传感器、气压传感器、风向风速传感器和降水传感器等。自动气象站将各因素传感器所测因素的量值以各种电信号（模拟信号和数字信号）的形式传入或数据收集器；数据收集器收集各传感器信号，并对信号进行办理，经过一根通信电缆与主控机进行通信；主控微机接收数据收集器传达来的数据信号，并经过终端软件按地面气象观察

规范的要求，实行地面气象观察业务工作，其工作原理如图1所示。

自动气象站的发显现状3.1国内自动气象站发显现状

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

DYYZII

系列、江苏无线电研究所的

ZQZ_CII

系列、广

东省气象技术装备中心的

ZDZII

型和北京阿斯曼科技发展公司的

ASM、XYZ系列。此中

CAWS600、XYZ06以及机场所面气象观察自动化系统在军队和地方台站获取了广泛的实行和应

用。下边列出部分自动气象站的结构构成及其采纳的部分气象传感器。

表1三种自动气象站产品的结构构成和传感器使用比较

综合各种型号的自动气象站在我国的应用状况，总结以下：

（1）大多数自动气象站采纳会合式结构，系统开放性不高，不一样样样型号的传感器对应不一样样样的数据收集器，各厂家之间标准不一致。维修或增添传感器都必然对自动气象站重新进行校准标定，过程复杂，不吻合我国气象发展战略研究中“综合气象观察系统工程”的发展要求。

2）国产自动气象站所采纳的气象传感器主要依赖入口，受技术水平易生产工艺的限制，国产传感器的正确性、靠谱性较差。观察项目仅限于传统的温、压、湿、风和降水等六因素，云、能见度、降水现象等气象因素急需要归入自动气象站的观察项目。

3）国产自动气象站所采纳的数据收集器大多与相应的自动气象站配套使用，当需要扩大自动气象站观察功能，增添新的气象因素传感器时，不可以直接进行升级，必然更换，从而

造成重复建设和资源浪费。

3.2外国自动气象站发显现状

当前全世界的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察，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，当前在全世界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。与国产自动气象站比较，外国的自动气象站平易象传感器拥有以下特色：

（1）气象传感器技术先进，产品精确性和坚固性优胜，除基本的六因素传感器外，土壤

和水的温度、太阳辐射、土壤湿度、能见度、云等因素的传感器已经有成熟的产品出现。

（2）自动气象站可以依据用户的不一样样样需求增减传感器的种类和数目，实质操作简单。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）自动气象站采纳优异的防范措施，可以合用于各种复杂环境。在装备使用的灵巧性、

操作的便利性、维修的快捷性、恶劣环境的适应性等方面都做得较好。（4）尽管外国自动气象站和传感器性能优胜，但是经过入口自动气象站在中国长久运转的状况来看，其硬件和软件的表现都不尽善尽美。这是因为外国自动气象站的结构、传感器和软件等都是针对当地的详尽状况设计的，其实不圆满吻合我国的实质状况。

自动气象站的发展远景

经过对国内外自动气象站现状的剖析可以看到，尽管当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，但存在不足和缺点也较大。必然充分认识到我国气象观察水平与外国先进技术比较还有较大的差距，为了满足不停提高的气象观察需求，提高我国气象观察事业的整体水平，应要点发展新一代自动气象站，对气象传感器、数据办理等要点技术进行改进，使我国的新一代自动气象站可以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转以减少保护开销和人力资源。所以其结构设计要充分注意模块化和扩展性。如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，以适应仪器未来的扩展。当前，我国所使用的自动气象站都属于会合式，结构封闭；国内各厂家生产的传感器独立性不强，互换性差；为了保证会合式自动气象站观察数据的正确性，每次维修或更换传感器都要重新校准标定，且必然整机进行，使得校标过程过于复杂。关于这些缺点，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向之一。

分布式自动气象站里所采纳的智能传感器不一样样样于一般的气象传感器，差异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因素自动站。分布式自动气象站所谓的“分布”，一方面是指硬件设备不是会合在一起，而是分别在一个相对广泛的地区里，经过一条数据总线把各个零件连接起来；另一方面是指硬件各部分相对独立，数据收集分别在各个智能传感

器里面。总线控制器负责供给现场总线（RS485或CAN总线），分布在不一样样样地区里的各种智能

传感器都可以经过该总线与计算机进行数据通信，从而实现分布丈量，如图2。图2分布式自动气象站结构表示图

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。此类自动气象站拥有以下特色：（1）面向用户，可自

由组合、积木式成立系统；（2）CAN总线结构，开放式设计，传感器独立性好，可随意增减

和组合，使用保护方便；（3）收集通道零偏差，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。

总线制分布式气象因素收集系统的研究、开发将使测报自动化系统打破长久封闭的看守，走上开放发展的道路，这对自动气象站的发展是极好的机会。在推动我国气象观察业务发展

的进度中，应该向着趋于开放一致的方向发展，成立共同遵守的标准规范，而这吻合中国气象发展战略研究中“综合气象观察系统工程”的发展要求。

4.2气象传感器

自动气象站主要包含传感器、数据收集、数据传输、数据办理等部分，此中最能决定自动气象站性能的是气象因素传感器。在众多气象因素中，观察基本六因素的传感器已经实现业务化，此中部分传感器需要入口；能见度传感器已经有产品出现，国内厂家（如洛阳卓航）已经可以自主生产能见度仪，但是受设备靠谱性、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，受云图鉴别理论和相关仪器发展的限

制，尚没有出现成熟的产品。其余，PWV（大气柱可降水汽总量）、大气电场、雷电极性和地点等参数也是需归入到自动气象站的观察范围中，这些资料关于危险天气的监测和预警、短时天气预告有着特别重要的作用。

要真切提高我国气象观察水平，必然研制高精度、高靠谱性的气象传感器；在提高现有传感器的探测精度和靠谱性的同时，研制吻合实质需求的其余因素的气象传感器；规范国产传感器的生产标准，不一样样样厂家的产品应该遵守一致的标准，使同一型号的传感器可以相互取代。

基本六因素传感器

关于基本的温度、湿度、大气压强、风速、风向和降水量六因素的观察，当前自动气象

站有部分传感器需要入口，国产传感器在精确度、坚固性、靠谱性等方面与入口传感器有一

定差距。所以国内厂家应汲取外国先进经验，改进生产工艺，打破要点技术，生产吻合自动

气象站观察要求的气象传感器，提高气象传感器的国产化水平。

社会需求的不停增添和观察标准的不停提高对气象因素观察提出了新的要求，观察项目

不停增添，更多的新技术和新方法应用到气象观察领域中。温度方面，跟着不一样样样观察要求的

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察项目，这对温度传感

器的精度和坚固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

量程范围内达到相同的丈量正确度，在低温低湿条件下湿度传感器性能变差，响应缓慢，这

是世界范围内大气探测的主要难题之一，亟待打破；气压方面，因为振筒气压仪和硅压阻气压传感器发展比较成熟，吻合自动气象站的观察要求，当前对气压传感器的相关研究较少；

风速、风向方面，传统风向标细风杯的机械结构决定了其系统偏差不可以防范，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，不但解决了机械摩擦问题，

提高了丈量正确度，并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

向丈量的主要发展方向；降水量方面，自动气象站主若是利用翻斗式雨量计对降水量进行观

测和记录，观察项目单一，其余传感器，如光学雨强计、超声波测雪仪、冻雨传感器等，均

只好对降水现象中的一个项目进行丈量，应用有限。当前的趋向是发展可以对降水量、降水

种类和强度等多因素进行丈量的技术。

蒸发、辐射、日照传感器

除了基本的六因素的丈量外，部分自动气象站还肩负了蒸发、辐射和日照的观察业务。

自动气象站丈量蒸发用的传感器主若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若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。

辐射的丈量项目好多，依据国际气象组织WMO标准[错误！不决义书签。]，包含总辐射、

散射辐射、直接辐射、反射辐射、净全辐射和分光谱辐射等。相应的传感器或好多，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）。当前，我国的自动气象站关于辐射的观察还没有圆满实现业务化

测云传感器

云的观察项目包含云的量、状、高，当前可以进行业务观察的只有云高。当前合用于自

动气象站的云底高丈量仪器主若是激光测云仪。受云图鉴别理论和相关仪器发展的限制，自

动气象站尚不可以对云量和云状进行观察。

当前国内外发展的趋向是利用可见光CCD和红外辐射方式对云进行丈量。可见光CCD可

以获取白日云的分布图，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（TotalSkyImager），已经从TS-440型发展到了TS-880型，能鉴别云量，初步剖析云

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，这类方式

可实现云的日夜连续丈量，且日夜丈量正确度一致，能实现云量、云状和云底高的全因素测

量。两种红外丈量方式都有成品，如法国研制的一种称为Nephelo的红外云剖析仪就是采纳

了单元式，而我国研制的红外测云仪则采纳了面阵列式。比较较而言，单元式丈量法的天空分辨率较低，获取全天云分布信息扫描时间较长。当前，面阵列式测云仪马上进入业务实行

使用。

地面气象观察规范中关于云的分类、记录和编发报等是针对人工观察制定的，关于仪器

观察其实不圆满吻合，其分类原则和记录应该联合实质需要进行相应的调整。所以在推动云的

器测的同时，应该制定云的器测标准，从而使云的器测规范化、标准化。

能见度传感器

与测云传感器比较，能见度传感器的种类好多，应用比较广泛。这主要归功于能见度理论的成熟和光学丈量技术的发展。

传统的能见度丈量方法主要包含两种。一是消光系数法，其丈量正确度较高，但需要一

定长度的基线，开销较高，影响大范围推执行用，平常用于对能见度丈量要求较高的场合（如机场）。二是散射系数法，其在不一样样样的天气条件下观察结果差异较大，但开销较低。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。除此以外，摄像法丈量能见度逐渐显现出其独到的优势，它的原理是数字摄像机模拟人眼直接摄入选定目标物的图像，经过计算机对获取的图像进行剖析办理，从而获取能见度的数值。该方法圆满模拟人工目测能见度的方式丈量能见度，防范了人的主观性，比传统的透射式、散射式能见度仪更具客观性，所以拥有广阔的应用远景。在香港等地区，摄像技术不但已经投入能见度的业务使用，并且在监测天气现象等方面发挥重要作用。

当前，受观察地点限制，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。所以应该对现有能见度仪进行改进，设计吻合自动气象站观察要求的能见度仪；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易产质量量。

天气现象传感器

天气现象包含降水现象、雾现象、风沙现象、雷电现象和地面冻结现象等9类，天气现

象涉及的气象因素和条件复杂多变，对其进行观察所涉及的技术也相当复杂，所以实现全部

种类天气现象的自动观察是不现实的。当前此类仪器较少，最为成熟的是对降水现象传感器，

因为成本、可保护性等因素的限制，降水现象传感器在自动气象站装备较少。

当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

可以对能见度以及引起能见度变化的天气现象、降水种类、降水量和降水强度等进行探测。除此以外，英国的BiralVPF-730和PWS100天气现象传感器、德国的OTTParsivel雨滴谱

仪和ThiesClimaLaserPrecipitationMonitor，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可以对降水现象和其余现象进行丈量。这些仪器所采纳的技术主若是光学技术，利用降水粒子对不一样样样波段光的散射、衰减、汲取等特色来实现对降水种类、强度和降水量的探测。因为降水现象涉及多种气象因素，所以使用多

种传感器对降水现象进行综合探测也是有效手段之一。国内相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向，我国应要点发展利用多传感器，

采纳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。

雷电传感器

关于雷电现象的观察，我国《地面气象观察规范》中规定观察的项目包含雷电发生的方向和时间。但是这但是定性观察，跟着雷电研究的不停深入以及实质需求的不停增添，大气静电场强度、雷电强度、雷电地点和雷电极性等量化指标也成为当前雷电观察业务中的重要项目。当前对电场强度、雷电过程和发生地点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。其余，多个大气电场仪和闪电定位仪联合构成观察网，还可以实现对雷电的预警，为社会和军事活动供给服务和保障。

我国对雷电的探测是由专门的台站和雷电监测设备进行，一般自动气象站并没有此业务。当前的发展趋向除了研究如何调整顿造雷电探测设备的结构构成，使之满足自动气象站的系统要求以外，还应该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数据收集器

数据收集器主要完成多个被测参数的输入、数字化办理、数据的收集存储、数据互换、常例故障诊断等功能，直接关系到数据的传输和办理，是自动气象站数据收集部分的中心。当前的数据收集器大多都是与相应的自动气象站配套使用，不一样样样传感器的数目、型号对应不一样样样的传感器接口。当需要扩大自动气象站观察功能，增添新的气象因素传感器时，不可以直接进行升级，必然对其进行更换，从而造成重复建设和资源浪费。所以，应该使数据收集器能实现因素传感器的随意增减和热插拔，从而能依据用户的不一样样样需求灵巧增减因素传感器。

改进和圆满数据收集器，关于提高自动气象站的扩展性和通用性拥有重要意义，同时也

是国际上自动气象站在扩展观察因素、提高系统开放性方面的趋向之一。

结论

本文经过对当前国内外自动气象站平易象传感器的发显现状和未来发展趋向的剖析，结

合我国气象观察自动化的现状，对吻合我国气象观察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剖析和评估，认为自动气象站及气象传感器应在以下几个方面增强和改

进：

(1)改进自动气象站的结构，采纳总线制分布式或网络型结构，可以大大提高自动气象

站的操作性和扩展性，是我国自动气象站发展的方向之一。

研制拥有自主知识产权、高精度、高靠谱性的气象传感器；在提高现有气象传感器的探测精

度和靠谱性的同时，研制吻合实质需求的其余因素的气象传感器；规范国产传感器的生产标

准，不一样样样厂家的产品应该遵守一致的标准，使同一型号的传感器可以相互取代。

(2)改进和圆满数据收集器的结构，使数据收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)其余，地面气象观察规范的校订圆满也是当前的发展趋向之一。应该从观察的实质需

求出发，针对自动气象站平易象传感器的技术指标更正、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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