1、331第 18 章 自动气象站测量18.1 概述18.1.1 定义本指南将自动气象站（Automatic Weather Station）定义为这样一个站，即利用仪器自动地进行观测和发送或记录观测数据，并根据需要，可直接地或在一个编报站将观测数据转换成电码形式（WMO ，1981 ） 。18.1.2 目的自动气象站被用于增加地面气象观测的次数和可靠性。为此，自动气象站应做到：（a）通过提供新的观测站点和在人们难以进入或不适合于居住的地方的观测站点的资料来增加已有观测站网的密度；（b）用于人工观测站，提供正常观测时间以外的观测资料；（c）通过新技术的使用来增加观测的可靠性；（d）通过对观测技术的
2、标准化来保证观测站网的均一性；（e）满足新的观测需要和要求；（f）减少人为误差；（g）通过减少观测员数量以降低观测业务费用。18.1.3 气象要求自动气象站的总体要求、型号、选址和配置、观测时次、观测时间在 WMO（1981；1988a）文件中进行了叙述。认为自动气象站所提供资料的准确度可以与常规气象站媲美时，自动气象站才被完全看成是一个气象站，第一编第 1 章给出的准确度要求同样可以适用于自动气象站。这一章提供的指南必须与第一编中各种要素测量的相关章节，特别是第三编的数据采样（第 28章） 、数据处理（第 29 章）和质量管理（第 30 章）的章节相衔接。自动气象站的研制和安装应制订一个明确
3、且协调性较好的计划，使所研制的自动气象站按用户所要求的格式采集资料。要实现这一计划，首先应就自动气象站要求方面的内容与用户协商，然后列出一张囊括所有要求的功能需求表，再制订实现这些功能的方法。此外，由仪器供应厂商自行确定业务要求，其效果不总能令人满意。为此，仪器和观测方法委员会（CIMO）向世界气象组织（WMO）成员和进行气象测量的机构提出如下建议：气象部门在考虑要引进自动气象站时，应注意以下几点 ：（a）只引进那些说明文件详细齐全的系统，以便能完整地了解对其功能、特性和所使用的算法；（b）保持或不断更新技术专家的水平，使他们能对确定系统要求，并对设备的功能、特性及需使用算法的恰当性进行评估。
4、 见 1994 年仪器和观测方法委员会第 XI 届会建议 7 的建议。 见 1994 年仪器和观测方法委员会第 XI 届会建议 7 的建议。332若气象局考虑开发和应用自动气象站的算法，应注意以下几点： （a）鼓励仪器和系统设计者与相关用户紧密合作，以便设计者充分理解用户要求及所关心的问题；（b）为了设备能得到广泛使用，应与系统设计者合作，出版和发布该系统所用的资料处理算法；（c）对引进的新算法和新系统进行完整的测试和评估，并以性能特点的形式，向观测用户发布测试结果；（d）通过现场测试，对新算法和新系统与以前的方法之间的关系进行完整的评估。为了资料的连续性确立两种方法之间的传递函数关系，并把此
5、类资料分发给用户。18.1.4 自动气象站的类型使用自动气象站是为满足多种需要：在人工气象站，它仅仅是观测员简单的辅助工具，而在全自动气象站，它完全代替了观测员的工作。可以把自动气象站按其功能分组，然而，这些功能分组经常互相重叠，而且还需细分。最通常的分类方法是：简单地分成提供实时资料的自动气象站和记录资料供非实时或脱机分析的自动气象站两类。然而，同时具备这两种功能的自动气象站并不少见。实时自动气象站：是指实时向用户提供气象观测资料的站，典型的例子是，在规定的时间实时提供气象观测资料的自动气象站，也指在应急环境里或根据外部要求提供资料的自动气象站。实时应用的典型例子是提供天气应用资料、为监测危
6、险警戒状态提供资料，如风暴、河流水位或潮汐高度等。脱机自动气象站：这一类型的自动气象站的观测点记录观测资料，资料存储在内部或外部存储设备中，并有实际资料显示功能，如需把存储资料发送到远距离的资料用户，须观测员进行干预。脱机应用的最典型例子是气候站和仅仅作为观测员辅助工具的自动气象站。这两种自动气象站既可以人工输入资料，也可以对还不能全部自动化观测的目测或人工观测项目进行编辑，这些项目包括：现在和过去天气现象，或者那些自动观测费用很高的项目，如云高和能见度。这类站也可称为部分或半自动气象站。自动气象站设备的费用会很高，因此，自动气象站设备应能满足一般和特殊要求，以及多种用途的需求，例如天气学、航
7、空和农业气象学、水文学和气候学。它们也应能用于特殊目的，如核电站安全、空气和水的质量、公路气象学等。因此，有些自动气象站是多目的自动气象站。18.1.5 站网一台自动气象站往往是某个气象站网的一个组成部分，网中的每个气象站通过各种传输方式将各自的资料传送到中心站网的处理系统。这个中心处理系统所执行的任务与这些自动气象站的任务密切相关，对它们起补充作用，因此，中心系统和自动气象站的功能和技术要求应协调一致。在计划建立一个业务运行的自动气象站网时，要着重考虑与之有关的维护、校准设备，及其组织，技术人员的培训和教育等的各种各样的问题。站网密度不是本指南的考虑的范围，它们取决于特定的应用目的。但是，选
8、择最佳的站址和观测环境对自动气象站的性能将产生重要的影响，因此，333在安装以前须进行认真研究。18.2 自动气象站硬件一般来说，一个自动气象站包括：（a）传感器。环绕着气象支柱的四周安装，安置在合适的环境保护罩内，通过屏蔽电缆、光纤或无线电方式，连接到中央处理系统；（b）中央处理系统（CPS） 。用于从传感器采集数据，转换成计算机可读的格式，并利用微处理器的处理系统，根据特定的算法，对数据进行适当的处理，临时存储处理后的资料，把气象信息传送到远处的用户；（c）外部设备。例如，为自动气象站各个部分供电的稳压电源、实时时钟、用于自动监测自动气象站关键部分状况的内置式测试设备。如果有特殊用途，还可
9、以增加用于人工输入和资料编辑的用户端口、显示和打印设备或记录器。随着我们社会与大气的相互影响不断增大，需求也在不断变化和增长，例如，设置更多的站点和测量更多的变量，增加资料传输次数，使用新的数据格式、改进仪器性能。因此，自动气象站的硬件和软件须适应新的需求。如果自动气象站是基于模块化设计的，就能很好地适应这一需求。但是，适应需求的过程和测试工作一般比预想要复杂得多。完善设计的自动气象站应预设可选项目，以便改变系统的配置和参数。自动气象站较理想的其它特点是：包括备用电源，安装架中留有空间，有备份的通信接口，有备份的资料处理能力，以及灵活的软件环境。18.2.1 传感器自动气象站所用传感器的气象要
10、求与通常使用的传感器差别不大。它们必须是坚固的，对所测变量的采样过程中没有实质性的偏差和不确定度，总的来说，所有电信号输出的传感器都能在自动气象站中选用。目前，大量不同使用性能和质量（价格）的传感器都适用于自动数据采集系统。目前，新的开发工作每天都在进行，其中，某些开发是为了增强已有的传感器的性能，其它一些开发则常常是建立在新的物理原理基础上的。根据输出信号的特点，传感器可以分为模拟、数字和智能传感器三类。模拟传感器：最通常的传感器输出是电压、电流、电荷、电阻或电容，通过信号整形，然后再把这些基本信号转换成电压信号。数字传感器：带有并行数字信号输出的传感器，输出由二进制位或由二进制位组组成的信
11、息，以及那些输出脉冲和频率信号的传感器。智能传感器：一种带有微处理的传感器，具有基本的数据采集和处理功能，可以输出并行或串行信号。本指南第一编对传感器的一般性能、传感器的类型、测量方法、单位、测量范围、环境条件、误差的起因、气象传感器的校准和维护进行了全面的描述。仪器和观测方法委员会（CIMO）通过组织仪器的国际比对向成员国提供帮助。取得的比对结果对不同测量方法的评价是很有价值的。自 1968 年起，仪器和观测方法委员会开始发调查表，收集仪器开发信息，并每隔四年出版一期名为仪器开发目录的报告，报告包括正在开发以及投入业334务使用仪器的信息。新的开发信息和业务化经验，可以在各国的国家专题会议方
12、案、各种杂志和期刊中读到，也可以在仪器和观测方法委员会定期组织的技术会议文集中得到。在技术会议期间会举办气象仪器展览，展出厂家最新开发的产品。世界气象组织会以仪器和观测方法报告系列的方式，出版仪器和观测方法委员会的比对结果、 仪器开发目录报告、仪器和观测方法委员会技术会议文集。自动气象站网主管者之间的直接经验交流，特别是具有相似环境条件站点的管理者之间的交流，是取得信息的另一种手段。自动气象站传感器的有些专门考虑将在下面的一些段落中叙述。可达到的业务准确度见第一编第 1 章附录 1.B。仪器和观测方法委员会根据业务中取得的经验，更新这些估算的数据。为转换到线性响应功能创造条件，传感器的实验室校
13、准准确度至少要高一倍。传感器的分辨率应该比公布的要求（其中包括接口的性能）约高两倍。气压：目前，有各种不同的方法，多数是利用膜盒、振动弦或石英晶体，它们可以输出模拟电信号或数字形式。关于数字传感器，参见 WMO（1992） 。自动气象站设计者和技术条件制定者须认真考虑的主要问题是温度、长期漂移、振动和安置对气压的不利影响。温度的影响相当严重，而且这种影响总不能被内置的温度补偿电路完全补偿。自动气象站气压传感器的准确度存在着内在的长时间漂移，一般每 6 个月不超过 0.2 或 0.3 百帕，因此，气压传感器需要进行定期校准。振动和机械冲撞对气压传感器的输出影响很重要，特别是关系到自动气象站的海上
14、应用。由于简易的气压传感器具有易受外界安置环境影响的弱点，所以通常是把气压仪器放在中央处理器箱中封装在一个热稳定的容器内，在某些国家，设法通过一个装有静态气压头的管子使传感器与容器外部连通。当自动气象站用于航空目的或在远距离气象站上使用时，准确度和可靠性要求高，须有两个或以上的气压传感器配合使用。自动气象站数字气压表的使用见本指南第一编第 3 章的准则。温度：自动气象站最普遍使用的温度表是纯金属电阻温度表或热敏电阻温度表。铂电阻温度表（0时 100 欧姆）显示出非常好的长期稳定性，是自动气象站首选的传感器。电温度表通常具有很短的时间常数，当快速的电子线路进行采样时，其输出会反映局地气温的高频率
15、、低振幅脉动。为避免这一问题，可以使用时间常数较长的传感器；也可以用一合适的电子线路进行人工阻尼响应，以增大输出信号的时间常数；或者对温度表的采样输出值在中央处理系统中进行数字平均。电阻温度表需要线性化，这一点可以通过信号修正模块中适当的电路来实现，也可以通过软件算法来实现。特别要注意对热敏电阻的特征函数进行线性化。正确安置传感器，防止辐射的影响，也是很要关注的事项。与传感器尺度相匹配的防辐射罩目前在自动气象站中广泛使用以取代普通的自然通风斯蒂芬森百叶箱。如果要得到准确的测量结果，则需要对防辐射罩进行人工通风，通风速度大约为 3 米/ 秒。湿度：对自动气象站湿度传感器的全面介绍见 WMO（19
16、89b ） 。虽然自动气象站普遍采用费用相对较低的电阻和电容传感器来直接测量相对湿度，但是，它们在有污染的地方使用时易受污染导致性能降低，需用专门的过滤器进行保护。仪器的相互比对结果 由与会专家对有关业务准确度要求的陈述（1991） ，经 44 次执行委员会会议通过，列入本版指南。335显示，在低于 0的环境中进行测量时，须作补充修正，即在传感器中增加温度补偿电路，或在传感器处于饱和环境中出现滞后现象时，也须如此。露点湿度仪，如饱和氯化锂传感器和冷镜传感器，也用于自动气象站。氯化锂传感器的主要缺点是对电源故障的敏感性，断电以后，它们要求现场干预。光学露点仪被认为是最有希望的技术，但为了开发较好
17、的自动镜面清洁方法，还须作深入的研究。许多湿度传感器由时间常数较短引起的问题比温度传感器更为关键。对于温度测量，任何型号的传感器必须安置在防辐射罩内。湿度传感器防辐射罩应优先考虑在结构上要通风，这一点类似于温度测量。传感器通风和清洁问题会引起较大误差。风：自动气象站系统广泛使用输出脉冲和频率的常规风杯或螺旋桨风速表，除了恶劣天气条件下存在着结冰问题外，不存在特别的技术问题。在中等的结冰条件下，这一问题可以通过加热传感器的方式解决，但会大大增加电能消耗。建议对于新的风杯和螺旋桨风速表，其响应距离应小于 5米；而对于新的数字化系统，采样频率必须与所使用的滤波频率相一致。在计数设备中，每个计数时间间
18、隔内的脉冲数为一个样本。常规的带电位表的模拟式风向测量仪器也广泛用于自动气象站。以某种格雷码格式对角度进行数字化编码的风向标的使用量正在不断增大。风向标的无阻尼固定波长建议小于 10 米，阻尼比建议在 0.3 至 0.7 之间。对于带有数字编码器的风向标，其分辨率至少是 7 位（二进制） 。仪器和观测方法委员会建议，新的系统必须能报告风速和风向的标准偏差，它们的分辨率为别为 0.1 米/秒和 10 度。带有一个串行数字输出和一个或多个数字化显示的测风系统，能提供直接可视化的形象化的变量值（风的峰值、风的 2 分钟和 10 分钟平均、风向和极值） ，并形成目前被频繁使用的某一种智能传感器。降水：
19、自动气象站中最常用的雨量测量设备是翻斗雨量器。在使用过程中，这类雨量器会被诸如树叶、沙子和鸟粪之类的杂物迅速堵塞。因此，在长期无人值守的地方布设自动气象站时，这类自动站应有人照顾。当测量 0以下的降雨或降雪时，需要对雨量器的不同部分进行加热，这加重了供电问题，在靠电池运作的自动气象站尤为如此。使用加热型雨量器，要考虑因蒸发损失引起的误差。如果雨量测量达到 5%至 10%的准确度，就认为较理想。在雨量器的周围安置适当的防风圈，可以提高测量准确度（例如尼夫防护圈） 。 （见 WMO，1994 ，降水传感器的比对） 。日照：带有电信号输出的日照计已大量面世。参考资料可以在 WMO（1995b）中找到
20、。世界气象组织已经接受直接辐照度 120 为光亮日照的阈值，这解决了一个长期未解决的问题。在长2mW时间无人值守的环境中使用日照传感器的不利因素是，脏东西在传感器的入射窗孔聚集，导致阈值出现明显变化。辐射：常规气象站所用的大部分辐射传感器原则上可以与自动观测系统相连，主要的技术问题是：这些传感器通常是模拟式设备，信号输出是非常小的、连续变化的电压，很容易受信号电缆上的电磁干扰的破坏，因此，测量量必须满足要求。在辐射测量中（绝对测量） ，入射窗孔的污染问题甚至比日照测量严重得多，灰尘聚积在天空辐射表不干净的球形罩上面，会使辐射表的准确度降低3362%（出现雾和露的日子除外） 。正因为如此，很难想
21、象在几天或更长时间无人值守的场地上能有效地使用辐射仪器。现在能够达到的准确度（日平均）约为 5%。云高：自动气象站的云高测量大多数是在（激光）云幕仪的帮助下完成的。在 WMO（1998）中提供了现有此类设备评价的参考材料。为了在各种自然条件下，特别是在雨雪天气条件下，准确地测量云底高度，在自动处理传感器的输出信号方面仍经历相当大的困难。云高传感器还有一个缺点，它们只能对探测器上方很小一块面积的天空云进行采样。在向远处用户提供云高数据时，可能提供的是一种危险的不准确的天空状况，如果这种数据用于航空尤为严重。通过采用某种算法，估计 30 分钟处理时段内的云量，可以解决这一问题。在某些国家，云幕仪仅
22、仅对正在观测天空状况的观测员起辅助作用。所有的这类传感器一般耗电量很大，没有正常的市电供应，一般不可能使用此类传感器。此外，由于在光学或红外光束的出入窗口上积聚雪、灰尘或其他污染物，仪器的性能可能会降低或使仪器的测量值失真。能见度：多种仪器可用于自动气象站的能见度测量。WMO（1990）提供了这方面的参考资料。透射表和能见度仪是可以区分的。高准确度的透射表大多在机场使用，而低准确度（和低费用）的后向、前向和综合能见度仪更多地用于其它类型的自动气象站。这两种设备都可用电池供电，因而可用于市电不到的远距地区。然而，由于它们消耗的电能较大，如果没有辅助电源支持，在不更换电池的情况下，它们的运行通常不
23、可能超过几个星期。18.2.2 中央处理系统（CPS）自动气象站的核心部分是中央处理系统。它的配置主要取决于其所需功能的复杂性和大小，以及是否有现成的专门硬件。一般来说，中央处理系统的主要功能是数据采集、数据处理、数据存储及数据传输。现有大多数自动气象站的功能是由一个基于微处理器的系统来完成的，这种系统安装在尽可能靠近传感器的不受天气影响的防护箱内，或安置在当地的室内。如果这种设备是安装在传感器附近，则可以减少须传送的数据量，使那些数据能够以适当的形式直接与标准通信通道相连。在这种情况下，中央处理系统易受电源故障影响，而且不得不采取保护措施，使其不受室外工作环境的影响。如果这个系统安装在室内，
24、一般可能与市电连接，并在正常的办公室环境中工作。这种安置方式的结果是增加了信号电缆数目、长度和相应的信号调节器。根据当地的环境和要求，中央处理系统的不同功能也可以由不同的单元完成。这种情况下，每个单元有各自的微处理器和相关软件，它们可以安装在同一站的不同地方，也可以通过成熟的数据传输连接和规程相互通讯。它们在运行时互相依赖，但资料处理是独立的。例如，在靠近传感器的地方安装一个或一个以上的数据采集单元，这些传感器运用数字化数据传输技术，利用一条或一条以上的电话线，连接到中央处理系统的资料处理或传输单元。这些单元既可以只包括一个传感器（例如，像激光云高仪这样的智能传感器） ，也可以包括数个相似的传
25、感器（如温度表） ，还可以使用数个不同的传感器。现代工业数据采集和处理控制系统技术的迅猛发展，为气象应用开拓了新的道路。高级的输入/337输出调制和灵活性，以及微处理器运行速度的迅速增加，特别是专用的数据采集、处理、控制、以及通信软件的出现，有可能开发能满足不同观测需求的自动气象站。因此，任何关于自动气象站的描述都有可能过时，必须留有余地。基于这一观点，下面几节将只给出技术发展水平的一般概念。18.2.2.1 数据采集一般来说，数据采集硬件包括：（a）信号加工硬件。用于防止外部有害干扰源影响传感器原始信号，保护中央处理系统设备，调整信号以合适于进一步的处理。（b）数据采集电子部件。配有数字和模
26、拟输入通道和端口、扫描和数据转换设备，以便将信号输送于中央处理系统的内存中。信号加工信号加工是数据采集过程中的一个关键功能。从为传感器与数据采集电子部件的连接选择合适的电缆及接插件开始，并利用不同的硬件模块进一步完成。目前，吸取工业过程控制的经验，数个加工功能都集成在一个可以插拔的模块上。这些模块最合适、也最常用的安装位置是传感器电缆的端接板，端接板与数据采集电子部件安装在同一个防护箱内。不同类型的传感器和不同的当地环境，使用不同的信号加工技术。传感器电缆：从传感器进入数据采集系统的电信号中包含无用的噪声。这些噪声是否会给自动气象站带来麻烦，要看信噪比和特定的使用情况。由于数字信号的离散性（和
27、高电平） ，受噪声影响的程度相对较小。相反，相对低的电平干扰，就能对模拟信号产生直接影响。噪声传递的主要方式有两种：电容耦合和电感耦合。一种减少电容耦合误差的方法是使用屏蔽电缆，就是在信号电缆和外界干扰源之间设置的导电物质（地电位） 。使用一对相互缠绕的电线也是减少电磁耦合的一种有效办法。电涌保护：自动气象站可能导入意外的高电压，为了避免损坏设备，必须采取保护措施。电磁场、静电，尤其是闪电都能感应出高电压。双向发射机：为了维持最大的信噪比，比较理想的方法是将靠近传感器的低电平信号进行前置放大，以保持最大的信噪比。对此类信号进行加工的一种方式是采用双向发射机。这些发射机不仅对输入信号进行放大，而
28、且对信号进行隔离，并把信号转换成高强度的电流（一般是 4 到 20 毫安） ，电流信号传输的最大距离为 1500 米左右。数字隔离器：这种电子模块用于获取数字输入信号，同时中断信号源与测量设备之间由电流所产生的联系。这个模块不仅隔离输入信号，并将它变换为标准电平，而为数据采集设备所读取。模拟隔离：模拟隔离模块用于保护仪器设备，不受高压接触，接地线断开及分离大公共信号。目前，下列三种模拟隔离器得到了广泛使用，低费用的电容式耦合或“浮动耦合” 、性能较好费用适中的光学耦合、高隔离且高准确度但高花费的变压器耦合。低通滤波器：低通滤波器的作用是把所需的信号从无用的信号中分离出来。无用的信号有：噪声、交
29、流电线交频拾波、无线电或电视台的干扰和大于 1/2 采样频率的信号频率。总的来说，低通滤波器用于控制那些意外的误差源，滤除所需信号以外的频谱段。338放大器：模拟传感器的信号振幅可以在一个很宽的范围内变动。要使模拟数字转换器表现出良好的运行性能，就需要高电平的信号输入。在很多场合，放大器是用来把低电平的信号放大到所需的振幅，放大器也用于把所有传感器的电压输出标准化为公共电压值，例如，05 伏直流电流。电阻转换器：专门用于把电阻（铂电阻温度表）转换成线性的电压信号输出，并提供必要输出电流的模块。应注意的是，转换成线性信号，会造成测量的不准确，这对某些应用领域来说是很关键的。数据采集功能数据采集功
30、能包括：对传感器或传感器加工模块按预定速率进行的扫描，并将信号转换成计算机可读信号。为了能接入类型不同的气象传感器，实现上述功能的硬件带有类型不同的输入/输出通道，适应传感器或信号加工模块可能具有的电输出特性。每类所带的通道数目取决于传感器的输出特性和不同的应用目的。模拟输入：模拟通道数通常在 4 个到 32 个之间。一般来说，在这种基本配置中增加模块可提供更多的输入通道。大多数经常使用的传感器，如温度、气压、湿度，通过传感器加工模块直接或间接地发送电压信号，因此，模拟输入通道特别重要。数据采集的任务是通道扫描和把模拟信号转换成数字信号。扫描器仅仅是一排开关，它使许多模拟输入通道由同一个 A/
31、D 转换器处理。用软件控制这些开关，可以选择某一个时间启用某一通道进行数据处理。A/D 转换器把原始的模拟信号转换成计算机可读的数据（数字格式，二进制码） 。A/D 转换器的分辨率是用二进制位表示的。 12 位 A/D 转换器的分辨率对应大约全量程 0.025%，14位对应 0.006%，16 位对应 0.0015%。并行数字输入/输出：独立通道总数通常以 16 位二进制码按 8 个一组来分组，并具有扩展能力，它们用于各二进制或状态感应，或者用于有并行数字输出的传感器的输入（例如，带格雷码输出的风向标） 。脉冲和频率：一般限于 2 至 4 个通道数，典型的此类传感器是风速和雨量器。此类传感器利
32、用高速或低速计数器在中央处理系统的存储器累计脉冲数。能记录脉冲数或转换器开关状态的系统称为信号记录器。串行数字端口：独立的异步串行输入/输出（I/O）通道用于智能传感器的数据通信。这些端口用于常规的设备之间的短距离数据传输（RS232，几米）和长距离数据传输（ RS422/485，几公里） 。不同的传感器或测量系统可以利用同一条线路和输入端口进行数据传输，在传输时，对每个传感器的地址以编码方法进行顺序编码。18.2.2.2 数据处理数据处理硬件是中央处理系统的心脏，其主要功能是：利用相关的软件，控制中央处理系统数据的输入和输出，并对进入中央处理系统的资料进行适当的处理。数据的处理过程是由微处理
33、器控制的。微处理并不改变气象测量的原理和业务规定，但是，它允许仪器设计者采用新的方法实现所需的技术性功能，使测量过程变得更加简单、快捷、可靠，并339使仪器具有更高的处理能力，尤其是处理数据能力。在某些应用领域，微处理器的使用明显地减少了硬件的费用。必须注意的是，尽管此类设备可以满足我们不断扩大的期望，但经常导致软件开发费用难以估计地快速和频繁增长。现有的自动气象站大多数配备 8 位微处理器和有限内存（32 到 64k 字节） 。这种新系统能提供更多的输入输出设备，并具有更高的处理速度。伴随新硬件一起出现的还有新的系统软件，而这些软件在几年前只在小型机中使用。根据业务需要，可以在资料处理硬件中
34、增加数学协处理器，以增加处理速度，这样做对复杂的计算来说有时是需要的。处理设备可以配备型号不同的存储器，如可配备随机存取存储器（RAM） ，用于存储资料和程序；也可配备固定可编程的只读存储器（PROM） ，用于存储程序（程序由 PROM 程序员输入） ，还可配备不固定可擦写存储器（EEPROM） ，大都用于存储可以用软件直接修改的常数。在大多数站，RAM 存储器配有备份电池，以避免电源故障造成数据丢失。在不配备数据传输设备的非实时站，数据可以存储在外接存储器中。多年前用于这一目的磁带机现在已被存储卡所替代（有备份电池的 RAM，EEPROMS 等） ，因存储卡具有更高的可靠性。18.2.2.3
35、 数据传输中央处理系统的数据传输部分是其与外界的连接，这个外界可以是当地的观测员或维护人员，也可以是一个中央网络处理系统，甚至可以是气象信息用户。该设备通过现有的通用串行和并行输入/输出口与中央处理系统接口。采用什么样的数据传输方式最合适，取决于所涉及站的情况及可供利用的通信设备。没有一种单独的方案被认为是万能超级的，有时通信链接需要使用多种方式。可供使用的数据传输方式有：短距专用线路数据通信的环路，长距租用电话线配置调制解调器（MODEM） 、电话交换网、电传联接、高频、甚高频或超高频无线电通信，卫星发射机和接收机，流星散射通信，声音合成器等。18.2.3 外部设备电源：自动气象站的设计和具
36、有的能力很大程度上取决于它的供电方式，自动气象站供电电源应具有的最重要特点就是高稳定性和在无干扰条件下运行。出于安全考虑，也因为机动车用的 12 伏电池的普遍使用和在市场上易于购买，应考虑用 12 伏特的直流电源供电。在有市电的地方，可用市电对 12 伏电池浮充电。这种系统具有在市电出现故障时进行自动电源备份的优点。假如自动气象站布设在没有市电的边远地区，就必须用电池供电，这时，可以有辅助电源对电池充电，也可以没有。可作辅助电源的有：柴油发电机、风力或水力发电机、太阳能电池板。然而，这种低功率电源系统一般是难以对更复杂的云高测量和能见度测量传感器供电，因为他们需要很大的功率。此外，带有诸如加热
37、器（风速表、雨量器）和通风器之类的自动气象站也可能消耗大量的电能，因而限制了这类传感器在无市电地区的使用。如果需要使用一个多功能和综合系统，只有市电才能保证全面运行的供电，同时，必须有足量的备份电源，至少应能为系统时钟、微处理器和任何易失存储器供电，因为这些设备中包含了重新自动启动自动气象站所需最新数据。实时时钟：微处理器中必不可缺部分是一个 24 小时实时时钟，由电池对它供电，用以保证即使在停电的情况下也能准确走时。应注意，自动气象站的时钟准确度还不是很高，不能免除定期调整340时钟。在某些自动气象站，还利用一些设备使时钟与无线电广播基准信号同步。内置测试设备：自动气象站的核心部分经常包括这
38、样一些单元，其误操作和故障会使主要的输出信号降级或无法使用。在设备中设计设备状况自动监测电路，是连续地控制设备在运行过程中的性能的一种有效的办法。例如：电源故障监测器是在出现电源故障后重新启动微处理器，继续发挥自动气象站功能的一种设备；看门狗计时器用于监测微处理器是否良好运行；测试电路用于监测自动气象站某些部分的运行状况，如电池电压和充电器运行状况、通风器（温度和湿度罩） 、A/D 转换器、加热器等。可以在当地自动显示状态信息，或把状态信息送到中央处理系统，用于质量控制和维护。当地显示和终端：在业务中，经常要求将观测资料人工输入自动气象站或对观测资料进行编辑，如半自动象站上的情况。根据所提出的
39、要求和自动气象站设计者的想法，型号不同的当地终端可用于这种目的：一个带键盘的简单数字发光二极管显示器，是组成中央处理系统整体的一个部分；一个带键盘的显示屏；甚至是一台小的个人计算机最后被安置在当地远处的室内。出于维护目的，有时使用专用的可以直接插入自动站的手提终端。在某些特殊应用领域，例如在机场和对观测员仅仅是辅助工具的自动气象站，要接上数字显示器，以便在一个地点或多个地点显示数据。根据需要，自动气象站可以配备一个打印机或图像记录器。18.3 自动气象站软件当设计一台自动气象站或规定自动气象站的功能规格时，一个指导性的原则是：软件开发和测试费用是整个工程中最大的费用之一。除非在设计初始的阶段就
40、特别精心，并在编码时保持严格规范，否则，编出来的复杂软件会没有灵活性并难以维护。业务要求出现小的变化，如需增加传感器、电码变化、质量控制标准的变化，就经常导致主体性的、昂贵的软件修改。一般来说，应用软件和系统是不难区分的，应用软件中包括根据用户的技术规格制订的资料处理算法，而系统软件与微处理器的配置有内在联系，包括开发和运行应用软件的所有软件。关于自动气象站算法开发的建议已在上面的 1.1.3 节中提出。关于天气观测用自动气象站的算法设计的讨论见 WMO（1987） ，有关地面风资料算法的讨论见 WMO（1991） 。数据采样、数据处理和质量控制的详细信息，在第三编的相关章节介绍。18.3.1
41、 系统软件现有许多自动气象站的软件是厂家根据用户的要求开发出来的，并存放在中央处理系统的存储器内，使用的是用户不可读的存储格式（所谓的固件） ，因此对用户来说是一个黑匣子。用户只能执行预先设定的命令，因而在发生故障和需进行修改时只好全部依仗厂家。所幸的是，工业过程控制对数据采集系统不断增长的需求开辟了新的可能性。目前用户可以开发自己的应用软件（或让专门的软件公司或自动气象站制造厂家开发） ，使用 Basic、Pascal、特别是C 等编程语言，或使用现成的应用软件包，进行资料采集、统计、存储和传输软件的开发。造成的结果是，用户能够更加深入并控制不同的处理过程，因而减少了对制造厂家的依赖性。最近
42、出现的微机系统，使用了已开发成功的实时多任务或多用户操作系统，而在几年前，这种操作系统只有在小型计算机中才使用。因为系统所有的操作都是由硬件和软件断续器触发，所以它341是一个实时操作系统；因为不同的任务可以按预先设定的优先级准同时执行，所以它是一个多任务系统；而因为不同的用户可以准同时地对系统进行访问，所以它是一个多用户系统。软件开发人员可以把精力集中在用自己选择的语言进行应用软件开发，而把难度大而复杂性高的控制和执行任务留给操作系统去做。18.3.2 应用软件中央处理系统、传感器（或两者组合）所须完成的处理功能，在某种程度上取决于自动气象站的型号和使用自动气象站的目的。然而，对于典型的自动
43、气象站来说，需要完成以下功能的一部分或全部：初始化、对传感器输出进行采样、把传感器输出信号转换成气象数据、线性化、平均、人工输入观测数据、质量控制、数据处理、编发和检验、数据存储、数据传输和显示。这些功能的完成顺序大体是串行的。质量控制分不同的层次进行：在采样之后立即进行，在气象变量计算出来后进行，或人工输入和编发之后进行。没有数据质量控制和报文内容检验的自动气象站也能运行，但会损害数据的可信度。虽然线性化功能可能会组合在传感器或信号加工模块中，但是，必须在计算平均值之前完成。时间调度控制应用软件的执行，决定了什么时间必须执行哪一个任务。下面几段对自动气象站应用软件的概要介绍也只是限于与自动气
44、象站有关的一些业务规定内容。18.3.2.1 初始化初始化一个是准备所有的存储器、设备所有的业务参数、启动应用软件的过程。为了能够正常运行，软件首先必须知道大量的专业参数，例如，与气象站有关的那些参数（区站号、海拔高度、经度和纬度） 、日期和时间、传感器在数据采集部分的物理位置、传感器加工模块的型号和特点、传感器输出信号转换成气象变量的转换常数和线性化常数、用于质量控制的变化绝对量和变化率、数据缓冲文件的位置等。用户可以通过终端交互式菜单，在当地输入或修改部分或所有（根据不同的站的具体情况）参数。对于最新一代自动气象站，甚至可以对其初始化实施远距离遥控，例如，通过中央网络处理系统或远距离的个人
45、计算机实施初始化。除了完全初始化以外，还有部分初始化。在实时时钟设置、维护校准、或电源故障引起的临时性运行中断后，部分初始化能自动地恢复正常的运行，不丢失任何存储资料。18.3.2.2 采样和过滤采样定义为以适当的间隔获取某变量测量值序列的过程。气象传感器信号数字化处理过程中出现的问题是：传感器输出信号的采样频率应该取多少才合适。重要的是要肯定所选采样序列能足够代表被测大气变量的显著变化。大家普遍接受的经验法则是，在传感器时间常数的过程内至少采样一次。然而，很多传感器显示频率很高，因此，必须通过挑选具有合适时间常数的传感器，或通过在信号加工模块中使用过滤和平滑技术的办法，完成合适的过滤和平滑。
46、考虑到传感器需要有互换性，资料需要有均一性，因此提出如下建议： （a）用于计算平均值的样本的取样过程中，应使用相同的取样时间间隔。这些取样时间间隔应该是： 1989 年仪器和观测方法委员会第 10 次届会（CINO-X）建议 3 的建议。342（1）不得超过传感器的时间常数；或（2）不得超过快速响应传感器线性化输出之后的模拟低通滤波器的时间常数；或（3）取样数足够大，使得样本平均以后的不确定度减少到可以接受的程度，例如，小于平均所要求的准确度。（b）用于估计变化极值的样本的取样频率至少是上面（1）或（2）中所规定的指标的四倍。18.3.2.3 原始数据的转换传感器原始数据的转换指传感器或信号加
47、工模块的电信号输出转换成气象单位量。转换过程包含了转换算法的应用，而转换算法使用了校准过程中导出的常数和关系式。有一个值得思考的问题是，有些传感器具有固有的非线性，即它们的输出并不与所测的大气变量成比例（如电阻温度表） ，而有些传感器会受与之呈非线性关系的外部变量的影响（如某些气压和湿度传感器会受温度的影响） ，还有些传感器，尽管它们自身是线性的，或经过电路的线性处理后是线性的，但所测得的变量并不与有关的大气变量呈线性关系（例如，转动的光束云高仪带有光探测器和轴角编码器，所提供的后向散射光强度是角度的函数，与高度不是线性关系） 。因此，有必要在转换算法中对非线性进行修正（因为在信号加工模块中也
48、没有做这项工作） 。当必须计算某段时间内的平均值时，线性化就显得特别重要。实际上，当整个平均过程中传感器信号不是个常量时，采用“先平均后线性”的操作顺序与采用“先线性化后平均”的顺序所产生的结果是有差别的。正确的过程仅仅是对线性的变量进行平均。18.3.2.4 瞬时气象值由于大气的自然变率尺度小，也由于电子设备把噪声带入了测量过程，更由于使用了短时间常数的传感器，使得平均过程成为减小编报资料不确定度一个最理想的过程。对平均算法的标准化，建议如下： （a）气压、气温、空气相对湿度、海洋表面温度和能见度须以传感器输出线性化值的 1 分钟至10 分钟的平均编报。（b）除了阵风以外，风须以传感器输出线
49、性化值的 2 分钟或 10 分钟的平均编报。这些平均值在大多数业务应用中被看作是气象变量“瞬时”值，不应与传感器原始采样值的瞬时值相混淆，或与某些应用领域所需的更长一段时间内的平均值相混淆。就具体应用而言，建议 1分钟平均可以成为为大多数气象变量最合适的瞬时值。风（见上面的（b） ）和海浪（10 或 20 分钟平均）是个例外情况。考虑到从不同时间常数的测量系统中所获得的阵风峰值是有差异的，建议风测量系统须具有这样的过滤特性：编报的阵风峰值须代表 3 秒钟的平均值，并报告 3 秒钟平均的最高值。这实际上意味着：对传感器的输出进行采样，并且每秒钟至少计算 1 次至 4 次 3 秒钟滑动平均。18.3.2.5 人工输入观测资料在某些应用领域，研制出一种交互式终端程序，允许观测员输入和编辑目测资料或主观观测资 1985 年仪器和观测方法委员会第 9 次届会（CIMO-IX）建议 6 的建议。343料，因为气象站没有提供这些资料的自动观测传感器。较典型的这类资料有：现在和过去天气现象、地面状况和其它特殊现象。18.3.2.6 数据处理除了直接从适当转换后的采样值中获取的瞬时气象数据外，还有其它业务上使用的导出气象变量，以及计算出来的统计量。它们中大多数是在所存储的瞬时值的基础上产生的，其中有一些还是通过更高频率的采样过程中获得的，例如，阵风的
