浅谈区域站现场核查及改进创新

2021-07-13李四维贺中华郭黎明

南方农机 2021年13期

李四维，贺中华，韩波，郭黎明，张敏

（湖南省衡阳市气象局，湖南衡阳 421001）

观测资料是气象部门开展天气预报、气候预测、科学研究及各类气象服务的基础，若要提高气象预报的准确率和精细化水平，提高灾害监测及防灾减灾的能力，就必须对观测数据的精度和准确度有严格的要求。为了提供准确的气象观测数据，需要保证区域自动气象站能良好稳定地运行。日常工作中，通过巡检、维护、维修来保证区域自动气象站观测设备的正常运行，但是这并不能确保气象站探测各气象要素的传感器能准确测量。在长年累月的使用中，各气象要素探测设备由于误差过大导致读数不准等情况时有发生，这就需要对其进行现场核查，对各类传感器进行标校矫正或更换读数准确的新设备，以保证观测数据的准确性、可用性[1-2]。因此，区域自动气象站的核查标校工作至关重要，不可或缺。如今，区域站核查在全国各地都有开展，也有很多专家对核查发表看法，但仍有部分问题亟待解决。本文以衡阳市区域站现场核查经历为基础，对核查相关经验和改进创新进行简要论述，希望能给读者带来一点参考。

1 区域自动气象站外观检查

依据中国气象局综合观测司《区域自动气象站现场核查方法（2017年试行）》的要求，对自动站温度、湿度、风速、风向、气压和雨量六个要素传感器进行核查，其中，核查不合格的雨量传感器可进行现场校正，其他不合格的传感器则需进行备件更换。在对各要素传感器进行核查前，需对传感器的外观做一个初步的检查。若被核查传感器结构、部件均完好，则开始进行下一步的核查工作，否则传感器核查不合格。

常用的温度传感器有DHC1型温湿一体传感器和WZP1型温度传感器。根据核查经验，DHC1型温湿一体传感器被放置在百叶箱温湿度支架上，核查前应重点检查该传感器的顶端探头是否歪斜、损坏或脱落，是否有污渍覆盖；温度、湿度线是否破损，是否与接线排正常连接。而WZP1型温度传感器通常被放置在松塔型的保护罩内，常用木塞作为支架进行支撑，较为简陋，在检查的时候应对卫生清洁尤为注意，并及时对损坏的木塞进行更换。

风速、风向传感器核查前，检查主要集中在传感器的指北标识，转轴的润滑程度，以及风杯、风向标的破损情况上。根据多年来的核查情况，风向传感器的指北标识普遍存有问题。指北标识是印在传感器上的，经年累月的风吹雨打，标识都模糊不清了。针对这种情况，可以在标识上刻线，增加其辨识度，同时也向厂家提出相关建议进行改进。风速、风向传感器用久了会因灰尘堆积、自然腐蚀等导致转轴易卡顿，用润滑剂进行清洁可有效解决这个问题。如图1所示。

图1 风向传感器的指北标识模糊不清

核查前的检查中，雨量传感器的检查尤为重要且烦琐。雨量筒的器口水平情况、翻斗的灵活程度、水流通道的畅通情况和外壳的接地电阻等都需要进行详细的检查，并且必须对雨量筒进行全面且细致的清理，这是一项不可或缺的重要工作。它能避免翻斗卡顿，漏斗出水口异物堵塞，雨水少流或不能流入计数翻斗等情况的发生，使接下来的雨量核查工作更具有针对性和代表性。

2 区域自动气象站现场核查及标校

2.1 雨量核查及标校

自动站常见的雨量传感器为上海气象仪器厂生产的SL3-1双翻斗雨量传感器和天津气象仪器厂生产的SL2-1单翻斗雨量传感器，使用的现场核查装置为JJS2型雨量校准仪如图2所示。该装置根据雨量传感器现场校准规范，对雨量传感器分别进行1 mm/min和4 mm/min雨强的雨量标定。每种雨强的测量误差平均值在±4%以内则雨量传感器核查合格，否则需对雨量传感器进行现场校正[3-4]。

图2 JJS2型雨量校准仪

以SL3-1双翻斗雨量传感器为例，若核查不合格，将通过雨量筒基点调整对雨量传感器进行校正。雨量筒的基点调整过程在诸多文章里都有详细叙述，这里不再多作说明。在此，主要谈论雨量筒的干簧管问题。

在核查过程中，雨量干簧管问题导致的核查不合格情况十分常见。一是干簧管的金属连接部分受温度影响较大，导致干簧管的玻璃封装管热胀冷缩、压力过大，经常性破裂受损。受损后的干簧管因漏气（氮气）且接触外部空气，开关触点氧化，易失效，从而影响雨量筒的降水计数。如图3所示。

图3 干簧管

二是干簧管的安装。干簧管采用双管工作模式，这对其焊接安装的操作具有一定的要求。在过往的维护、维修过程中，工作人员在野外或没有交流供电的条件下进行焊接，不能保证双管簧片的水平位置及垂直位置恰到好处。干簧管的位置偏移，会对降水计数带来影响。

干簧管带来的雨量核查不合格问题，通常解决方案就是更换干簧管或者重新焊接干簧管。但在野外条件不便的情况下，进行干簧管更换、焊接，操作烦琐复杂，且更换后的干簧管使用寿命也不长。针对上述情况，对干簧管进行了改进，如图4所示。改进后的干簧管部件是将干簧管焊接在环氧树脂板上，再通过环氧树脂板与外围的金属装置连接。因为环氧树脂板受温度影响较小，不易造成拉伸变形，所以可保证干簧管长期处于稳定的工作状态。同时，干簧管两端的引脚尽可能地缩短（在实际运用中，干簧管两端引脚分别不超过5 mm），将金属部分的热涨冷缩效应降到最小，尽可能地延长干簧管的使用寿命。干簧管的更换安装也变得更为简单快捷，在野外和没有交流供电的条件下，无需焊接便能轻松进行干簧管更换。

图4 改进后的干簧管

而SL2-1单翻斗雨量传感器更容易堵塞，单翻斗的磁钢体积设计偏小，易失磁，与干簧管的距离易变化，不好掌握，容易引起降水计数误差，这使得SL2-1单翻斗雨量传感器的故障率比SL3-1双翻斗雨量传感器高得多。SL2-1雨量筒黑色的雨量翻斗盒为塑料制品，时间长了会有不同程度的变形，其与绿色雨量板或其他组件就不能很好地吻合，如图5所示，易造成计数误差，从而导致核查不合格。同时，SL2-1雨量筒标校调试的难度和精度要求都不好把握，加大了该雨量筒校正工作的难度。综上所述，SL2-1雨量传感器准确性和稳定性都不高，从实际应用方面来看，选用不锈钢钢架结构的SL3-1双翻斗雨量筒更为适宜。

图5 雨量板与变形的雨量翻斗盒不在一个水平位置

最后，在雨量核查方面，笔者提出一个建议。以往对站点的雨量核查，都是在站点雨量出现明显故障后，或者按中国气象局要求进行每年一次的站点核查时，才到站点进行现场雨量核查。而核查结果，基于以往的雨量维护校准（进行过雨量筒基点调整），问题多半出在干簧管。基于衡阳的雨量维护维修情况，干簧管的故障率高达32%，如果等出了问题再进行干簧管的更换就会很被动。所以应当制定相关的业务应用管理规范，定期对站点雨量筒干簧管进行更换，这样可以主动减少由干簧管造成的雨量故障。衡阳市的实践情况也表明，定期更换干簧管，可以大大减少雨量筒故障的发生。

2.2 气压核查

气压核查装置是YKQ-20-B便携式气压发生器，将气压传感器与气压发生器相连接，设置相关参数，对其进行各个气压参照点的测试。获得的气压误差值不大于±0.3 hPa，则被核查的气压传感器符合要求，反之需进行更换。

核查气压的过程中，需注意气压传感器的参数设置。不同型号的气压传感器和采集器，就会有不同的参数，如果参数设置不正确则无法进行气压核查。经过反复试验，将一些常见的气压传感器参数设置归纳总结，如表1所示（参数分别为波特率、校验位、数据位、停止位）。

表1 常见气压传感器参数

若核查刚出厂的气压传感器，则需设置其出厂的默认参数。衡阳市常用的气压传感器型号为PTB220和PTB330，它们的出厂参数为4800、E、7、1。

2.3 温湿度核查

温度核查仪器为RTC158温度校准仪（干体炉）和TM-3022T两通道标准铂电阻温度表。干体炉负责为温度标准传感器和被测传感器提供一个温度稳定的温度场。TM-3022T铂电阻温度表精密显示标准温度传感器的温度数值，被测温度传感器的温度通过采集器读取。两者温度误差不大于±0.2℃，则被核查的温度传感器合格，反之需进行更换。温度核查耗时颇长，在进行现场核查操作时应注意合理安排时间，在温度核查完后，需将干体炉温度调至环境温度。

核查湿度的装置为JDS505湿度发生器。它通过控制系统在腔室中交替注射干燥气体和饱和气体来维持一个稳定的湿度环境。将标准湿度传感器与被核查的DHC1温湿一体传感器同时插入具有稳定湿度环境的湿度发生器腔室中，获取二者的湿度误差平均值。当湿度误差不大于±3%，则被测传感器合格，反之核查不合格。

在湿度现场核查的经历中，曾多次出现过湿度发生器无法成功模拟所需的湿度环境致使湿度核查无法进行的情况。经过排查，原因有二：一是干燥剂失去效用，无法吸收腔室中的水汽；二是注入的蒸馏水过多，已超出其最大限度。若检查到干燥剂失效变色，需重新更换干燥剂；若干燥剂正常，仪器接线也正常，则可能是蒸馏水过多的问题，此时需关闭湿度发生器电源，用注射器将蒸馏水吸出，对发生器进行晾干，待仪器腔室干燥后再进行使用。

2.4 风速风向核查

风速传感器通常使用天津气象仪器厂的EL15-1C风速传感器。在对风速进行核查前，首先需用JJE2起动风速检验仪测试该传感器的起动特性。使用该仪器时应注意仪器水平，若被核查的风速传感器起动风速值不大于0.5 m/s，将继续风速的核查，反之核查不合格。风速核查装置为JJE3型风速检验仪，其核查差值应不大于±（0.5 m/s+0.03 V）（V为指示风速值），超过则判定传感器核查不合格，需送厂家校正。

风向传感器常见为天津气象仪器厂的EL15-2C风向传感器，用JJE10风向校验仪对其进行核查，得到的风向误差应不大于±5°，否则需对传感器进行更换。

2.5 核查注意事项

多次核查实践后总结了一些注意事项[5-7]。带齐各项工具，尤其是围栏，机箱，百叶箱的钥匙，各个大小型号的螺丝刀及除草设备。此外，还应自备蒸馏水一桶用于湿度核查，不少于5 L的自来水一桶用于雨量核查，注意防蛇、防虫。最重要的是带好工作台及遮阳布（伞），如图6所示，工作台提供了安全、平整的良好核查环境，而遮阳布（伞）可以有效避免太阳对核查仪器的直射，保证了核查结果的可信度。