新技术在气象探测中的应用

2022-01-01刘晓磊石菊红荀家宝张婷婷

气象水文海洋仪器 2021年1期

关键词：气象站浮标串口

宫军，刘晓磊，石菊红，荀家宝，张婷婷

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2.宁夏大气探测技术保障中心，银川 750002)

0 引言

近年来随着通信技术和控制技术的飞速发展，越来越多的新技术被广泛应用到各行各业。气象探测作为获取气象数据的主要手段，更应充分运用新技术为气象预报预测、科学研究和气象服务提供可靠、高效的观测数据。

1 气象探测已投入使用的新型技术

“十三五”以来气象探测技术飞速发展，GPS技术、光纤传输和红外测量技术已在气象探测业务中得到了广泛应用。

1.1 GPS技术及应用

GPS系统由24颗GPS卫星和5个地面监控台站组成，能够提供导航、测量和授时功能。其工作原理是通过测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据即可得出接收机的具体位置[1]。20世纪80年代GPS被引入气象学中，成为了一门新学科——GPS气象学(GPS/MET)。

GPS气象学最早研究的是水汽，因为GPS系统工作时水汽是影响其精密测量的主要因素之一。水汽是大气中一个重要的参量，其总量、分布和变化情况能够直接影响天气的稳定性，造成灾害性天气。除此，水汽还会影响大气辐射和太阳辐射，进而影响气候系统的水循环。

利用GPS技术探测水汽的主要原理：当GPS卫星发送的电波信号穿过地球大气到达地面接收机时，地球大气的各个部分都要与水汽发生相互作用。把各个部分相互作用的延迟量引入解算模型中，并逐项考虑误差的来源和消除办法，对高精度的大气延迟量(毫米量级)与定位参数一起求解。然后通过双频技术订正电离层延迟到毫米量级，通过地面气压观测量订正干空气的延迟到毫米量级，最后得到毫米量级的湿空气延迟，由此提取大气柱的总水汽含量[2]。利用GPS技术估算大气水汽总量相比无线电测量、水汽微波辐射计测量和气象卫星观测具有覆盖面广、造价成本低和不受云层影响等特点，是目前水汽观测的主流方法。

在应用中，中国气象局与中国地震局联合开发了中国大陆构造环境监测网络，该网络能够对中国地质岩石圈、水圈和大气圈等构造环境变化进行实时监测，能够明显提高对暴雨、冰雹、雷雨和大风等水平尺度在几百千米左右、历时仅几小时的中小尺度灾害性天气的预报预警能力，同时对气候变化和人工影响天气等领域的研究起到重要推进作用[3]。

GPS技术还充分利用其定位原理达到更准确地测量风速、风向等观测要素[4]的目的。在提高观测数据准确性的基础上，降低地面接收系统的投入成本，提高气象探空业务的自动化程度。

1.2 光纤传输

随着通信技术的飞跃式发展和气象传感器种类的不断丰富，传统数据传输方式亟需改变。目前国家级台站自动气象站主要分为早期集中控制式结构的自动气象站和近几年逐步普及的分布式结构新型自动气象站。自动气象站数据采集通道均以串口通信为主，但因其传输距离短、传输速率小和只能单点传输等缺点，造成了数据备份、维护维修、远程控制等不便捷的后果，而且采用RS-232通信方式的自动气象站在夏季时存在大量雷电感应隐患。目前主流的以太网通信具备传输速度快和传输距离远等优点，能够有效解决传统通信方式带来的隐患和问题。

串口联网服务器是将自动气象站通信方式由传统的RS-232改成TCP/IP方式，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向传输。改进后，国家级气象站观测场与值班室间仅使用1根光纤通信，节省了建站时的布线时间。同时隔离了室内外设备的电路连接，大大降低了夏季雷击风险。

数据传输时，自动气象站主控计算机将数据采集命令通过网络发送至所需的串口服务器指定端口，串口服务器将数据进行处理后发送至自动气象站数据采集器，数据采集器按照接收指令进行数据采集和处理，并将处理结果回传给串口服务器，串口服务器在接收到数据后进行格式转化，将其转化成TCP/IP协议格式的数据流返回自动气象站计算机[5]。主控计算机通过安装的虚拟串口软件，不仅可以实现数据的接收，还能够实现数据的多地备份。

1.3 红外测量技术

红外技术至今已有两百多年的历史，目前广泛应用于工业、农业、医学和交通等各个行业和部门。用途更是覆盖了红外测温、红外测湿、红外理疗、红外报警和红外遥感等方面。根据业务发展需求和气象服务的需要，特别是交通气象站和农业气象站被广泛推广后，红外测量传感器已经广泛应用于自动气象站，其具备检测准确度高、稳定性好的优点。在交通自动气象站中，采用红外探测技术的遥感式路面温度传感器具备安装时不需破坏路面、监测区域可任意挑选等优点[6]。在农业自动气象站中，它可以对传统温度传感器难以测量的冠层叶温进行高精度测量。但红外遥感传感器目前也存在造价偏高、安装复杂等缺点，同时在建设时还需对红外线角度和自我修正系数进行不断调整，才能保证观测资料的准确性。

2 即将投入气象探测使用的新型技术

随着近年无人机、海洋漂浮浮标、高度集成化技术的不断发展，各类气象探测设备也迎来了新的发展高潮，为解决传统测量时间和地点局限性提供了多种解决办法。

2.1 无人机气象观测

近几年，中国无人机技术不论在军用领域还是民用领域，都得到了广泛应用。而且据资料统计，中国已成为世界上无人机出口最多的国家，表明中国的无人机技术得到了世界各国的认可。在气象领域，由于现有各种气象观测手段的局限性，无人机机载气象探测系统具有广泛的应用范围和较强的补充性。

目前气象用无人机垂直飞行高度最大可以达到3 km左右，可以有效地补充地面观测和高空探测之间(尤其是0～3 km)的观测空白；同时摆脱了固定或车载的束缚，1次飞行就可以对半径为3～5 km的区域进行快速地气象观测；在观测要素方面，无人机不仅能完成传统气象要素如风速、风向、温度、湿度和气压的观测，还能携带各类生态观测设备，开展对气体污染物、PM2.5和PM10颗粒物、地面红外温度逼感等要素的观测。

气象无人机观测具备可移动测量、测量时间和地点可控、巡航距高远和操作简便直观等特点，同时能够快速应急响应，并进入人员无法到达或者存在人身安全的环境中进行观测，是未来气象和其他领域的发展方向之一。

2.2 海洋浮标观测

中国领海总面积约300万平方千米，海岸线长达18，000 km。气象行业作为基础性、公益性服务行业，更应该深入了解中国海洋气候和海水变化情况，提供高效、准确的气象服务资料，保障和促进其他行业发展。由于海洋环境的特殊性，目前海洋观测远不及陆地观测技术成熟，其中浮标技术就是一项重要的制约因素。

浮标是为传感器、数据采集及通信等设备在海上的搭载平台，其相对于传统的船只观测具备无人值守、环境适应性强和观测数据准确等优点。自2003年青海湖浮标气象站投入使用[7]，到2018年黄海北部海域首个浮标气象站投放运行，气象浮标已经可以做成直径为10 m、高度大于10 m的大型浮标，可以搭载多种海洋水文气象的自动监测设备[8]，能够在海上实时获取风向、风速、气温、气压、能见度、水温、海水密度和含盐度等气象资料。资料通过国家自主研发的北斗通信系统进行传输，在实现实时通信的同时，也保证了高敏感海域和重要海域的观测数据安全性。太阳能供电则保证了浮标气象站能够长期、稳定工作。浮标气象站的大量应用，不但能提高海洋气象服务和灾害性天气预报预警能力，而且能在渔业生产、海洋资源开发利用及海洋避险救助等方面发挥重要作用。