气象探测设备常见故障分析

摘 要：随着气象现代化建设的不断推进，气象探测设备在提供多样化、精细化气象服务中发挥着日益重要的作用。为进一步提高气象探测设备的可靠性和稳定性，以智能观测仪、风塔等设备为例，对其常见故障进行分析研究，总结故障发生的原因，提出加强设备维护、完善备件管理、强化人员培训等解决措施。

关键词：气象探测设备；常见故障；故障分析；运行维护

中图分类号：P414 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）11–00-03

2022年国务院发布的《“十四五”现代服务业发展

规划》明确提出，要加快智慧气象发展，提高气象灾害监测预报预警和风险管理服务水平。气象探测设备是获取大气状态信息的基础，也是智慧气象的重要内容。但受复杂环境、部件老化等因素影响，气象探测设备常出现各种故障，影响正常运行。因此，做好气象探测设备的故障分析和维护管理，是保障气象现代化建设和气象为民服务的必然要求。

1 气象观测设备及常见故障分析

1.1 智能观测仪

智能观测仪是当前气象观测中广泛使用的先进设备，但各种故障问题频发。数据传输故障可能源于线路老化、电磁干扰、网络拥塞等因素，导致数据丢失或错误。传感器可能会由于老化、污染、物理损坏等因素影响而失准或完全失效，从而产生错误读数或无法获取相应气象数据。若智能观测仪的内部时钟与标准时间存在偏差，或时钟同步机制出现故障，则会导致数据的时间不准确，影响数据的可用性和分析质量。

同时，智能观测仪通常依赖电池或太阳能电池板供电，电量耗尽、电池板遮蔽或故障都可能导致供电中断，使得观测仪无法正常工作。智能观测仪的内部软件用于控制各模块的运行、数据采集和处理，若软件存在Bug或设计缺陷，可能会引发各种异常行为，如死循环、数据计算错误等。观测仪与数据中心之间的通信需要遵循特定的协议规范，若协议版本发生变化或存在实现差异，可能导致通信失败或数据解析错误。此外，极端天气条件、生物腐蚀、人为干扰等环境因素均可能对观测仪的正常运行造成不利影响。上述故障问题会直接影响气象数据的质量和完整性，进而影响基于这些数据进行的气象监测、预报和应用[1]。

1.2 风塔

风塔是一种重要的气象观测设备，用于测量风速、风向等风场参数。然而，在实际运行中，风塔也面临着各种故障问题，影响其测量精度和可靠性。

第一，风塔的机械结构会受到自然环境的侵蚀和老化，导致零件磨损或损坏。例如，转子轴承可能会由于长期运转而产生磨损，影响转子的转动灵敏度，进而导致风速测量偏差。同时，风塔外壳和支撑杆也可能遭受腐蚀、生物侵蚀等破坏，削弱其机械强度和稳定性。

第二，风塔的传感器和测量电路存在故障隐患。风速传感器若受到污染或损坏，则会产生失真或漂移的输出信号，影响风速测量的准确性。风向传感器也面临类似问题，若出现卡滞或失灵，则无法正确反映风向变化。此外，模数转换电路、放大电路等也可能出现元件老化、误差累积等故障，干扰测量信号的采集和处理。

第三，风塔的供电系统故障也是一个常见问题。风塔通常依赖电池或太阳能电池板供电，若供电中断或电力不足，则会导致风塔无法正常工作。电池组老化、太阳能电池板故障等都可能引发这一问题。数据传输和存储环节也存在潜在故障风险。风塔测量数据需要通过有线或无线方式传输到数据中心，在传输过程中可能受到干扰或连接故障的影响，造成数据丢失或错误。同时，存储设备故障也可能导致历史数据损坏或丢失。

第四，环境因素对风塔运行也有显著影响。恶劣天气如冰雹、雷击可能直接损坏风塔结构，极端高温或低温也会影响电子元件性能。鸟粪或植物侵蚀也是风塔面临的潜在威胁，直接影响风塔对风场参数的测量精度和可靠性，进而难以确保气象数据质量，对天气预报、航空运输、能源利用等领域带来不利影响[2]。

1.3 自动气象站

自动气象站是地面气象观测的基础设备，用于连续自动测量气压、气温、湿度、风速风向、降水量等气象要素，其稳定性和数据质量影响天气预报和气候分析的准确性。自动气象站主要由气象传感器、数据采集器、通信模块、供电系统等组成。气象传感器是自动站的核心部件，常见的故障包括气压传感器的迟滞误差增大、零点漂移等引起气压测量失真；温湿度传感器的污染、老化等导致测量精度下降；风速风向传感器的轴承磨损、编码器失效等影响风速风向测量；雨量传感器的漏斗堵塞、翻斗机构卡滞等造成雨量漏测或错测。数据采集器的故障主要有AD转换电路损坏引起数据丢失，存储器故障导致数据错误，时钟电路失效造成时间错误等。通信模块采用无线或有线方式传输数据，其中，无线通信受天线故障、电磁干扰等影响时会引起数据传输中断或错误，有线通信线路老化、破损时也会导致通信异常。供电系统通常由太阳能电池板、蓄电池等组成，其故障如太阳能电池板老化引起充电效率下降，蓄电池损坏导致供电中断等威胁自动站的正常工作。

1.4 土壤水分自动观测站

土壤水分自动观测站是监测土壤水分动态变化的重要设备，可应用于农业、水文、生态等领域，为旱涝监测、农事管理等提供重要依据。土壤水分自动观测站通常由土壤水分传感器、数据采集器、无线通信模块、供电系统等组成。

土壤水分传感器是测量土壤水分含量的关键部件，主要采用频域反射计、时域反射计等原理，通过测量土壤介电常数推算含水量。常见的故障包括传感器探头的污染、腐蚀引起测量失真，电缆的破损、接触不良导致信号中断，电路板的器件老化、焊点开裂等造成工作异常。数据采集器负责传感器数据的采集、转换和存储，其故障如AD转换芯片损坏引起数据丢失，存储芯片故障导致数据错误，时钟电路失效造成时间戳错误等。无线通信模块多采用GPRS、4G等方式，受基站信号覆盖、天线故障、电磁干扰等影响时会导致数据传输中断或错误。供电系统通常由太阳能电池板、充电控制器、蓄电池等组成，其故障如太阳能电池板老化引起输出功率下降，充电控制器损坏导致充放电失控，蓄电池容量衰减造成供电时间缩短等[3]。

1.5 闪电定位仪

闪电定位仪是监测雷电活动的关键设备，可实时获取闪电的三维位置、电流强度、极性等参数，为雷电预警、防护及气象科研提供重要数据支撑。闪电定位仪主要由天线阵列、GPS时间同步模块、信号调理电路、数据采集与处理单元等组成。

天线阵列用于接收闪电产生的电磁脉冲信号，通常采用磁天线或环形天线，布设在不同位置以实现定位。天线的机械损伤、腐蚀等会导致接收灵敏度下降，连接器的松动、氧化则会引起信号中断或衰减。GPS时间同步模块提供高精度的时间基准，是确保多台闪电定位仪协同观测的关键，其故障如天线失锁、时钟漂移等会导致时间同步误差增大，影响定位精度。信号调理电路对天线接收到的微弱信号进行放大、滤波等处理，其性能关系到信噪比和动态范围，常见故障包括运放失调、电路板开裂、元器件参数漂移等。数据采集与处理单元通过高速AD转换和实时处理算法实现闪电信号的特征提取和定位解算，其故障如AD转换器损坏引起数据丢失，时钟同步差错导致定位解算异常，数据存储模块损坏造成数据丢失等。

2 气象观测设备运行保障建议

2.1 加强设备维护和定期检修

首先，气象部门制定完善的设备维护管理制度，明确各类设备的维护周期、检修项目和技术标准，制定设备维护手册和操作规程，规范维护流程。例如，对于自动气象站，要定期清洁传感器表面，检查各传感器的安装状态和数据输出，每年至少进行一次性能检测和校准[4]。

其次，强化维护人员的技术培训和考核，增强其专业技能和责任意识。可采取定期开展业务培训、组织技能竞赛等方式，促进维护人员的学习和交流。

再次，气象部门加大维护经费投入力度，优化维护资源配置，确保备品备件充足，维修仪器齐全，满足设备维护需求。例如，建立关键零部件的质量跟踪机制，加强对备品备件的管理，提高备品备件的质量和可获得性，降低设备故障率。

最后，气象部门还要加强与设备制造商的沟通协作，及时获取设备更新改造信息，掌握先进的维护维修技术。可定期召开设备维护技术交流会，邀请厂商介绍设备特性和维护经验。通过构建完善的设备维护管理体系，强化人员技能培训，加大资金投入力度，优化资源配置，借助厂商力量，多措并举，开展气象观测设备维护和检修工作，从而减少设备故障发生，延长设备使用寿命，切实保障气象观测的持续稳定运行。

2.2 建立完善的备品备件管理制度

首先，气象部门需根据设备型号、数量和故障率，科学制定备品备件配置标准，合理确定各类备件的储备定额、采购周期和更新频率。例如，对于故障率较高的关键部件，如雷达发射机的大功率器件，要提高储备量并缩短采购周期；对于故障率低但更换周期长的备件，如气象传感器，可适当降低储备定额，延长采购周期。

其次，气象部门需规范备品备件的采购流程和质量控制。制定严格的供应商准入制度，对备件的性能指标、可靠性、环境适应性等提出明确要求。在采购过程中，严把备件质量关，对重要备件开展出厂检验和到货检查，确保备件质量满足使用要求。

最后，气象部门需做好备品备件的库存管理和定期盘点，建立台账和标识，实现备件的可追溯管理。定期评估备件的使用状况和存储环境，及时更换有效期临近或性能降低的备件。此外，加强备品备件管理的信息化建设，开发备品备件管理系统，实现备件的编码、入库、出库、库存等全过程信息化管理，提高管理效率和决策水平。通过建立科学的备品备件配置标准，规范采购和质控流程，加强库存管理，推进信息化建设等措施，不断完善备品备件管理制度，从而提高备件的可获得性和供应及时性，有效缩短设备故障的维修时间，确保气象观测设备的连续运行[5]。

2.3 加强人员技能培训

首先，气象部门要制定完善的人员培训制度，根据岗位需求和设备特点，制定分类分级的培训计划，明确培训内容、培训方式和考核标准。如针对气象雷达运维人员，开展雷达原理、系统结构、操作维护等专题培训；针对自动气象站维护人员，重点开展传感器工作原理、数据采集与传输、常见故障诊断等实操训练。

其次，气象部门要创新培训方式方法，将理论教学与实践操作相结合，利用多媒体、虚拟仿真等手段，提升培训的直观性。定期组织技能竞赛、经验交流等活动，营造比学赶超的良好氛围。与高校、科研院所开展产学研合作，为人员能力提升提供智力支持。

再次，气象部门要制定人员持证上岗制度，将培训与考核相挂钩，采取理论考试与实际操作相结合的方式，考察人员的专业知识和实际技能，确保培训效果。对考核合格的人员颁发岗位资格证书，并与绩效考核、职称评聘等挂钩，调动人员培训积极性。

最后，气象部门要鼓励人员参加行业交流和学术会议，了解前沿技术动态，拓宽专业视野。选派优秀人员到设备制造商参加技术培训，学习先进的生产工艺和检测手段。通过完善培训制度，创新培训模式，强化培训考核，拓展培训渠道等措施，不断提升气象观测设备运维人员的业务水平和实际操作能力，使其掌握设备性能特点和维护技巧，从容应对各类故障问题，为气象观测设备的稳定运行提供坚实的人才保障[6]。

2.4 加强气象观测环境的管理

首先，气象部门应严格遵守气象观测场地选址标准，综合考虑地形、地貌、交通、电磁环境等因素，选择环境代表性好、污染源少、便于维护的场地，并定期开展观测环境评估，及时发现和解决环境变化问题。例如，在选址时，避开高大建筑物、树木等遮挡物，远离交通干线、工业区等污染源，确保观测场地的空旷性和代表性。

其次，气象部门要加强观测场地的日常管理和维护，制定观测场地巡查制度，及时清理杂草、垃圾等影响观测的异物，维护场地整洁。定期对观测场地进行硬化、平整等处理，保证仪器设备的安装稳固性。及时修复易积水、易塌陷等问题，避免影响设备正常工作。

再次，气象部门要做好观测环境的安全防护，加强防雷、防台等措施，如在自动气象站周围设置防雷击设施，定期检查接地装置，确保设备安全。合理设置安全警示标识，加强安保巡查，防止人为损坏和盗窃。针对沙尘、鸟粪等特殊环境问题，采取防尘罩、驱鸟装置等措施，减轻对设备的影响[7]。

最后，气象部门应积极开展观测环境的宣传教育，

增强公众的环保意识，争取社会各界对气象观测工作的理解和支持。定期举办开放日活动，邀请周边单位、学校等参观，讲解观测环境保护的重要性。

3 结束语

气象探测设备常见故障的分析和诊断是一项综合性、专业性很强的工作，需要多学科知识和实践经验。通过加强维护检修、完善备件管理、强化人员培训、优化观测环境等措施，可以有效降低气象探测设备的故障率，延长其使用寿命，为提高气象观测数据质量奠定基础。未来，随着新技术新装备的不断应用，气象部门还需与科研院所、制造厂商加强合作，构建健全的气象探测设备全生命周期的质量管理体系，实现设备可靠性设计、精细化运维和综合保障能力的同步提升，以适应现代气象业务发展的新要求，不断满足国计民生和防灾减灾对高质量气象服务的需求。

参考文献

[1] 李东喆.案例推理技术在气象探测设备故障诊断中的应用[J].中国民航飞行学院学报，2021，32（2）：19-23.

[2] 陈开，陈柯辰.基于Spring框架的气象探测设备监控系统设计与实现[J].软件导刊，2020，19（7）：112-116.

[3] 叶冠宁.气象探测设备常见故障及维修保障措施[J].南方农机，2020，51（9）：247.

[4] 郑炜潭.气象探测设备的故障分析与处理[J].南方农机， 2020，51（5）：225-226.

[5] 李静，张朝明，华夏，等.山西省气象探测设备维修平台的研究[J].科技与创新，2019（10）：79-81.

[6] 赵云鹏.银川月牙湖机场气象探测设备电路跳闸故障排查[J].空运商务，2018（11）：52-54.

[7] 周文杰.基于SIPOC航空气象探测设备的管理系统研究[J].物联网技术，2018，8（9）：51-54，58.