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关键词： 超声波测风   自适应权重   手持自动气象站   嵌入式系统   地面气象观测  

摘要： 风是大气探测中极其重要的气象要素,使用手持自动气象站作为测风平台,对于捕捉小范围风场变化和局部气象资料具有重要的理论意义和应用价值。超声波测风具有分辨率高、响应速度快、适用范围广等优点,然而换能器圆柱绕流产生的阴影效应对超声波测风造成巨大干扰,这是一个亟待解决的问题。 本文基于计算流体学方法,分析传统测风阵列中超声波换能器阴影效应形成机理,建立了手持自动气象站多反射超声波测风模型,降低阴影效应的影响;设计基于变换窗的最小均方根误差(Least Mean Squares,LMS)自适应滤波算法,解决环境噪声对测风的干扰问题;提出自适应权重测风算法,削弱支柱圆柱绕流对测风路径的干扰;搭建模块化手持自动气象站监测系统,在实测环境中验证了系统的功能。具体研究内容如下: 1、采用计算流体学方法,对不同超声波测风阵列测风区域附近的流场进行仿真,分析传统测风阵列的阴影效应,建立手持自动气象站多反射超声波测风模型,实验结果表明所建立模型能够有效降低阴影效应。 2、针对目前手持自动气象站受环境影响大,测风精度低的问题,设计一种窗体宽度可变的LMS自适应滤波算法,降低环境对超声波信号的影响。同时,针对由支柱所产生的圆柱绕流对测风路径的干扰问题,提出自适应权重测风算法,通过仿真实验验证了所提出算法的有效性。考虑到手持测量,研究风速矢量与测风模型姿态的关系,提出了基于陀螺仪数据的风速-风向修正算法,并在后续的室外动态测风的实验中得以验证。 3、设计了模块化手持自动气象站,实现对多个气象要素的实时观测。从处理器的选型、接口驱动电路、动态电源管理以及系统供电四个方面进行低功耗的设计。根据任务要求,基于模块化思想,合理划分任务,并设计了下位机软件,实现气象要素的采集、显示和上报。通过实验验证了手持自动气象站系统达到了设计要求。 4、为了确保自动气象站数据的可靠性,从数据处理和质量控制两个方面研究了数据质量控制方法,研发了手持自动气象站上位机软件。通过空间插值算法对测试数据进行统计分析,实现了气象要素可视化和小区域气象要素分析功能。 综上,本文在测风模型研究的基础上设计了模块化手持自动气象站系统,能够实现对温度、湿度、气压、空气质量、风速和风向的高分辨率连续观测和分析,对小区域天气的实时观测具有重要的实际意义和应用价值。

关键词： 资料同化   大气边界层数值模拟   加密探空资料   地面自动气象站资料  

摘要： 本文利用2016年夏季北京地区宝联、朝阳、大兴站的加密探空资料与地面自动气象站资料,基于WRF模式与WRFDA三维变分同化系统,分别进行仅对一个时刻同化的单次同化试验(-DA)以及对多个时刻连续同化的循环同化试验(-CY),其中循环同化试验按照同化时刻的间隔分为6h循环同化(-CY6)与3h循环同化(-CY3),再与同化时对于观测资料的采纳选择组合搭配,包括仅同化加密探空资料(S)、仅同化地面自动气象站资料(A)以及同时同化以上两种资料(M)的情况,共计九组试验,从而研究资料同化对于北京地区边界层数值模拟结果的影响。结果表明: (1)单次同化试验生成的分析场更接近实际观测结果,其中M-DA试验对于模拟结果的改善效果最好。垂直方向上,加密探空资料对模拟结果的改善力度较强,地面自动气象站资料也有一定的影响程度;水平方向上,地面自动气象站资料不仅改善低层的温湿分布,还对高层温湿水平分布有影响。同化对垂直方向上大气边界层内热力状态的改善影响可持续至预报6 h,对湿度状态与动力结构也有改善且持续至预报3 h;对水平方向上热力状态预报结果的改善影响可持续3 h,对湿度状态与动力结构改善不明显。 (2)循环同化试验对于模拟结果的改善影响整体好于单次同化试验。垂直方向上,M-CY3的模拟结果最好,地面自动气象站资料在垂直方向上对于温度与相对湿度的模拟结果有改善作用,对风速的模拟结果影响较小。水平方向上,仅同化加密探空资料试验只能改善湿度状态的模拟结果,同时同化两种观测资料与仅同化地面自动气象站资料对热力状态与湿度状态的改善程度相当,对地面风场的改善影响不明显,这与北京的复杂地形以及风的属性有关。 (3)同化试验在改善边界层高度、城市热岛结构、边界层低空急流结构特征及其演变均具有一定的影响效果。对于边界层高度,S-CY6与M-CY3的模拟结果更贴合实际变化情况。对于城市热岛以及边界层低空急流,M-CY3试验的模拟结果较好。

关键词： 自动气象站   质量控制   资料同化   三维变分   WRF-3DVAR  

摘要： 地面温度是影响地表能量、水和辐射平衡的关键因素。为了更好的研究地面温度的变化特征,并为气象研究提供更为丰富的地面温度观测数据,我国已经建立了日趋完善的地面自动站观测系统,目前已经建立了超过6万个地面自动观测站。但是自动站资料的应用一直受到观测资料质量不明确的制约。如何分辨高分辨率自动站资料中的局地小尺度天气信息和错误资料导致的局地变化特征一直是自动站质量控制的难点。本研究针对我国自动气象观测站点温度资料的高时空分辨率特点,开发了一种新的仅依赖观测资料的地面温度观测资料质量控制方法,实现了地面自动站资料的独立质量控制。研究还将新质量控制方法植入到江苏省气象局业务预报系统中,并通过实际同化和预报试验,细致评估了质量控制方法自动站地面温度资料同化效果的影响,及其对数值天气预报的改进效果。具体结果如下: (1)在分析地面温度空间尺度特征和误差分布特征的基础上,成功开发了一种新的地面温度观测资料质量控制方法,该方法的核心创新点在于其完全基于观测资料,无需依赖外部背景场数据,从而实现了地面自动站资料的独立质量控制。并客观确定了单次质控范围与模态阈值,实际质量控制结果表明新质量控制方法能够有效的消除背景场资料分辨率不足对质量控制的影响,准确地识别错误资料并最小化天气过程对质量控制的干扰,显著提升了地面自动站温度资料的空间连续性并减小了观测误差。 (2)实际的同化和预报试验结果表明,新质量控制方法能够很好的改进地面自动站温度资料的同化效果,并最终改进模式对低层大气温度和湿度的预报准确性,在高地形地区,这种改进效果尤为突出,与传统研究不同,本研究着重考虑了地形高度对温度场垂直结构的影响,高地形地区的地面温度资料同化的正影响能够随着天气系统逐步影响下游的中高层大气,并最终提高下游的数值预报水平。 研究建立的不依赖于背景场的质量控制新方法对于地面自动站其他观测变量都有很好的适用性。同时本研究发现的高地形地区地面自动站的影响特征也为地面自动站资料的同化应用有很好的借鉴意义。

关键词： 自动气象站   置信规则库   RT-Thread   LVGL   故障检测  

摘要： 自动气象站作为地面收集和记录气象数据的关键设备,长时间在外部环境中运行可能会引发设备故障,从而影响数据的准确性,因此对其进行故障检测是保障高质量气象数据输出的关键环节。针对目前自动气象站故障检测仪器存在检测耗时长、检测设备不全以及不易携带的问题,研发了一套对自动气象站设备进行故障检测的系统,该系统包括传感器故障等级预诊断和现场故障检测两部分。论文的主要研究内容如下: (1)针对自动气象站传感器故障等级与传感器数据之间存在非线性关系的问题,提出基于遗传算法优化置信规则库(GA-BRB)的自动气象站传感器故障等级预诊断算法。该算法以置信度的形式表征传感器故障信息中的不确定性,通过遗传算法优化置信规则库中的规则权重和置信度等关键参数,实现了对传感器故障等级的评估。相较于仅基于专家经验建模的方法,该算法具有更高的准确率以及更好的可解释性,能够为自动气象站的现场故障检测提供更加有效的辅助参考。 (2)基于自动气象站设备的工作和测量原理设计了现场故障检测系统的硬件电路。硬件电路主要包括STM32主控电路、电源电路、显示电路、气象传感器检测电路、采集器检测电路和通信电路。其中,在检测接口处增加了电平转换电路,提高了对不同工作电压传感器的兼容性;众多检测电路中采用了高集成度的芯片,结合光耦隔离、硬件消抖等方法,提高了数据采集和模拟的精度,同时也减少了系统的整体体积。 (3)开发了基于RT-Thread实时操作系统的嵌入式软件以及基于轻量级图形库LVGL的交互界面。该软件系统根据待检设备的优先级调度相应任务,从而显著提升了设备检测的实时性与效率;系统界面设计借助LVGL丰富的组件,实现了学习成本低、操作简洁的交互逻辑。设备检测完成后,系统界面将展示设备详细的工作状态、故障部位以及各种数据信息。 实验测试结果表明,本系统不仅能够对自动气象站的六种基本气象要素传感器的故障等级进行评估,快速识别故障的部位,还能模拟输出多种传感器信号,实现了采集器的状态检测。相较于传统检测方法,本系统对于设备的综合检测效率提升了64%左右,其中传感器数据的采集误差、信号模拟误差以及故障检测准确率均满足实际场景的使用要求。

关键词： 自动气象站   防雷关键技术   雷电  

摘要： 近年来,四川眉山气象局积极响应国家号召,不断加大投入力度打造气象示范工程,不仅提高了气象预报的准确性和即时性,还加快了气象站自动化建设步伐。但由于自动气象站运行需要依赖于各种观测设备,并且这些设备大多处于24小时不间断运行状态,所以容易受气候环境变化等因素影响产生各种故障,其中雷击故障尤为常见。为了尽可能降低雷击事故对自动气象站运行造成的损失,需要采用科学合理的防雷技术做好防范工作。所以,本文将对自动气象站的组成结构和运行原理展开分析,深入研究雷电攻击自动气象站的主要途径,并总结几种行之有效的防雷技术要点,旨在为自动气象站安全运行奠定基础。

关键词： 地面气象观测场   雷电防护   防雷检测   自动气象站   采集器   地温采集器  

摘要： 文章以广东地区为例,首先介绍地面气象观测场的组成和工作原理,然后根据观测场的具体情况,依据防雷规范和广东地区防雷经验,结合雷电损坏观测设备的可能途径,分别从地网、供电、通信、屏蔽及综合布线、等电位及接地等方面介绍了雷电防护措施,最后针对防护措施给出相应的观测场防雷装置的检测要点。

关键词： 自动气象站   DPZ2硬件控制器   数据通信  

摘要： 目前,福建省各地市的国家级自动气象站都采用基于综合集成硬件控制器的DZZ5型自动气象站,每个台站都有主、备用两套DZZ5型自动气象站,但都是各自传输,只能是整套站点的互备,无法实现单个观测系统的互备。该文通过将主、备用自动气象站的DPZ2硬件控制器接入业务内网,利用Server Utility管理软件将DPZ2硬件控制器的通信串口映射到该主机的COM端口,业务主机上的ISOS软件通过修改相应的COM端口,即可调用相应的观测设备,实现主、备用自动气象站观测数据的通信。

关键词： 自动气象站   防雷系统   管理原则  

摘要： 介绍了自动气象站防雷系统的重要性及雷电对设备的危害,阐述了新型自动气象站防雷系统的特点,从多方面出发分析了新型自动气象站防雷系统的维护与管理策略,包括建立维护管理制度、定期检查和维护、培训和宣传教育等,总结了新型自动气象站防雷系统的发展方向,包括监测手段智能化、防护措施完善化、数据处理精细化、应用范围广泛化及维护管理人性化等方面,促进新型自动气象站防雷系统维护与管理水平的提高。

关键词： 不确定度   自动气象站   风向传感器   校准结果  

摘要： 依据相关规程规范,以JJE10型风向校验仪为标准器对EL15-2C型自动气象站风向传感器进行校准,并对校准结果不确定度进行分析与评定。主要采用GUM法进行不确定度评定,首先建立测量模型,再分别评定A类与B类不确定度。其中前者是由测量结果重复性引入的不确定度,后者是由风向传感器分辨力和标准器最大允许误差引入的不确定度,最后对合成标准不确定度及扩展不确定度进行计算。通过评定得出,在各校准点被校风向传感器的合成不确定度uc=1.04°,扩展不确定度U=2.08°(k=2),风向传感器分辨力引入的不确定度为校准过程中占重要支配地位的不确定度分量,其次是标准器最大允许误差引入的不确定度。

关键词： 自动气象站   在线校准   系统   无线传输   设计  

摘要： 为解决自动气象站在线校准自动化水平和工作效率较低的问题,根据其校准的特点,需设计一种自动化程度高、准确度高的基于无线传输的自动气象站在线校准系统,从而实现自动气象站温度、湿度、气压、风速、风向、雨量等气象参数的自动控制、数据同步读取、数据自动处理、自动生成校准记录等。本文提出并设计基于无线传输的自动气象站在线校准系统,提高了检测人员在线校准的工作效率,确保了数据的准确可靠性。