一．前言

氣象環(huán)境中的風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、氣壓及降水量是表征大氣狀態(tài)的核心參數(shù)，其精準(zhǔn)監(jiān)測是氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境治理與產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)代氣象監(jiān)測系統(tǒng)通過集成多類型傳感器與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對六要素的實(shí)時(shí)采集與分析，研究人員認(rèn)為這類技術(shù)的成熟應(yīng)用使氣象服務(wù)的精細(xì)化程度得到大幅提升，同時(shí)為各行業(yè)的智能化發(fā)展提供了數(shù)據(jù)支撐。

二．監(jiān)測原理

風(fēng)速與風(fēng)向的監(jiān)測依托物理感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，三杯式風(fēng)速傳感器是當(dāng)前氣象監(jiān)測領(lǐng)域的主流設(shè)備，其由三個(gè)對稱分布的杯體構(gòu)成且杯體的旋轉(zhuǎn)速度與風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，編碼器把機(jī)械旋轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)計(jì)算即可得出實(shí)際風(fēng)速數(shù)值。風(fēng)向測量則采用風(fēng)標(biāo)式傳感器結(jié)構(gòu)，風(fēng)標(biāo)隨氣流方向轉(zhuǎn)動時(shí)角度傳感器會捕捉其與固定方位的夾角，該角度信號被轉(zhuǎn)化為電信號后便能確定風(fēng)向的具體方位。

溫度監(jiān)測普遍運(yùn)用熱敏電阻的特性，熱敏電阻的電阻值隨環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生波動，技術(shù)人員通過校準(zhǔn)電阻-溫度關(guān)系曲線并結(jié)合電路測量的電阻數(shù)據(jù)，可計(jì)算出精準(zhǔn)的環(huán)境溫度數(shù)值。濕度監(jiān)測多采用電容式傳感器，其感應(yīng)元件包含兩個(gè)電極與中間的吸濕介質(zhì)，空氣中的水汽被介質(zhì)吸收后會改變其介電常數(shù)進(jìn)而導(dǎo)致電容值變化，通過測量電容值的波動幅度并經(jīng)過校準(zhǔn)計(jì)算，便能得到環(huán)境的相對濕度數(shù)據(jù)。氣壓監(jiān)測基于壓阻式原理實(shí)現(xiàn)，大氣壓力作用于傳感器的感應(yīng)膜片時(shí)會使其產(chǎn)生微小形變，膜片上的電阻應(yīng)變片因此發(fā)生電阻值變化，惠斯通電橋?qū)⑦@一變化轉(zhuǎn)換為電壓信號并經(jīng)放大處理后，即可得出大氣壓力的具體數(shù)值。

降水量的監(jiān)測主要依靠翻斗式雨量傳感器，雨水通過承雨口進(jìn)入對稱翻斗結(jié)構(gòu)，當(dāng)單個(gè)翻斗承接的雨量達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)便會觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)動作產(chǎn)生的脈沖信號被計(jì)數(shù)后，技術(shù)人員可據(jù)此換算出單位時(shí)間內(nèi)的降水量 。

三．技術(shù)參數(shù)

氣象多要素監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)參數(shù)直接決定監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度與可靠性，行業(yè)工程師對主流設(shè)備的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了長期驗(yàn)證。風(fēng)速傳感器的測量范圍通常覆蓋0-45m/s且精度可達(dá)±(0.3+0.03V)m/s（V:風(fēng)速） ，風(fēng)向傳感器的測量角度為0-360°，準(zhǔn)確度：±3°，這類參數(shù)指標(biāo)能滿足常規(guī)氣象觀測與極端天氣監(jiān)測的雙重需求。溫度傳感器的測量精度普遍控制在±0.5℃范圍內(nèi)，濕度傳感器的精度可達(dá)±5%RH，同時(shí)溫濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間均小于5秒，使得數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性得到保障。氣壓傳感器的測量范圍為500-1100hPa且精度為±1hPa，翻斗式雨量傳感器的分辨率則分為0.1mm與0.2mm,0.5mm三個(gè)等級，脈沖信號的傳輸延遲控制在10ms內(nèi)，確保降水量數(shù)據(jù)的采集不會出現(xiàn)明顯偏差。寬溫工作范圍覆蓋0℃至80℃，這類設(shè)計(jì)使設(shè)備能適應(yīng)不同地域的氣候環(huán)境，同時(shí)設(shè)備的通信接口支持4G、北斗與以太網(wǎng)等多種模式，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mbps且存儲容量能滿足10萬條以上數(shù)據(jù)的本地保存需求。

四．技術(shù)優(yōu)勢

氣象多要素監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在集成化、智能化與適應(yīng)性三個(gè)維度，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了這些優(yōu)勢的實(shí)際價(jià)值。系統(tǒng)將六類傳感器集成于一體化監(jiān)測終端，摒棄了傳統(tǒng)分散式監(jiān)測的布線復(fù)雜問題，同時(shí)終端搭載的邊緣計(jì)算芯片可對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)處理，剔除異常數(shù)值并降低云端數(shù)據(jù)處理的壓力。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，數(shù)據(jù)標(biāo)紅，使運(yùn)維人員能及時(shí)響應(yīng)環(huán)境異常情況。

五．應(yīng)用場景

氣象多要素監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用場景已覆蓋氣象服務(wù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)制造與城市治理等多個(gè)領(lǐng)域。

1.氣象部門通過布設(shè)監(jiān)測站網(wǎng)獲取區(qū)域氣象數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被納入數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型后，使預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率與空間分辨率得到顯著提升，尤其在暴雨、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣的預(yù)警中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2.智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域將溫濕度、降水量數(shù)據(jù)與作物生長模型結(jié)合，監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動通風(fēng)窗、灌溉設(shè)備等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在某蔬菜種植基地的應(yīng)用中，該模式使番茄的產(chǎn)量提升15%且病蟲害發(fā)生率有所降低 。

3.城市治理中，監(jiān)測數(shù)據(jù)為城市內(nèi)澇預(yù)警、空氣質(zhì)量管控提供依據(jù)，同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)也為城市綠化、交通調(diào)度等民生服務(wù)提供了決策支撐。

六．總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)與4G技術(shù)的深度融合，氣象多要素監(jiān)測技術(shù)正朝著超低功耗與多參數(shù)集成的方向發(fā)展，研發(fā)人員正在探索溫濕度、氣壓與VOC等參數(shù)的一體化監(jiān)測方案，同時(shí)傳感器的續(xù)航能力也在向5年以上的目標(biāo)邁進(jìn)。這類技術(shù)升級將進(jìn)一步拓展氣象監(jiān)測的應(yīng)用邊界，使環(huán)境感知的精細(xì)化程度持續(xù)提升，為社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展筑牢氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。