自動氣象站及其在中小學(xué)校園中的應(yīng)用

高迎新　任詠夏　管永基

簡單系統(tǒng)地介紹自動氣象站的結(jié)構(gòu)體系、工作原理、整機(jī)特點；通俗地闡述校園中自動氣象站建設(shè)的基本思路，自動氣象站在中小學(xué)校園中使用的總體構(gòu)想和方法、方式，并提出我國自動氣象站發(fā)展的前景。

自動氣象站是由電子設(shè)備或計算機(jī)控制的自動進(jìn)行氣象觀測和資料收集傳輸?shù)臍庀笳尽H上研制自動氣象站是從20世紀(jì)50年代初開始的，到50年代末，不少國家已經(jīng)有了第一代自動氣象站；60年代中期，第二代自動氣象站已經(jīng)能夠適應(yīng)各種比較嚴(yán)酷的氣候條件；到70年代，第三代自動氣象站大量采用集成電路等先進(jìn)的電子元件，使自動氣象站具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、記錄和傳輸能力，并逐步投入業(yè)務(wù)使用；到了90年代，自動氣象站已經(jīng)在許多發(fā)達(dá)國家得到迅速發(fā)展，并建成業(yè)務(wù)性自動觀測網(wǎng)。截至2007年，我國已經(jīng)有16 000多個臺站使用自動氣象站，并實現(xiàn)組網(wǎng)。目前，已經(jīng)有更多的自動氣象站在氣象業(yè)務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用。

自動氣象站的體系結(jié)構(gòu)和工作原理

自動氣象站的種類很多，但不管是哪一種，它們的體系結(jié)構(gòu)和工作原理都是大致相同的。

自動氣象站的體系結(jié)構(gòu)自動氣象站一般由傳感器、變換器、數(shù)據(jù)處理裝置、資料發(fā)送裝置、系統(tǒng)電源等部分組成。1）傳感器是一種檢驗測量的裝置，它能感受到被測量的信息，并能將檢測感受得到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出；2）變換器是將傳感器感應(yīng)的氣象參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號（比如電壓、電流、頻率等）；3）數(shù)據(jù)處理裝置則將對這些電信號進(jìn)行處理，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的氣象要素值，經(jīng)過處理的氣象要素數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式編排；4）資料發(fā)送裝置用有線或無線方式傳給用戶，或存貯在介質(zhì)上，由用戶定期回收；5）系統(tǒng)電源是為氣象站正常工作提供動力的，在野外通常使用太陽能電池。

自動氣象站整個系統(tǒng)由一部微機(jī)自動管理。其觀測的項目通常為氣壓、氣溫、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等基本氣象要素，經(jīng)擴(kuò)充后還可測量其他要素。自動氣象站可以連續(xù)測量氣壓、氣溫、地溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、輻射等氣象要素。由計算機(jī)業(yè)務(wù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示和打印報表，并實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的存儲、上傳和查詢。

自動氣象站的工作原理自動氣象站的各個傳感器的感應(yīng)元件隨著氣象要素值的變化，使得相應(yīng)傳感器輸出的電量產(chǎn)生變化，這種變化由CPU實時控制的數(shù)據(jù)采集器所采集，進(jìn)行線性化和定標(biāo)處理，實現(xiàn)工程量到要素量的轉(zhuǎn)換；對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制；通過預(yù)處理后，得出各個氣象要素的實測值。

配有終端微機(jī)的自動氣象站，可以實時按設(shè)定的菜單將氣象要素實測值顯示在微機(jī)屏幕上。在定時觀測時刻，數(shù)據(jù)采集器中的觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C(jī)進(jìn)行計算處理后，按設(shè)定的菜單顯示在微機(jī)屏幕上，并按統(tǒng)一的格式生成數(shù)據(jù)文件。同時，還可以按規(guī)定生成各種氣象報告；對觀測資料進(jìn)一步加工處理后，生成全月數(shù)據(jù)文件，利用配備的打印機(jī)打印輸出氣象記錄報表。

自動氣象站在校園中使用的歷史和形式

自動氣象站在校園中使用的歷史并不久遠(yuǎn)。世界上最先把自動氣象站引進(jìn)校園的是我國臺灣省的臺北市政府教育局。1992年12月，臺北市政府教育局率先在臺北市12個區(qū)的60所中小學(xué)采用美國Davis Instrument公司的Vantage Pro Plus整合套件機(jī)型的自動氣象站，并組成全球領(lǐng)先的微觀（micro）氣象網(wǎng)，總稱為“臺北校園氣象臺”。這60所學(xué)校的校園氣象站既是一個組合的整體校園氣象網(wǎng)，也是各自獨立的校園地面氣象自動觀測站，在自己學(xué)校的網(wǎng)頁上顯示校內(nèi)天氣變化狀況。同時各校校園氣象站也會將每天的觀測資料送至臺北市校園氣象網(wǎng)。在這集中型的氣象網(wǎng)中，網(wǎng)站的瀏覽者除了分別看到60所學(xué)校所收集的實時或歷史的氣象資料，也可以同時看到60所學(xué)校在同一時間內(nèi)所收集到的特定氣象要素數(shù)據(jù)。

其次是“香港聯(lián)校氣象網(wǎng)”。該網(wǎng)是2004年12月在香港天文臺的指導(dǎo)和實際操作下，由香港新界翁佑中學(xué)發(fā)起，香港地區(qū)30多所學(xué)校響應(yīng)參加所組成的。這30多所中小學(xué)都統(tǒng)一安裝了自動氣象站，由香港天文臺、香港城市大學(xué)大氣實驗室統(tǒng)一集中，每天收集各校地面氣象自動觀測站所獲取的氣象數(shù)據(jù)，通過專門網(wǎng)頁公示。同時定時組織成員學(xué)校聯(lián)合開展一系列氣象科學(xué)探究活動。

第三是北京數(shù)字氣象網(wǎng)。2007年初，由北京市氣象局牽頭組織海淀區(qū)8所中小學(xué)安裝地面氣象自動觀測站，并編寫統(tǒng)一的氣象科學(xué)教育校本教材，進(jìn)行共同的氣象科學(xué)教育與氣象科技探究活動。

目前，世界各國和我國各地已經(jīng)有相當(dāng)多的中小學(xué)校園引進(jìn)安裝自動氣象站，并以單站獨立和集中組網(wǎng)2種形式活躍在中小學(xué)校園中。

自動氣象站在中小學(xué)校園中的運用

與地面氣象人工觀測站相較，中小學(xué)校園中的自動氣象站省略了人工觀測這一環(huán)節(jié)，使學(xué)生失去動手、科學(xué)實踐、技能訓(xùn)練等機(jī)會。但在信息技術(shù)高度發(fā)展的今天，自動氣象站以自己獨特的身姿與方式，在中小學(xué)校園參與了學(xué)校中的科技教育和學(xué)生的科技活動。

校園氣象觀測自動氣象站的校園觀測，就是要求學(xué)校中的氣象科技活動小組，按照定時觀測規(guī)定的時間，每天定時將上位計算機(jī)上的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。并將觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理，繪制成圖表或編制成報表，形成資料供氣象科技活動與科學(xué)探究時用。這與地面氣象人工觀測活動的后半部分程序是完全相同的。

制作校園氣象網(wǎng)頁每一個建有自動氣象站的學(xué)校，都必須在自己學(xué)校的局域網(wǎng)上建立“校園氣象網(wǎng)頁”。網(wǎng)頁設(shè)計的界面應(yīng)該包括如下內(nèi)容：氣象站介紹、實時天氣信息、氣象資料查找、氣象圖表繪制、教學(xué)活動設(shè)計、氣象科技活動、天氣預(yù)報、氣象資源、氣象科普、友情鏈接等欄目。

中小學(xué)中的校園氣象網(wǎng)頁，可以是所在學(xué)校大網(wǎng)頁中的一個欄目。該欄目點進(jìn)去以后，又引申出上述內(nèi)容板塊。也可以是該學(xué)校氣象頻道的專門網(wǎng)頁，網(wǎng)頁中也包括上述內(nèi)容板塊。

校園氣象網(wǎng)頁建好后，應(yīng)該由學(xué)校的氣象小組管理后臺的全面工作，并負(fù)責(zé)掌握后臺，如經(jīng)常增加發(fā)布新內(nèi)容、更換老內(nèi)容等。

根據(jù)教科書內(nèi)容進(jìn)行探究中小學(xué)不少學(xué)科中都有氣象科學(xué)知識的教學(xué)內(nèi)容，針對教學(xué)內(nèi)容，可以進(jìn)行若干探究活動。如語文學(xué)科中的《看云識天氣》一文，在進(jìn)行教學(xué)時，可以進(jìn)行如下步驟的設(shè)計：1）闡述意義引起動機(jī)；2）提出問題形成探究；3）網(wǎng)絡(luò)搜索相關(guān)知識；4）實際觀測作出準(zhǔn)備；5）從校園自動氣象站中獲取氣象數(shù)據(jù)，驗證；6）網(wǎng)絡(luò)討論總結(jié)反思，寫成日志并上傳作品，供大家分享。其他學(xué)科的相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容也可以進(jìn)行類似的探究。

設(shè)計主題進(jìn)行科學(xué)探究氣象科學(xué)有無窮無盡的主題可以供中小學(xué)生用來進(jìn)行科學(xué)探究。但在實施探究活動之前必須事先對活動的主題進(jìn)行設(shè)計。如“風(fēng)”的探究：探究主題——風(fēng)的變化原因；探究過程——在自動氣象站的網(wǎng)頁上截取風(fēng)力變化比較顯著的時間段，畫出風(fēng)力變化曲線圖；同時在網(wǎng)頁上從相同時間段中，找出影響風(fēng)力變化的相關(guān)氣象要素的變化情況，諸如氣壓、溫度等，也畫出其變化曲線圖；將幾個氣象要素進(jìn)行對比；得出結(jié)論——影響風(fēng)力變化的原因是……

進(jìn)行網(wǎng)上氣象科學(xué)實驗運用現(xiàn)代化信息技術(shù)工具，利用自動氣象站提供的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行氣象科學(xué)實驗。如：在自動氣象站網(wǎng)頁上制作單站天氣預(yù)報，繪制臺風(fēng)發(fā)展、移動、登陸、消失路線圖，繪制周、旬、月降水量曲線圖或柱狀圖等。

除上述應(yīng)用外，還可以在自動氣象站的網(wǎng)頁上進(jìn)行很多氣象科技活動。

自動氣象站在中小學(xué)校園中的發(fā)展前景

氣象站進(jìn)入校園是20世紀(jì)30年代由竺可楨先生提出，并率先在他任教的東南大學(xué)校園中創(chuàng)建。而后，我國中小學(xué)的校園中也曾建立過不少氣象站。新中國成立后，黨和人民政府非常重視中小學(xué)的氣象科學(xué)教育與普及，因此，校園氣象站猶如雨后春筍，在共和國的中小學(xué)校園中紛紛建立。20世紀(jì)六七十年代，上海市的楊浦區(qū)就有70%的中小學(xué)都曾建立過校園氣象站。校園氣象站不但在我國中小學(xué)的教育與教學(xué)中發(fā)揮巨大作用，而且還為我國社會主義科學(xué)人才的培養(yǎng)作出輝煌貢獻(xiàn)，并且在中小學(xué)的校園中形成一道蔚為壯觀的靚麗風(fēng)景。

隨著我國教育改革的不斷深入和蓬勃發(fā)展，校園氣象站作為進(jìn)一步貫徹落實黨中央、國務(wù)院“科教興國”戰(zhàn)略和對中小學(xué)生實施“科技教育”的載體與平臺，它更是一展豐姿，充分展現(xiàn)了它獨特的個性和多面體的三維作用。同時，經(jīng)過近80年的運轉(zhuǎn)與發(fā)展，我國校園氣象站的內(nèi)在機(jī)制功能不斷提高和完善，結(jié)構(gòu)格局也不斷更新發(fā)展。目前，我國校園氣象站基本上形成地面氣象人工觀測站、地面氣象自動觀測站和地面氣象綜合觀測站、大型校園氣象站等4大規(guī)模結(jié)構(gòu)格局。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和國家對教育裝備逐年加大投入，自動氣象站進(jìn)入校園的機(jī)率越來越大。因為自動氣象站既符合現(xiàn)代化教育裝備的智能化、微型化等要求，而且還具備安裝簡單、使用方便、維護(hù)便捷以及價格低廉、外型美觀等特點，特別是自動氣象站還具備網(wǎng)絡(luò)鏈接和自動觀測、處理數(shù)據(jù)、編輯報表及天氣預(yù)報等功能。目前，自動氣象站在國內(nèi)外中的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍，所以要在中小學(xué)中開展氣象科學(xué)教育和氣象科技活動，應(yīng)該首先購買和安裝自動氣象站。

（作者：1 北京市氣象臺辦公室主任、北京市氣象科普館館長；2 浙江省溫州市第十四中學(xué)教師； 3 北京米特技術(shù)發(fā)展有限公司高級工程師）