淺談區(qū)域站現(xiàn)場核查及改進(jìn)創(chuàng)新

李四維，賀中華，韓 波，郭黎明，張 敏

（湖南省衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001）

觀測資料是氣象部門開展天氣預(yù)報、氣候預(yù)測、科學(xué)研究及各類氣象服務(wù)的基礎(chǔ)，若要提高氣象預(yù)報的準(zhǔn)確率和精細(xì)化水平，提高災(zāi)害監(jiān)測及防災(zāi)減災(zāi)的能力，就必須對觀測數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確度有嚴(yán)格的要求。為了提供準(zhǔn)確的氣象觀測數(shù)據(jù)，需要保證區(qū)域自動氣象站能良好穩(wěn)定地運行。日常工作中，通過巡檢、維護(hù)、維修來保證區(qū)域自動氣象站觀測設(shè)備的正常運行，但是這并不能確保氣象站探測各氣象要素的傳感器能準(zhǔn)確測量。在長年累月的使用中，各氣象要素探測設(shè)備由于誤差過大導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)等情況時有發(fā)生，這就需要對其進(jìn)行現(xiàn)場核查，對各類傳感器進(jìn)行標(biāo)校矯正或更換讀數(shù)準(zhǔn)確的新設(shè)備，以保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可用性[1-2]。因此，區(qū)域自動氣象站的核查標(biāo)校工作至關(guān)重要，不可或缺。如今，區(qū)域站核查在全國各地都有開展，也有很多專家對核查發(fā)表看法，但仍有部分問題亟待解決。本文以衡陽市區(qū)域站現(xiàn)場核查經(jīng)歷為基礎(chǔ)，對核查相關(guān)經(jīng)驗和改進(jìn)創(chuàng)新進(jìn)行簡要論述，希望能給讀者帶來一點參考。

1 區(qū)域自動氣象站外觀檢查

依據(jù)中國氣象局綜合觀測司《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法（2017年試行）》的要求，對自動站溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓和雨量六個要素傳感器進(jìn)行核查，其中，核查不合格的雨量傳感器可進(jìn)行現(xiàn)場校正，其他不合格的傳感器則需進(jìn)行備件更換。在對各要素傳感器進(jìn)行核查前，需對傳感器的外觀做一個初步的檢查。若被核查傳感器結(jié)構(gòu)、部件均完好，則開始進(jìn)行下一步的核查工作，否則傳感器核查不合格。

常用的溫度傳感器有DHC1型溫濕一體傳感器和WZP1型溫度傳感器。根據(jù)核查經(jīng)驗，DHC1型溫濕一體傳感器被放置在百葉箱溫濕度支架上，核查前應(yīng)重點檢查該傳感器的頂端探頭是否歪斜、損壞或脫落，是否有污漬覆蓋；溫度、濕度線是否破損，是否與接線排正常連接。而WZP1型溫度傳感器通常被放置在松塔型的保護(hù)罩內(nèi)，常用木塞作為支架進(jìn)行支撐，較為簡陋，在檢查的時候應(yīng)對衛(wèi)生清潔尤為注意，并及時對損壞的木塞進(jìn)行更換。

風(fēng)速、風(fēng)向傳感器核查前，檢查主要集中在傳感器的指北標(biāo)識，轉(zhuǎn)軸的潤滑程度，以及風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)的破損情況上。根據(jù)多年來的核查情況，風(fēng)向傳感器的指北標(biāo)識普遍存有問題。指北標(biāo)識是印在傳感器上的，經(jīng)年累月的風(fēng)吹雨打，標(biāo)識都模糊不清了。針對這種情況，可以在標(biāo)識上刻線，增加其辨識度，同時也向廠家提出相關(guān)建議進(jìn)行改進(jìn)。風(fēng)速、風(fēng)向傳感器用久了會因灰塵堆積、自然腐蝕等導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸易卡頓，用潤滑劑進(jìn)行清潔可有效解決這個問題。如圖1所示。

圖1 風(fēng)向傳感器的指北標(biāo)識模糊不清

核查前的檢查中，雨量傳感器的檢查尤為重要且煩瑣。雨量筒的器口水平情況、翻斗的靈活程度、水流通道的暢通情況和外殼的接地電阻等都需要進(jìn)行詳細(xì)的檢查，并且必須對雨量筒進(jìn)行全面且細(xì)致的清理，這是一項不可或缺的重要工作。它能避免翻斗卡頓，漏斗出水口異物堵塞，雨水少流或不能流入計數(shù)翻斗等情況的發(fā)生，使接下來的雨量核查工作更具有針對性和代表性。

2 區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查及標(biāo)校

2.1 雨量核查及標(biāo)校

自動站常見的雨量傳感器為上海氣象儀器廠生產(chǎn)的SL3-1雙翻斗雨量傳感器和天津氣象儀器廠生產(chǎn)的SL2-1單翻斗雨量傳感器，使用的現(xiàn)場核查裝置為JJS2型雨量校準(zhǔn)儀如圖2所示。該裝置根據(jù)雨量傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)規(guī)范，對雨量傳感器分別進(jìn)行1 mm/min和4 mm/min雨強的雨量標(biāo)定。每種雨強的測量誤差平均值在±4%以內(nèi)則雨量傳感器核查合格，否則需對雨量傳感器進(jìn)行現(xiàn)場校正[3-4]。

圖2 JJS2型雨量校準(zhǔn)儀

以SL3-1雙翻斗雨量傳感器為例，若核查不合格，將通過雨量筒基點調(diào)整對雨量傳感器進(jìn)行校正。雨量筒的基點調(diào)整過程在諸多文章里都有詳細(xì)敘述，這里不再多作說明。在此，主要談?wù)撚炅客驳母苫晒軉栴}。

在核查過程中，雨量干簧管問題導(dǎo)致的核查不合格情況十分常見。一是干簧管的金屬連接部分受溫度影響較大，導(dǎo)致干簧管的玻璃封裝管熱脹冷縮、壓力過大，經(jīng)常性破裂受損。受損后的干簧管因漏氣（氮氣）且接觸外部空氣，開關(guān)觸點氧化，易失效，從而影響雨量筒的降水計數(shù)。如圖3所示。

圖3 干簧管

二是干簧管的安裝。干簧管采用雙管工作模式，這對其焊接安裝的操作具有一定的要求。在過往的維護(hù)、維修過程中，工作人員在野外或沒有交流供電的條件下進(jìn)行焊接，不能保證雙管簧片的水平位置及垂直位置恰到好處。干簧管的位置偏移，會對降水計數(shù)帶來影響。

干簧管帶來的雨量核查不合格問題，通常解決方案就是更換干簧管或者重新焊接干簧管。但在野外條件不便的情況下，進(jìn)行干簧管更換、焊接，操作煩瑣復(fù)雜，且更換后的干簧管使用壽命也不長。針對上述情況，對干簧管進(jìn)行了改進(jìn)，如圖4所示。改進(jìn)后的干簧管部件是將干簧管焊接在環(huán)氧樹脂板上，再通過環(huán)氧樹脂板與外圍的金屬裝置連接。因為環(huán)氧樹脂板受溫度影響較小，不易造成拉伸變形，所以可保證干簧管長期處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。同時，干簧管兩端的引腳盡可能地縮短（在實際運用中，干簧管兩端引腳分別不超過5 mm），將金屬部分的熱漲冷縮效應(yīng)降到最小，盡可能地延長干簧管的使用壽命。干簧管的更換安裝也變得更為簡單快捷，在野外和沒有交流供電的條件下，無需焊接便能輕松進(jìn)行干簧管更換。

圖4 改進(jìn)后的干簧管

而SL2-1單翻斗雨量傳感器更容易堵塞，單翻斗的磁鋼體積設(shè)計偏小，易失磁，與干簧管的距離易變化，不好掌握，容易引起降水計數(shù)誤差，這使得SL2-1單翻斗雨量傳感器的故障率比SL3-1雙翻斗雨量傳感器高得多。SL2-1雨量筒黑色的雨量翻斗盒為塑料制品，時間長了會有不同程度的變形，其與綠色雨量板或其他組件就不能很好地吻合，如圖5所示，易造成計數(shù)誤差，從而導(dǎo)致核查不合格。同時，SL2-1雨量筒標(biāo)校調(diào)試的難度和精度要求都不好把握，加大了該雨量筒校正工作的難度。綜上所述，SL2-1雨量傳感器準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都不高，從實際應(yīng)用方面來看，選用不銹鋼鋼架結(jié)構(gòu)的SL3-1雙翻斗雨量筒更為適宜。

圖5 雨量板與變形的雨量翻斗盒不在一個水平位置

最后，在雨量核查方面，筆者提出一個建議。以往對站點的雨量核查，都是在站點雨量出現(xiàn)明顯故障后，或者按中國氣象局要求進(jìn)行每年一次的站點核查時，才到站點進(jìn)行現(xiàn)場雨量核查。而核查結(jié)果，基于以往的雨量維護(hù)校準(zhǔn)（進(jìn)行過雨量筒基點調(diào)整），問題多半出在干簧管。基于衡陽的雨量維護(hù)維修情況，干簧管的故障率高達(dá)32%，如果等出了問題再進(jìn)行干簧管的更換就會很被動。所以應(yīng)當(dāng)制定相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用管理規(guī)范，定期對站點雨量筒干簧管進(jìn)行更換，這樣可以主動減少由干簧管造成的雨量故障。衡陽市的實踐情況也表明，定期更換干簧管，可以大大減少雨量筒故障的發(fā)生。

2.2 氣壓核查

氣壓核查裝置是YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器，將氣壓傳感器與氣壓發(fā)生器相連接，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對其進(jìn)行各個氣壓參照點的測試。獲得的氣壓誤差值不大于±0.3 hPa，則被核查的氣壓傳感器符合要求，反之需進(jìn)行更換。

核查氣壓的過程中，需注意氣壓傳感器的參數(shù)設(shè)置。不同型號的氣壓傳感器和采集器，就會有不同的參數(shù)，如果參數(shù)設(shè)置不正確則無法進(jìn)行氣壓核查。經(jīng)過反復(fù)試驗，將一些常見的氣壓傳感器參數(shù)設(shè)置歸納總結(jié)，如表1所示（參數(shù)分別為波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位）。

表1 常見氣壓傳感器參數(shù)

若核查剛出廠的氣壓傳感器，則需設(shè)置其出廠的默認(rèn)參數(shù)。衡陽市常用的氣壓傳感器型號為PTB220和PTB330，它們的出廠參數(shù)為4800、E、7、1。

2.3 溫濕度核查

溫度核查儀器為RTC158溫度校準(zhǔn)儀（干體爐）和TM-3022T兩通道標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度表。干體爐負(fù)責(zé)為溫度標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測傳感器提供一個溫度穩(wěn)定的溫度場。TM-3022T鉑電阻溫度表精密顯示標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器的溫度數(shù)值，被測溫度傳感器的溫度通過采集器讀取。兩者溫度誤差不大于±0.2℃，則被核查的溫度傳感器合格，反之需進(jìn)行更換。溫度核查耗時頗長，在進(jìn)行現(xiàn)場核查操作時應(yīng)注意合理安排時間，在溫度核查完后，需將干體爐溫度調(diào)至環(huán)境溫度。

核查濕度的裝置為JDS505濕度發(fā)生器。它通過控制系統(tǒng)在腔室中交替注射干燥氣體和飽和氣體來維持一個穩(wěn)定的濕度環(huán)境。將標(biāo)準(zhǔn)濕度傳感器與被核查的DHC1溫濕一體傳感器同時插入具有穩(wěn)定濕度環(huán)境的濕度發(fā)生器腔室中，獲取二者的濕度誤差平均值。當(dāng)濕度誤差不大于±3%，則被測傳感器合格，反之核查不合格。

在濕度現(xiàn)場核查的經(jīng)歷中，曾多次出現(xiàn)過濕度發(fā)生器無法成功模擬所需的濕度環(huán)境致使?jié)穸群瞬闊o法進(jìn)行的情況。經(jīng)過排查，原因有二：一是干燥劑失去效用，無法吸收腔室中的水汽；二是注入的蒸餾水過多，已超出其最大限度。若檢查到干燥劑失效變色，需重新更換干燥劑；若干燥劑正常，儀器接線也正常，則可能是蒸餾水過多的問題，此時需關(guān)閉濕度發(fā)生器電源，用注射器將蒸餾水吸出，對發(fā)生器進(jìn)行晾干，待儀器腔室干燥后再進(jìn)行使用。

2.4 風(fēng)速風(fēng)向核查

風(fēng)速傳感器通常使用天津氣象儀器廠的EL15-1C風(fēng)速傳感器。在對風(fēng)速進(jìn)行核查前，首先需用JJE2起動風(fēng)速檢驗儀測試該傳感器的起動特性。使用該儀器時應(yīng)注意儀器水平，若被核查的風(fēng)速傳感器起動風(fēng)速值不大于0.5 m/s，將繼續(xù)風(fēng)速的核查，反之核查不合格。風(fēng)速核查裝置為JJE3型風(fēng)速檢驗儀，其核查差值應(yīng)不大于±（0.5 m/s+0.03 V）（V為指示風(fēng)速值），超過則判定傳感器核查不合格，需送廠家校正。

風(fēng)向傳感器常見為天津氣象儀器廠的EL15-2C風(fēng)向傳感器，用JJE10風(fēng)向校驗儀對其進(jìn)行核查，得到的風(fēng)向誤差應(yīng)不大于±5°，否則需對傳感器進(jìn)行更換。

2.5 核查注意事項

多次核查實踐后總結(jié)了一些注意事項[5-7]。帶齊各項工具，尤其是圍欄，機箱，百葉箱的鑰匙，各個大小型號的螺絲刀及除草設(shè)備。此外，還應(yīng)自備蒸餾水一桶用于濕度核查，不少于5 L的自來水一桶用于雨量核查，注意防蛇、防蟲。最重要的是帶好工作臺及遮陽布（傘），如圖6所示，工作臺提供了安全、平整的良好核查環(huán)境，而遮陽布（傘）可以有效避免太陽對核查儀器的直射，保證了核查結(jié)果的可信度。

圖6 工作臺與遮陽傘

3 建議

區(qū)域站核查標(biāo)校保證了氣象儀器探測的準(zhǔn)確度和資料信息的可信度。針對區(qū)域站核查標(biāo)校的應(yīng)用與發(fā)展，筆者提出幾點建議，希望能為解決核查實際問題起到一定的啟示作用。

1）定期進(jìn)行雨量筒核查校準(zhǔn)，定期進(jìn)行雨量筒干簧管的更換，主動降低雨量筒故障發(fā)生率。

2）保證探測設(shè)備的核查、校正和備件更換這三個階段的無縫對接，妥善處理核查期間探測設(shè)備數(shù)據(jù)缺測、測試數(shù)據(jù)誤上傳等問題。

3）定期對核查設(shè)備進(jìn)行返廠檢定，注意設(shè)備的良好護(hù)養(yǎng)、規(guī)范管理及科學(xué)使用。