固体降水称重自动观测仪功能需求书.docx
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固体降水称重自动观测仪功能需求书
附件：
自动雪深观测仪功能需求书
（试验版）
中国气象局综合观测司
2010-9
1前言
1.1目的
目前我国气象部门对积雪深度以人工观测为主，存在时效性差、时空密度不足等诸多弊端，不能全面、连续反映积雪的变化过程。
为此，需要研制能够自动观测积雪深度变化的仪器，它既可以作为单独的传感器挂接在自动气象站上又可以作为观测仪独立使用，使观测结果客观化、观测资料连续化，减少台站观测人员的工作量，进一步提高观测质量和观测效率，为公众提供更多有价值的气象信息和观测产品。
研制自动雪深观测仪符合中国气象局《综合气象观测发展规划（2010-2015年）》要求，是可用于装备地面气象观测网，承担冬季降水量观测任务的自动化气象观测设备。
该仪器具有较高运行可靠性，能达到当前先进的雪深自动化观测水平，为冬季降水量预报和服务提供高质量的观测资料。
本功能需求书为试验版，主要针对采用测距（超声、激光）原理的积雪深度测量仪器，目的在于进一步规范测距式自动雪深观测仪研发和生产行为，为仪器设计定型和开展试验提供依据。
随着国内积雪深度测量技术的逐步发展，功能需求书还将进一步完善。
本功能需求书由中国气象局综合观测司委托中国气象局气象探测中心组织编写，修改权、解释权属于中国气象局综合观测司。
1.2适用范围
本功能需求书从技术和工程两个层面上规定了适用于在气象观测场内安装使用的测距式积雪深度自动观测仪在组成结构、功能、测量指标、采样算法、数据格式、供电电源、工作环境和设备安全可靠性等方面的要求，为设备制造单位提供设计和生产的依据。
1.3编写依据
本功能规格需求书参考国内外积雪深度测量技术发展情况，以及国内气象部门对雪深传感器的试验考核、试用的基础上，以下列文件资料为依据进行编写的：
1.世界气象组织《气象仪器和观测方法指南（第七版）》；
2.中国气象局《地面气象观测规范》（2003年）；
3.自动气象站质量控制程序指南（ETAWS-4，FinalReport，WMOCBS）
4.中国气象局《第二代自动气象站功能规格书》（2008年）
2组成结构
2.1概述
自动雪深观测仪基于测距原理设计，由硬件和软件组成。
其硬件可分成测距传感器、数据处理单元、通讯控制单元、供电控制单元和外围组件5个主要部分，结构特点是既可以与微机终端连接组成雪深测量系统也可以作为雪深智能传感器挂接在其它采集系统上；其软件可分成采集软件和业务软件两种。
设备组成见图1。
图1自动雪深观测仪结构框图
2.2测距传感器
测距传感器是利用发射的波束（光波、声波或电磁波）遇到障碍物反射回来的特性进行测量，主要有超声波传感器、激光传感器、红外传感器、雷达物位计等，目前在积雪深度测量方面应用较多的是超声波传感器和激光传感器。
2.2.1超声波传感器
超声波传感器由一个超声波激发电路、机械波发生器和一个超声波接收电路组成，实现电信号到超声波能量的转换，同时可以接收超声波在目标物上的反射回波，并转换成电信号。
采用时差法可计算出传感器到目标的距离，由于超声波受周围环境影响较大，所以必须通过温度补偿、数字滤波等技术提高测量准确性达毫米级。
2.2.2激光传感器
激光传感器由高稳定的激光发射器、接收器、前置控制器组成，采用相位法测距，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。
即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。
2.3数据处理单元
数据处理单元是自动雪深自动观测仪的关键部件。
主要功能是负责对测距传感器的激发控制、计算测量波速发送和接收的时差（或相位差），并对采样样本进行质量控制、数据运算处理、记录存储。
2.4通信控制单元
通信控制单元负责完成标准接口间的数据转换，带有标准RS232/485串行数据接口，通过将数据采集单元的观测数据和状态数据进行打包整理或接口转换，可以直接与已有的气象站或新一代自动气象站的智能数据接口连接，实现气象观测业务要求；也可以作为智能气象仪器，接入本地计算机或通过无线通讯技术，直接接入中心服务器，形成区域观测仪器。
2.5供电控制单元
供电控制单元负责为系统提供工作电源，通常使用蓄电池供电（直流9-16V），可使用交流或太阳能（风能等）对蓄电池进行充电。
2.6外围组件
其它相关硬件（测雪板、支架、气温测量组件等）统称为外围组件。
2.6.1测雪板
测雪板是保证雪深测量基准的依据，测雪板材质应不随温度变化而发生质变，无融雪效应，一般选择比热低的固体材质（例如：
PVC板材），整体平整，埋设后与地面齐平，测雪板几何中心正对上方的雪深传感器测量中心点，测雪板面积大小必须覆盖雪深传感器测量面。
2.6.2支架
支架用于固定雪深传感器，包括设备支撑杆、横臂（供超声波传感器使用）、传感器安装连接件、预埋件定位板和预埋件等。
支架高度可调，能满足传感器在不同高度范围内进行测量，使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和耐腐蚀涂层处理，通过预埋件或膨胀螺栓直接安装在混凝土基座（基础）上，通过调平螺栓可以调节仪器的水平度。
2.6.3气温测量组件（超声波测量必选）
气温测量组件主要用于测量空气温度，由温度传感器和通风防辐射罩组成，测量值供超声波传感器进行温度补偿计算。
安装和使用方法参考《地面气象观测规范》要求，并充分考虑到当地积雪深度情况。
2.7软件
2.7.1采集软件
采集软件具有采集单元的数据采集、数据处理、数据存储和数据输出功能。
2.7.2业务软件
业务软件用于处理自动雪深观测数据，是安装在终端微机中的应用软件。
业务软件需根据具体需求编制，本功能规格需求书仅规定数据输出格式。
3功能要求
3.1初始化
观测仪开机后，可对内部进行自检；观测员可通过终端微机对观测仪进行设置，包括观测站基本参数、传感器参数（初始高度）、通信参数、质量控制参数等；建立和运行观测任务。
3.2数据采样
数据处理单元每6秒从雪深传感器采样一个当前高度值，每分钟得到10个采样值（采样瞬时值）。
3.3数据处理
对每分钟内的采样值进行质量控制后，对通过质量控制的采样值求平均，输出当前分钟高度值，根据初始高度值和当前高度值计算得到积雪深度值，并对积雪深度值进行质量标示，计算出每分钟的积雪深度值（瞬时值）。
3.4数据存储
观测仪具有数据存储功能，数据存储使用滚动循环存储方式。
存储的数据内容为每分钟观测数据，包括：
采样时间、初始高度、当前高度、雪深、状态监控信息等。
存储的数据量不少于30天，数据存储器应具备掉电保存功能。
3.5数据传输
观测仪具有数据传输（数据传送、数据通信）的功能，既可以向外传送数据，也可以响应来自数据采集器或终端微机的输入命令。
采用RS-232（或RS-485）方式输出时，观测仪数据传输采用响应终端命令的方式。
3.5.1本地传输
终端微机与观测仪间的信号传输距离应不小于200m。
3.5.2远程通信传输
观测仪应具备通过无线或有线方式进行数据远程传输的功能。
3.6数据格式
由观测仪向终端电脑或数据采集器输出的每条分钟数据记录的数据总长度为60个字节，存储格式为ASCII码，由下表1所列内容组成，各项目之间用空格分隔，每个项目采用定长方式，长度不足高位补0。
表1 分钟数据记录格式
序号
项目
字节数
说明
1.
雪深数据识别符
2
SD
2.
标识
5
表示仪器和台站编号，可命令设置
3.
时间
12
数据采样的时间（年、月、日、时、分），格式示例：
201009081610
4.
初始高度
5
单位：
mm，传感器安装后距离基准面的垂直高度
5.
当前高度
5
单位：
mm，传感器距离被测面的垂直高度
6.
雪深
5
单位：
mm，积雪垂直深度
7.
雪深质量标识
1
按数据质量标识规定表示；
8.
数据处理单元
工作温度
4
单位：
℃，带1位小数，扩大10倍；
第1位为符号位，后3位为数据位；
9.
数据处理单元
工作电压
3
单位：
V，带1位小数，扩大10倍；
10.
附加项
6
扩展预留
11.
回车换行
2
注意：
高位不足，补0；以相同位数的“/”表示缺测。
3.7数据质量控制
为保证观测数据质量，雪深自动观测仪应具有数据质量控制功能，可对雪深数据的极值范围、允许变化速率等参数进行设置。
应对雪深数据是否经过数据质量控制以及质量控制的结果进行标识，数据质量控制标识应符合《第二代自动气象站功能规格书》的相关规定，摘录于表2。
表2 数据质量控制标识
标识代码值
描述
9
“没有检查”：
该变量没有经过任何质量控制检查。
0
“正确”：
数据没有超过给定界限。
1
“存疑”：
不可信的。
2
“错误”：
错误数据，已超过给定界限。
3
“不一致”：
一个或多个参数不一致；不同要素的关系不满足规定的标准。
4
“校验过的”：
原始数据标记为存疑、错误或不一致，后来利用其它检查程序确认为正确的。
8
“缺失”：
缺失数据。
N
没有传感器，无数据。
注：
对于瞬时气象值，若属采集器或通信原因引起数据缺测，在终端命令数据输出时直接给出缺失，相应质量控制标识为“8”；若有数据，质量控制判断为错误时，在终端命令数据输出时，其值仍给出，相应质量控制标识为“2”，但错误的数据不能参加后续相关计算或统计。
3.7.1采样瞬时值的质量控制
a）极限范围检查
一个“正确”的雪深采样瞬时值，应在传感器的测量范围内，未超出的标识“正确”；超出的标识“错误”。
其判断条件见表3。
表3 “正确”的雪深采样瞬时值的判断条件
气象变量
传感器测量范围下限
传感器测量范围上限
允许最大变化值
雪深
依照传感器指标确定下限和上限
10mm
b）瞬时气象值的计算
通过极限范围检查的雪深采样值数量达到2/3，可用于计算雪深瞬时值；若不足2/3，则当前雪深瞬时值标识为“缺失”。
3.7.2瞬时值的质量控制
a）极限范围检查
一个“正确”的雪深瞬时值，不能超出规定的界限，未超出的标识“正确”；超出的标识“错误”。
其判断条件见表4。
表4 “正确”的雪深瞬时值的判断条件
气象变量
下限
上限
存疑的变化速率
错误的变化速率
雪深
0mm
1500mm
20-60mm
>60mm
注：
表中“下限”、“上限”、“存疑的变化速率”和“错误的变化速率”的值都是可以根据季节和观测仪安装地的气候条件进行设置的。
b）变化速率检查
相邻两个雪深瞬时值的变化速率应在允许范围内。
若两者的差大于表4中“存疑的变化速率”，则当前雪深瞬时值标识为“存疑”；若两者的差大于表4中的“错误的变化速率”，则当前雪深瞬时值标识为“错误”。
3.8监控功能
观测仪具有以下监控功能：
Ø主板工作温度；
Ø主板工作电压；
Ø传感器数据状态，包括：
正常、不合格；
3.9时钟管理功能
当观测仪独立运行时，由实时时钟芯片提供系统时钟；当观测仪接入自动气象站时，由自动站为观测仪提供对时，保持时钟同步；当观测仪连接到业务软件时，由业务软件为观测仪提供对时，保持时钟同步。
3.10终端操作命令
终端电脑或数据采集器可向观测仪发送终端操作命令，完成设置仪器参数、读取采样数据等功能，命令主要包括以下两条：
Ø读取数据命令：
GMSD；
Ø读取/设置时间命令：
DATETIME；
3.10.1读取分钟数据命令
命令符：
GMSD
参数按如下四种方式给出：
Ø不带参数，下载观测仪所记录的最新分钟观测记录数
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