附录1海洋气象浮标观测站功能需求书.docx
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附录1海洋气象浮标观测站功能需求书
附录1海洋气象浮标观测站功能需求书
1概述
1.1本功能需求书的目的
本功能需求书提出海洋气象浮标观测站的基本功能、技术性能和安装运行环境方面的主要要求，明确了数据传送的方式和文件格式，以作为设备生产、采购和运行保障的依据。
1.2本功能需求书的范围
本功能需求书仅是针对气象部门为获取海上气象水文资料，布设在近海海域的海洋气象浮标观测站提出的主要功能需求要求。
1.3编写依据
⑴中国气象局《地面气象观测规范》
⑵WMOCIMO《气象仪器和观测方法指南（第六版）》
⑶《GB/T12763.1—2007第1部分总则》
⑷《GB/T12763.2—2007第2部分海洋水文观测》
⑸《GB/T12763.3—2007第3部分海洋气象观测》
⑹《GB5696—1999中国海区水上助航标志》
⑺《GB/T13972—1992海洋水文观测仪器通用技术条件》
⑻《HY/T059—2002海洋站自动化观测通用技术要求》
2海洋气象浮标观测站概述
海洋气象浮标观测站是布设在近海海域用于获取海上气象水文观测资料的大型综合性观测设备。
海洋气象浮标观测站将定时提供气压、温度、湿度、风向、风速、海水温盐度、浪高、海水流向、流速等海上气象水文资料，增强对近海海域灾害性天气和气候变化的预测预警能力。
2.1海洋气象浮标观测站的基本构成
海洋气象浮标观测站由浮标体和系泊系统、自动观测设备和供电设备组成。
浮标体和系泊系统是一套用锚系将浮标体固定漂浮在海面上用于安装自动观测设备的钢体平台；
自动观测设备是一个安装在浮标体上自动完成海上气象水文观测的自动气象站；
供电设备是为海洋气象浮标监测站提供工作电源的设备。
2.2海洋气象浮标观测站的基本性能
⑴有牢固的浮标体和系泊系统；
⑵具有自动测定气温、相对湿度、气压、风向、风速和海面温度、海水盐度、海浪高、海浪周期、海水流向、流速的能力，根据需要可增加能见度自动观测；
⑶使用太阳能电池板蓄电池直流供电，蓄电池容量能保证维持当地连续阴雨天气时海洋气象浮标监测站正常运行；
⑷能实时存储和定时传送观测资料；
⑸能在布放海区极限海况条件下长期无人值守连续正常工作,维护间隔一般不短于1年；
⑹应具有在至少半年内防生物附着能力和至少3年的防腐蚀能力；
⑺具有报告其工作状态和位置的能力；
⑻应具有夜间灯光显示装置和雷达波反射装置。
⑼要素观测方法符合地面气象观测规范和海洋调查规范的有关规定和要求。
3浮标体和锚系的结构和基本要求
3.1浮标体和锚系的结构
浮标体为圆饼形（下部收缩呈碗底状），直径分为3m和10m两种规格，上层为安装设备的支架。
装有锚灯、雷达波反射装置和避雷针。
锚系为单点系泊全链式。
3.2浮标体和锚系的基本要求
浮标体和锚系的基本要求如下表：
参数
小型浮标
大型浮标
浮标体直径
3m
10m
型深
1m
2.2m
吃水
＜0.5m
＜1m
排水量
≥2t
≥50t
横摇角
＜30°
＜30°
稳性恒准数
＞1
＞1
工作水深
≤100m
≤200m
浮体结构
饼形结构；四周的浮力舱围着中心的仪器和电池舱；外围有防撞圈。
上部建筑
2m高金属支架；避雷针；雷达波反射装置；橙色锚灯。
8m高圆柱支架；避雷针；雷达波反射装置；橙色锚灯。
系泊
单点
单点
锚系
全链式
全链式（浅海）链缆混合式（深海）
寿命
＞5年
＞5年
4自动观测设备
4.1自动观测设备的组成结构
海洋气象浮标监测站安装的自动观测设备由测量传感器、数据采集器、通信传输单元、浮标检测设备组成。
海洋气象浮标监测站自动观测设备组成设备示意图
4.2自动观测设备的一般要求
4.2.1传感器的一般要求
⑴选用的传感器应是已定型的成熟产品；
⑵为减小浮标站的功耗，应尽量选用低功耗传感器；
⑶选用的传感器应适用于海上气候环境条件；
⑷传感器的检定周期应不小于1年，湿度传感器可半年做一次现场标校。
4.2.2采集器的一般要求
⑴具有数据采集、处理、存储、质量控制、状态监控、传输功能；
⑵有不少于8个传感器连接口（模拟口和数字口）；
⑶配置不少于3个以上的RS-232接口，一个用于扩接能见度仪，一个接通信模块，一个用于做系统维护检测时接浮标检测设备；
⑷按规定的采集算法要求定时采集各个传感器的电信号并计算处理成各气象和海洋水文要素观测值，完成数据质量控制；
⑸形成规定数据文件定时发送到中心接收站，并同时在采集器内存储；
⑹数据文件内容包括观测数据、设备状态数据和浮标状态数据；
⑺采集器应能存储1个月以上的所有观测数据。
4.2.3通信设备的一般要求
⑴定时（一般每小时正点）向中心接收站传送浮标站的数据文件；
⑵中心接收站可通过命令方式实时调用浮标站的数据文件；
⑶可首选GPRS通信方式进行数据文件的定时传送；
⑷在GPRS不能覆盖区域，可选用北斗或风云2号卫星DCP方式；
⑸定时传送时间间隔最短可设定为30分钟；
⑹实时传送报警信号。
4.2.4设备状态检测一般要求
⑴用于设备调试和维修时对浮标站做以下检测：
①检查和设置系统参数；
②检测传感器；
③检测存储器；
④检测通信传输；
⑤检测硬件设备
⑵根据检测数据对系统进行故障分析和诊断
4.3自动观测设备测量性能要求
4.3.1气压
测量1分钟的平均气压
测量范围：
800hpa～1100hpa
分辨率：
0.1hpa
准确度：
±0.3hpa
4.3.2气温
测量1分钟平均气温
测量范围：
－25℃～＋50℃
分辨率：
0.1℃
准确度：
±0.2℃
4.3.3相对湿度
测量1分钟平均相对湿度
测量范围：
20﹪～100﹪RH
分辨率：
1﹪
准确度：
±3﹪RH（≤80﹪）；±5﹪RH（＞80﹪）
4.3.4风向
测量3秒钟、1分钟、2分钟、10分钟平均风向
测量范围：
0°～360°
起动风速：
1.0m/s
分辨率：
3°
准确度：
±5°
4.3.5风速
测量3秒钟、10分钟滑动平均风速，1分钟、2分钟平均风速
测量范围：
0～90m/s
起动风速：
1.0m/s
分辨率：
0.1m/s
准确度：
±10﹪
4.3.6表层海水温度
测量1分钟平均海面水温
测量范围：
－5℃～＋40℃
分辨率：
0.1℃
准确度：
±0.2℃
4.3.7表层海水盐度
测量1分钟平均海水盐度
测量范围：
2～40
分辨率：
0.01
准确度：
±0.05
4.3.8波浪
⑴波高
测量范围：
0.5～15m
分辨率：
1cm
准确度：
±10﹪
⑵波高对应的周期
测量范围：
3～30s
分辨率：
0.1s
准确度：
±0.5s
4.3.9表层海流
⑴流速
测量范围：
0～300cm/s
分辨率：
0.3cm/s
准确度：
±0.5cm/s
⑵流向
测量范围：
0～360°
分辨率：
0.35°
准确度：
±5°
4.4观测要素的采样算法
4.4.1观测要素采样的顺序
采集器按气温、湿度、风向、风速、气压、能见度、海水温盐、波浪、海流的次序对各要素进行采样。
如其中有不需的要素时，其采样次序依次由后向前递升。
4.4.2观测要素采样的频率
⑴气温、湿度、气压的采样频率为每10秒钟1次。
⑵风向、风速采样频率为每秒钟1次。
⑶海水温度和盐度采样频率为每3秒钟1次。
⑷波浪采集频率每3秒钟1次（可提高至每秒2次）。
⑸海流的采样频率为每3秒钟1次（可提高至每秒1次）。
4.4.3要素观测值计算方法
4.4.3.1算术平均计算公式
式中：
——平均时段内气象变量的平均值；
——平均时段内第
个气象变量的采样瞬时值（样本），其中，“错误”、“可疑”等非“正确”的样本应丢弃而不用于计算，即令
；
N——平均时段内的样本总数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定；
——平均时段内“正确”的样本数（
）。
4.4.4.3.2滑动平均计算公式
4.4.3.3单位矢量平均计算公式
式中：
——观测时段内的平均风向。
——观测时段内第
个风矢量的幅角（与y轴的夹角）。
——观测时段内单位矢量在x轴（西东方向）上的平均分量。
——观测时段内单位矢量在y轴（南北方向）上的平均分量。
——观测时段内的样本数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定。
平均风向的修正：
应根据
，对
进行修正。
，
无需修正。
，
加180°。
4.4.3.4气温、湿度、气压、海水温度和盐度观测值计算方法
⑴气温、湿度、气压、海水温度和盐度计算1分钟算术平均值为该观测要素的瞬时值。
即1分钟内6个采样值去除1个最大和1个最小值后，余下4个采样值求算术平均值。
⑵从瞬时值中挑取所需时段内的极值。
4.4.3.5风向、风速观测值的计算方法
⑴3秒钟风速平均值计算方法
使用滑动平均方法。
以1秒为步长用每秒钟采样值计算3秒钟的滑动平均值。
即每1秒采得1个风速新采样值，计算1次前3秒钟内3个采样值的平均值。
⑵1分钟、2分钟风速平均值计算方法
使用算术平均方法。
每1分钟和2分钟计算1次以每秒钟1次的采样频率采得的1分钟和2分钟平均时段内60个和120个采样值的平均值。
⑶10分钟风速平均值计算方法
使用滑动平均方法。
以1分为步长用1分钟平均值计算10分钟的滑动平均值。
即每1分钟得到1个新的风速1分钟平均值值，计算1次前10钟内10个1分钟平均值的平均值。
⑷风向平均值计算方法
使用单位矢量平均方法：
每个平均时段内计算1次风向平均值，以每秒钟1次的采样频率计算平均时段内采样值的平均值。
⑸风向处理
Y为真方向，y为相对风向，C为浮标方位，则
Y=y+C
若Y＞360°，则Y减去360°
⑹极值挑取方法
从10分钟平均值中挑取所需时段内的风速最大值和相应的风向及出现时间。
从3秒钟平均值中挑取所需时段内的风速极大值和相应的风向及出现时间。
4.4.3.6波浪要素计算方法
每0.5s采样1次，计算在20min时段内不少于100个波的平均波浪各特征高度和周期（平均波高和对应的周期、有效波高和对应的周期、十分之一大波波高和对应的周期、最大波高和对应的周期）；波向（每10°区间出现的概率，并确定主要波向）。
4.4.3.7表层海水温度和盐度计算方法
每分钟计算1次表层海水温度和盐度平均值。
即以每3s钟1次的采样频率获得1分钟平均时段内的20个采样样本值，计算其中的“正确”的样本值的算术平均值，要求平均时段内总样本值中“正确”的样本值应大于75﹪（3/4），否则当前的1分钟平均值标识为“缺失”。
4.4.3.8表层海水流速、流向计算方法
每3分钟计算1次表层海水流速平均值。
即以每3s钟1次的采样频率获得1分钟平均时段内的60个采样样本值，计算其中的“正确”的样本值的算术平均值，要求平均时段内总样本值中“正确”的样本值应大于75﹪（3/4），否则当前的1分钟平均值标识为“缺失”。
每3分钟采的1次表层海水流向瞬时值。
4.5报警功能要求
浮标舱门开启报警；
浮标舱进水报警；
设备故障报警。
4.6浮标位置监测
⑴GPS定位
⑵方位监测
测量范围：
0～360°
分辨率：
1°
准确度：
±3°
4.7时钟要求
使用北京时；
采用实时时钟，走时精度误差不大于15秒/月；
提供GPS对时功能。
5供电装置
海洋气象浮标观测站通常由太阳能供电装置（含免维护蓄电池）提供工作电源。
太阳能供电装置应满足以下要求：
⑴提供14±2伏直流供电；
⑵能保证浮标站所需全部电源的稳定可靠供电；
⑶维护周期应大于1年；
⑷具有蓄电池过压、过流保护功能；
⑸蓄电池的容量应能保证当地连续阴雨天气的正常供电。
6通信传输
海洋气象浮标观测站提供RS232通信传输接口，可连接配备的GPRS/CDMA无线通信设备或风云、北斗卫星DCP设备实现海洋气象浮标观测站与岸基中心站间的通信传输。
7工作环境条件
环境条件
小型浮标
大型浮标
水深
10～100m
＜200m
最大风速
＜60m/s
＜75m/s
最大波高
＜15m
＜25m
最大潮差
＜5m
＜5m
最大表层流速
＜6Kn
＜6Kn
最大摇摆角
±30°
环境温度
－20℃～＋50℃
相对湿度
20～100﹪
8传送数据文件格式
8.1采集数据文件
8.1.1组成
海洋气象观测数据包括常规气象观测数据和海洋观测数据，采用海洋自动气象站获取。
海洋自动气象站采集数据文件是由数据采集器处理后，通过通讯接口直接存储到计算机硬盘中的数据文件。
文件组成见表1。
表1海洋气象观测采集数据文件
文件名称
文件说明
内容
OIIiiiMM.YYY
正点海洋气象要素数据文件
全月逐日每个正点的海洋气象要素值
PIIiiiMM.YYY
分钟海洋气象要素数据文件
全月逐分钟本站气压值
TIIiiiMM.YYY
全月逐分钟气温值
UIIiiiMM.YYY
全月逐分钟相对湿度值
WIIiiiMM.YYY
全月逐分钟1分钟平均风
RIIiiiMM.YYY
全月逐分钟降水量值
OO.TXT
实时海洋气象要素数据文件
某分钟的海洋气象要素值
FJ.TXT
大风数据文件
达到大风标准的数据，只保留最近40次的大风数据
在上述文件名中，第1个字符为指示符；IIiii为区站号；MM为月份，不足两位时，前面补“0”；YYY为年份的后3位。
8.1.2正点海洋气象要素数据文件
正点海洋气象要素数据文件为OIIiiiMM.YYY，简称O文件，文件名中，O为指示符；IIiii为区站号；MM为月份，不足两位时，前面补“0”；YYY为年份的后3位。
⑴O文件为随机文件，每月一个，记录采用定长类型，每一条记录230个字节，记录尾用回车换行结束，ASCII字符存盘，每个要素值高位不足补空格。
⑵O文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测O文件是否存在，如无当月O文件，则生成该文件，将全月逐日逐时各要素的位置一律存入相应字长的“-”字符（即减号）。
⑶O文件按北京时计时，以北京时的00分数据作为正点定时数据。
⑷O文件的第1条记录为本站当月基本参数，每项参数长为5个字节，内容及排列顺序见表2。
表2文件参数行内容及排列顺序
序号
参数
字长
序号
参数
字长
1.
区站号
5字节
16.
湿敏电容传感器标识
5字节
2.
年
5字节
17.
气压传感器标识
5字节
3.
月
5字节
18.
风向传感器标识
5字节
4.
经度
8字节
19.
风速传感器标识
5字节
5.
纬度
7字节
20.
降水量传感器标识
5字节
6.
观测平台距拔海高度
5字节
21.
能见度传感器标识
5字节
7.
站类标识
5字节
22.
浮标方向传感器标识
5字节
8.
干湿表通风系数Ai值
5字节
23.
海表温度传感器标识
5字节
9.
气压传感器拔海高度
5字节
24.
海盐传感器标识
5字节
10.
风传感器距海面高度
5字节
25.
海表波高传感器标识
5字节
11.
海盐传感器距海面深度
5字节
26.
海表流速流向传感器标识
5字节
12.
波高传感器距海面高度
5字节
27.
水质传感器标识
5字节
13.
采集器型号
10字节
28.
保留
80字节，用“-”填充
14.
气温传感器标识
5字节
29.
版本号
5字节
15.
湿球温度传感器标识
5字节
30.
回车换行
2字节
存储规定：
①经度和纬度按度分秒存放，最后1位为东、西经标识和南、北纬度标识，经度的度为3位，分和秒均为2位，高位不足补“0”，东经标识“E”，西经标识“W”，如东经109度02分03秒存“1090203E”；纬度的度为2位，分和秒均为2位，高位不足补“0”，北纬标识为“N”，南纬标识为“S”，如北纬32度02分03秒存“320203N”。
②观测平台、传感器拔海高度或距海面高度：
保留一位小数，扩大10倍存入。
③站类标识：
浮标站存“1”，海上平台站存“2”，其他站存“3”。
④干湿表通风系数Ai值：
扩大107倍后存入。
例如Ai=0.000667，则存入6670。
⑤采集器型号：
任意字符，位数不足时，高位补空。
⑥各传感器标识：
有该项目存“1”，无该项目存“0”。
⑦版本号：
在第1条记录的最后5个字节中写上V1.00，以便版本升级和功能扩展。
⑸O文件中每一时次为一条记录，每日24条记录。
记录号的计算方法：
N=D⨯24+T-19
式中，N：
记录号；D：
北京时日期，对于北京时的上月最后一天的21时～24时D取0；T：
北京时。
如每月1日第2条记录应为北京时的上月最后一天的21时的数据，这时N=2。
又如4日23时，则N=100。
O文件中第1条后的每一条记录，存57个要素的正点值，以ASCII字符写入，除能见度和最小能见度为5个字节外，其他每个要素长度为4字节，最后两位为回车换行符，排列顺序见表3。
表3文件各要素位长及排列顺序
序号
要素名
字长
序号
要素名
字长
1.
日、时（北京时）
4字节
30.
最低本站气压
4字节
2.
2分钟平均风向
4字节
31.
最低本站气压出现时间
4字节
3.
2分钟平均风速
4字节
32.
能见度
5字节
4.
10分钟平均风向
4字节
33.
最小能见度
5字节
5.
10分钟平均风速
4字节
34.
最小能见度出现时间
4字节
6.
最大风速的风向
4字节
35.
浮标方位
4字节
7.
最大风速
4字节
36.
海表温度
4字节
8.
最大风速出现时间
4字节
37.
海表最高温度
4字节
9.
分钟内最大瞬时风速的风向
4字节
38.
海表最高温度出现时间
4字节
10.
分钟内最大瞬时风速
4字节
39.
海表最低温度
4字节
11.
极大风向
4字节
40.
海表最低温度出现时间
4字节
12.
极大风速
4字节
41.
海水盐度
4字节
13.
极大风速出现时间
4字节
42.
小时内海水平均盐度
4字节
14.
小时累计降水量
4字节
43.
海水电导率
4字节
15.
气温
4字节
44.
小时内海水平均电导率
4字节
16.
最高气温
4字节
45.
有效波高
4字节
17.
最高气温出现时间
4字节
46.
有效波高的周期
4字节
18.
最低气温
4字节
47.
平均波高
4字节
19.
最低气温出现时间
4字节
48.
平均波高周期
4字节
20.
湿球温度
4字节
49.
最大波高
4字节
21.
湿敏电容湿度值
4字节
50.
小时内最大波高出现时间
4字节
22.
相对湿度
4字节
51.
最大波高的周期
4字节
23.
最小相对湿度
4字节
52.
表层海洋面流速
4字节
24.
最小相对湿度出现时间
4字节
53.
表层海洋面波向
4字节
25.
水汽压
4字节
54.
海水浊度
4字节
26.
露点温度
4字节
55.
小时内海水平均浊度
4字节
27.
本站气压
4字节
56.
海水叶绿素浓度
4字节
28.
最高本站气压
4字节
57.
小时内海水平均叶绿素浓度
4字节
29.
最高本站气压出现时间
4字节
58.
回车换行
2字节
存储规定：
①正点值的含义是指北京时正点采集的数据。
②若要素缺测，均按约定的字长，每个字节位均存入一个“/”字符。
③各种极值存上次正点观测到本次正点观测这一时段内的极值。
④当气压值≥1000.0hPa时，先减去1000.0，再乘以10后存入。
⑤当使用湿敏电容测定湿度时，除在湿敏电容数据位写入相应的数据值外，同时应将求出的相对湿度值存入相对湿度数据位置，在湿球温度位置一律存“****”作为识别标志。
⑥小时累计降水量是从上次正点观测到本次正点观测这一时段内的降水量累计值。
无降水时存入空格（4位），微量降水存入“0000”，降水量缺测或降水量传感器停止使用期（含冬季停用或长期故障停用）一律存“----”。
⑦数据记录单位：
存储各要素值不含小数点，具体规定如表4。
表4要素存储规定
要素名
记录单位
存储规定
气压
0.1hPa
扩大10倍
温度
0.1℃
扩大10倍
相对湿度
１％
原值
水汽压
0.1hPa
扩大10倍
露点温度
0.1℃
扩大10倍
降水量
0.1mm
扩大10倍
风向
１°
原值
风速
0.1ｍ/ｓ
扩大10倍
能见度
1m
原值
海水温度
0.1℃
取1位小数，扩大10倍存入
海水盐度
0.1‰
PSU（实用盐度单位），取1位小数，扩大10倍存入
海水电导率
0.01mS/cm
取2位小数，扩大100倍存入
波高
0.1m
取1位小数，扩大10倍存入
波浪周期
0.1s
取1位小数，扩大10倍存入
流速
0.1ｍ/ｓ
扩大10倍
波向
1°
0～360°，取整数
浊度
1NTU（散射浊度单位）
取整数
叶绿素浓度
1μg/L
取整数
时间
月、日、时、分
各取2位，高位不足补0
1978年国际上建立的实用盐度定义：
海水样品在温度15℃、1个标准大气压下的电导率与质量比为32.4356g×10-3的氯化钾溶液（即32.4356gKCL／L）在相同温度和压力下的电导率比值。
当比值正好等于1时，实用盐度恰好等于35‰。
一般黄渤海近岸海水盐度为26‰～32‰。
海水的电导率一般在30000～40000μs/cm。
我国的自来水出厂标准是浊度小于2NTU，对于废水我国的标准是固体悬浮物浓度不超过20ppm。
在自然界中一般江河水的浊度为几百个NTU，而能见度为6米的加勒比海水的浊度小于0.1NTU。
8.1.3实时海洋气象要素数据文件
实时海洋气象要素数据文件为OO.TXT，简称OO文件。
OO文件为随机文件，存入57个要素的每分钟瞬时值，以ASCII字符存入，共232个字节，要素分配如表5。
表5文件要素数据位长及排列顺序
序号
要素名
字长
序号
要素名
字长
1.
时分（北京时）
4字节
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