【正文】 （7）式中：——土壤水分貯存量，單位是毫米（mm）；——土層厚度，單位是厘米（cm）；——干土壤體積密度，單位是克每立方厘米（g/cm3）；——土壤重量含水量，單位是百分率（％）。要求計算：1min水平面直接輻射輻照度、1min本站氣壓P與太陽高度角HA。要求計算：1min平均海平面氣壓。 土壤水分、地下水位 1min平均值對1min內(nèi)的“正確”的采樣值計算平均值，應(yīng)有大于 66％（2/3）的采樣瞬時值可用于計算瞬時值，若不符合這一質(zhì)量控制規(guī)程，則當(dāng)前瞬時值標(biāo)識為“缺失”。通用的算法為：1h內(nèi) 60 個1min累計值中的“正確”的 1min累計值的累計值。 2min平均值以1min為時間步長，取每整秒的瞬時值，對2min內(nèi)的“正確”的瞬時值計算平均值，應(yīng)有大于 75％（3/4）的瞬時值可用于計算2min平均值，若不符合這一質(zhì)量控制規(guī)程，則當(dāng)前2min平均值標(biāo)識為“缺失”。如果所有Dij都不在允許范圍之內(nèi)，結(jié)果標(biāo)識為缺測。a) 如果Dij均在允許范圍之內(nèi)，取T1，T2，T3的中間值作為結(jié)果。在50~50℃范圍內(nèi)時，℃； 在小于50和大于50℃℃。b) 平均風(fēng)向的修正應(yīng)根據(jù)、的正負(fù)，對進(jìn)行修正。 滑動平均法a) 計算公式 （2）式中：——第 次計算的氣象變量的平均值；——第 個樣本值，其中，“錯誤”、“可疑”等非“正確”的樣本應(yīng)丟棄而不用于計算；——在移動著的平均值時間區(qū)間內(nèi)的第 1 個樣本： 當(dāng)時， 當(dāng)時；N是平均值時間區(qū)間內(nèi)的樣本總數(shù)，由采樣頻率和平均值時間區(qū)間決定；m——在移動著的平均值時間區(qū)間內(nèi)“正確”的數(shù)據(jù)樣本數(shù)。表層海洋面流速潮高1cm海水濁度1NTU（散射濁度單位）海水葉綠素濃度1μg/L 采樣和算法 采樣頻率各要素的采樣頻率及氣象值的計算見表18。10%（≤1500m）177。10%（日累計）大氣長波輻射02000 W/m21 W/m2177。1%（日累計）散射輻射5 W/m2177。℃紅外地表溫度50℃～80℃℃177。（+）m/s降水量 ：雨強(qiáng)0～4mm/min177。℃（氣候觀測）相對濕度5%～100%1%177。5風(fēng)速WS米每秒m/s6降水量R毫米mm降水強(qiáng)度（precipitation intensity）（又名降水率）的單位名稱及符號是：毫米每分（mm/min）。 人工輸入觀測資料配置［終端］微機(jī)的自動氣象站，應(yīng)編制交互式終端程序，允許觀測員輸入和編輯人工觀測的資料。按照操作命令性質(zhì)的不同，分為監(jiān)控操作命令、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)操作命令、觀測數(shù)據(jù)操作命令和報警操作命令。 內(nèi)部一致性檢查用于檢查數(shù)據(jù)內(nèi)部一致性的基本算法是基于兩個氣象變量之間的關(guān)系。a) 瞬時氣象值的“最大允許變化速率”當(dāng)前瞬時氣象值與前一個值的差大于表14中“存疑的變化速率”，則當(dāng)前瞬時氣象值通不過檢查，標(biāo)識為“存疑”?！罢_”數(shù)據(jù)的判斷條件見表15。 變化速率檢查驗證相鄰采樣瞬時值之間的變化量，檢查出不符合實際的跳變。8 “缺失”：缺失數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)識數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程中，需要對采樣瞬時值和瞬時氣象值是否經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及質(zhì)量控制得結(jié)果進(jìn)行標(biāo)識，這種標(biāo)識用于定性描述數(shù)據(jù)置信度。 遠(yuǎn)程通信傳輸自動氣象站應(yīng)具備通過無線方式或網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ堋Ｔ谖C(jī)的磁盤存儲器中，存儲全部需要存儲的數(shù)據(jù)，包括經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)、人工輸入數(shù)據(jù)、質(zhì)量控制情況信息（內(nèi)部管理數(shù)據(jù)）等。瞬時氣象（分鐘）值存儲的要素有：本站氣壓、氣溫（有氣候觀測時存3組數(shù)據(jù)）、通風(fēng)防輻射罩的通風(fēng)速度（3組數(shù)據(jù)）、濕度（不存導(dǎo)出值）、瞬時極大風(fēng)（風(fēng)向/風(fēng)速，）、1min平均風(fēng)（風(fēng)向/風(fēng)速，）、降水量（包括翻斗式或容柵式和稱重式傳感器）、地表溫度（包括鉑電阻和紅外地溫傳感器）或海水表層溫度、能見度、各種輻射觀測要素輻照度、長波輻射表腔體溫度，除累計值的要素外，其余要素均需同時存儲采樣瞬時值的標(biāo)準(zhǔn)差值。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議由CAN控制器在硬件上實現(xiàn)。分采集器的軟件要實現(xiàn) CANopen 從站協(xié)議，包括接受 NMT 管理、同步信號接收、心跳消息服務(wù)、PDO 發(fā)送、SDO 服務(wù)、TimeStamp 接收，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，包括：a) 對傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描和將獲得的電信號轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號，得到氣象變量測量值序列；b) 對氣象變量測量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成氣象單位量，得到采樣瞬時值。 通信接口主采集器應(yīng)配置RS 485接口，支持本地通信?？偩€標(biāo)準(zhǔn)為ISO11898，物理介質(zhì)可以為雙絞線、光纖等。溫濕分采的選取還應(yīng)滿足下列要求：a) 應(yīng)綜合考慮速度、功耗、環(huán)境要求，具有內(nèi)置的 Watchdog 功能；b) 應(yīng)選擇 16 位以上的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，以滿足傳感器的測量要求；c) 參數(shù)存儲器應(yīng)為非易失性的，容量應(yīng)滿足數(shù)據(jù)存儲的要求。分采集器負(fù)責(zé)所接入傳感器對應(yīng)氣象要素的測量，在工作狀態(tài)對掛接的傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描，收到主采集器發(fā)送的同步信號后，將獲得的采樣數(shù)據(jù)通過總線發(fā)送給主采集器。主采集器應(yīng)具備指示燈，包括：l 系統(tǒng)指示燈（秒閃）；l CF 卡指示燈。硬件包含高性能的嵌入式處理器、高精度的 A/D 電路、高精度的實時時鐘電路、大容量的程序和數(shù)據(jù)存儲器、傳感器接口、通信接口、CAN總線接口、外接存儲器接口、以太網(wǎng)接口、監(jiān)測電路、指示燈等，硬件系統(tǒng)能夠支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的運(yùn)行。圖1 總線式自動氣象站結(jié)構(gòu)其中，溫濕度測量既可以使用溫濕度智能傳感器，也可將溫度、濕度傳感器直接掛接到主采集器上；稱重式降水傳感器既可采用串口方式掛接在主采集器上，也可掛接在氣候分采集器上。本著先粗后細(xì)，不斷完善的原則，逐步形成具備能夠統(tǒng)一型號的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)性文件。. . . .新型自動氣象（氣候）站功能需求書（修訂版）2012年8月目 錄1 前言 1 目標(biāo) 1 編寫原則 1 編寫依據(jù) 12 組成結(jié)構(gòu) 2 概述 2 采集器 3 總線 8 傳感器 8 外圍設(shè)備 9 軟件 93 總線物理接口及應(yīng)用層協(xié)議 10 物理接口 10 連接器 11 應(yīng)用層協(xié)議 114 功能要求 12 軟件初始化 12 數(shù)據(jù)采集 12 數(shù)據(jù)處理 12 數(shù)據(jù)存儲 13 數(shù)據(jù)傳輸 16 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 17 終端操作命令 22 GPS對時功能 24 人工輸入觀測資料 24 嵌入式軟件在線升級 245 測量性能 24 測量的氣象要素 24 量和單位 25 要求 26 采樣和算法 276 嵌入式軟件流程 39 采集軟件流程 39 數(shù)據(jù)流程 407 傳感器要求 41 氣壓傳感器 41 溫度測量傳感器 42 濕度測量傳感器 42 風(fēng)測量傳感器 43 降水測量傳感器 43 蒸發(fā)測量傳感器 44 紅外地表測溫儀 45 輻射測量傳感器 45 日照測量 47 能見度測量傳感器 47 土壤水分傳感器（時域反射法：TDR法或頻域反射法：FDR法） 48 地下水位測量傳感器 48 天氣現(xiàn)象觀測傳感器 48 云量測量傳感器 48 積雪深度測量傳感器 48 凍土深度測量傳感器 49 電線積冰測量傳感器 49 閃電頻次測量傳感器 49 海洋測量傳感器 498 供電電源要求 499 安全要求 49 標(biāo)記要求 49 文件要求 50 結(jié)構(gòu)安全 51 電氣安全 5110 工作環(huán)境適應(yīng)性要求 52 氣候條件 52 生物條件 52 化學(xué)活性物質(zhì) 52 機(jī)械條件 5311 電磁兼容性要求 53 電磁騷擾限值要求 53 電磁抗擾度要求 5312 防雷要求 54 一般要求 54 直接雷擊的防護(hù)措施 54 雷擊電磁脈沖的防護(hù) 5413 結(jié)構(gòu)和外觀要求 55 機(jī)械結(jié)構(gòu)要求 55 機(jī)械強(qiáng)度要求 55 材料與涂復(fù)要求 55 外觀要求 5614 可靠性要求 5615 可維護(hù)性要求 5616 其他要求 56 時鐘精度要求 56 功耗要求 56 觀測的時制 56 擴(kuò)展性要求 57 互換性要求 57 傳感器選型 57 人機(jī)界面要求 5717 檢驗要求 5718 附錄 571 前言 目標(biāo)提高防災(zāi)減災(zāi)能力，做好應(yīng)對氣候變化工作，是黨和政府對氣象部門的根本要求，也是氣象工作者的重要責(zé)任。各有關(guān)附錄均為本功能規(guī)格書的重要組成部分。自動氣象站的核心是基于CAN（Controller Area Network，控制器區(qū)域網(wǎng)）總線技術(shù)和國際標(biāo)準(zhǔn)CANopen協(xié)議進(jìn)行設(shè)計，涉及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)定義。其結(jié)構(gòu)框如圖2所示。在線編程接口應(yīng)包括：RS 232或RJ 45。各分采集器的通信接口和測量通道配置如表3。溫濕分采負(fù)責(zé)氣溫和濕度（百葉箱）的測量，在工作狀態(tài)對掛接的傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描，收到主采集器發(fā)送的同步信號后，將獲得的采樣數(shù)據(jù)通過總線發(fā)送給主采集器。CAN 總線的特性如下：a) 支持多主方式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)冗余或熱備份；b) 可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制，錯誤嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)可自動關(guān)閉輸出，發(fā)送的信息遭到破壞后可自動重發(fā)，網(wǎng)絡(luò)具備很高的可靠性；c) 非破壞總線仲裁，允許多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送信息，極高的總線利用率；d) 可實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播， 無需專門的“調(diào)度”；e) 直接通信距離最遠(yuǎn)達(dá)10 km（速率5 kbps）；f) 最高通信速率可達(dá)1Mbps（此時通信距離最遠(yuǎn)40m）；g) 通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，抗干擾能力強(qiáng)；h) 規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議，且完全由硬件實現(xiàn)，設(shè)計人員無需再為此開發(fā)相關(guān)軟件（Software）或固件（Firmware）； i) CAN總線具有較高的性價比――結(jié)構(gòu)簡單、器件容易購置且價格便宜、開發(fā)技術(shù)容易掌握。應(yīng)配置以太網(wǎng)接口（RJ 45），以備接入本地局域網(wǎng)，可用于現(xiàn)場診斷維護(hù)或者是接入局域網(wǎng)提供WEB服務(wù)控制臺。通過 CANopen 協(xié)議將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到 CAN 總線。主采集器和各分采集器通信協(xié)議的規(guī)定見附錄1。全要素當(dāng)前瞬時氣象（分鐘）值均應(yīng)能寫入緩存區(qū)，可以實時讀取。 數(shù)據(jù)傳輸 本地傳輸自動氣象站應(yīng)有數(shù)據(jù)傳輸（數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)通信）的功能。這種傳輸一般是通過主采集器的遠(yuǎn)程通信接口（RS 232）外加遠(yuǎn)程通信設(shè)備（如GPRS/CDMA1X、DCP等）或RJ45實現(xiàn)的。標(biāo)識的規(guī)定見表13。N沒有傳感器，無數(shù)據(jù)。每次采樣后，將當(dāng)前采樣瞬時值與前一個采樣瞬時值做比較。表15　 “正確”的瞬時氣象值的判斷條件序號氣象變量下限上限存疑的變化速率錯誤的變化速率［過去60分鐘］最小應(yīng)該變化的速率1.氣壓400 hPa1100 hPa hPa2 hPa hPa2.氣溫75 ℃80 ℃3 ℃5 ℃ ℃ 3.露點(diǎn)溫度80 ℃50 ℃?zhèn)鞲衅鳒y量：2 ℃～3 ℃；導(dǎo)出量：4 ℃～5 ℃5 ℃ ℃ 4.相對濕度0%100%10%15%1%（U＜95％）5.風(fēng)向0176。若大于表 14中的“錯誤的變化速率”，則標(biāo)識為“錯誤”。下列條件是成立的：l 露點(diǎn)溫度 td ≤ t（氣溫）；l 風(fēng)速 WS ＝ 00，則風(fēng)向 WD 一般不會變化；l 風(fēng)速 WS ≠ 00，則風(fēng)向 WD 一般會有變化；l 分鐘極大風(fēng)速大于等于2 min和10 min平均風(fēng)速；l 如果日照時間 SD ＞ 0，而太陽輻射 E ＝ 0，這兩個瞬時氣象值均不可信；l 如果太陽輻射 E ＞ 500 W/m2，而日照時間 SD ＝ 0，這兩個瞬時氣象值均不可信；l 各極值及出現(xiàn)時間應(yīng)與對應(yīng)時段相應(yīng)要素瞬時氣象值不矛盾；l 各累計量應(yīng)與對應(yīng)時段相應(yīng)要素各瞬時氣象值不矛盾。本規(guī)格書中只對終端操作命令的內(nèi)容進(jìn)行說明，有關(guān)操作命令的格式詳見附錄2。可以輸入的人工觀測資料由業(yè)務(wù)軟件實現(xiàn)。7輻［射］照度E瓦［特］每平方米W/m28輻照量，曝輻量又稱曝輻［射］照度H焦［耳］每平方米J/m2氣象業(yè)務(wù)上的記錄單位是 MJ/m2。3%（≤80%）177。（≤10mm）177?！鏈\層地溫40℃～60℃℃177。5%（日累計）反射輻射5 W/m2177。5%（日累計）地球長波輻射02000W/m21 W/m2177。20%（＞1500m）云量云高607500m1m177。表18　 自動氣象站測量要素采樣頻率測量要素采樣頻率計算平均值計算累計值計算極值氣壓30次/min每分鐘算術(shù)平均小時內(nèi)極值及出現(xiàn)時間氣溫濕度草溫地溫輻射（輻照度）小時累計值（曝輻量）輻射傳感器腔件溫度通風(fēng)防輻射罩通風(fēng)速度1次/min每分鐘、小時平均日照1次/min每分鐘、小時累計值風(fēng)速4次/s；以1s為步長（取整秒時的瞬時值）計算每分鐘的1min、2min算術(shù)平均；以1min為步長（取1min平均值）計算每分鐘的10min滑動平