降水现象仪观测规范试行.docx
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降水现象仪观测规范试行
附件1
降水现象仪观测规范（试行）
中国气象局综合观测司
2017年5月
前言
降水现象仪观测规范分为六章，包括：
总则、结构与原理、安装与调试、设备校准、日常工作、数据文件等。
编写组依据《气象仪器和观测方法指南》（第七版）、《地面气象观测规范》（2003年）、《降水现象仪功能规格需求书（试行版）》、《地面气象观测场规范化图册》等相关技术文件，在总结降水现象观测自动化试点工作经验基础上编写完成。
本规范主要适用于以雨滴谱测量原理的观测设备开展降水现象的自动观测业务，今后随着观测业务的发展，可在此基础上修订。
本规范由中国气象局综合观测司组织编写，主要编写人员有：
张鑫、李颖冲、李斐斐、伍永学、宋树礼、郭义涛、邵楠、雷勇。
中国气象局综合观测司
二〇一七年五月
第1章总则
天气现象观测是地面气象观测的主要项目之一，降水现象是天气现象的重要组成部分，利用雨滴谱测量原理的光学观测设备开展降水现象观测和雨滴图谱观测，能够有效提高降水现象观测自动化程度，减轻观测人员工作量，为气象预报和服务提供更多有价值的气象信息。
1.1目的和适用范围
制定降水现象仪观测规范，有利于推进我国天气现象自动化观测进程，丰富降水现象观测方法，满足气象业务、气象服务和科学研究的需求。
本规范适用于雨滴谱测量原理的光学观测设备开展降水现象和雨滴图谱的自动观测业务。
本规范是《地面气象观测规范》（2003版）的必要补充，在观测工作中应严格遵守。
1.2观测场地
降水现象仪应安装在对周围天气状况最具代表性的地点，不受干扰光学测量的遮挡物和反射表面的影响，远离大型建筑物，远离产生热量及妨碍降雨的设施，避免闪烁光源、树阴、污染源的影响。
1.3仪器布设
安装在台站地面观测场内的降水现象仪，应符合《地面气象观测规范》（2003版）关于观测场仪器布局的原则，可参考《地面气象观测场规范化建设图册》中的要求，布设在观测场西北角，具体位置参考图1。
图1降水现象仪布设位置示意图
1.4时制和日界
观测时制为北京时，以20时为日界。
1.5传感器要求
应具有国务院气象主管机构颁发的气象专用技术装备使用许可证。
第2章结构与原理
2.1结构
降水现象仪主要由传感器、数据采集单元、供电控制单元、附件等部分组成。
降水现象仪外观示意如图2。
图2降水现象仪外观示意图
2.1.1降水现象传感器
传感器包括激光发射和接收装置、控制处理装置、温控装置等。
2.1.2数据采集单元
数据采集单元负责处理采样的降水粒子大小、速度、数量等信息，对采样样本进行数据质量控制、数据运算处理，输出降水现象类型、雨滴图谱、仪器工作状态等信息。
2.1.3供电控制单元
降水现象仪采用直流12V供电，应配蓄电池。
供电控制单元将交流电源或辅助电源（太阳能、风能等）进行转换，并为蓄电池充电。
2.1.4附件
降水现象仪附件包括：
安装座、立柱、基础预埋件等。
2.2原理
不同降水现象的降水粒子，因其物理特性的差异，在直径和下落末速度的分布上有各自对应关系。
雨滴谱测量原理的降水现象仪根据降水粒子对激光信号的衰减影响程度，检测降水粒子的直径和下落末速度，确定降水粒子的图谱分布，输出降水现象类型。
2.3技术性能
降水现象识别类型为：
毛毛雨、雨、雪、雨夹雪、冰雹。
降水现象类型识别准确率：
降水强度大于0.1mm/h的降水现象类型，识别准确率不小于90%。
第3章安装与调试
3.1安装高度与方向
立柱牢固安装在混凝土基础上。
采样区域中心距地高度200cm（±10cm）。
传感器南北向安装，接收端在南侧，发射端在北侧，支架（横臂）应水平。
3.2线路连接
电力线和信号线布设应符合《地面气象观测场规范化建设图册》的要求。
信号线采用RS-485/RS-232方式与综合集成硬件控制器连接。
3.3安装基础
基础预埋件用混凝土浇筑，其地脚螺栓顶部高出混凝土表面约35mm。
基础大小为400mm（长）×400mm（宽）×600mm（深），埋入地下550mm，高出地面50mm，外露面平整光洁。
基础中央预埋入Φ50mm的PVC穿线管（管内预留铁丝），从水泥基础的底部通向地沟。
基础剖面见图3。
图3降水现象仪基础剖面图
3.4防雷要求
接地端子用16mm2的接地线就近接入观测场地网，接地电阻应≤4Ω。
3.5调试与维护
3.5.1调试
降水现象仪安装完成后，使用台站地面综合观测业务软件（ISOS）或串口工具联调测试。
通信参数：
波特率9600、奇偶校验位N、数据位8、停止位1。
在发射端和接收端之间连续喷水，依次发送指令readdata和readmdata，检查命令返回内容是否正常，返回内容的格式见3.5.2节。
3.5.2维护
1.终端命令
终端命令用于设备和终端软件之间进行通信，其中：
readdata：
实时读取观测和设备数据命令，输出降水现象观测要素和设备状态要素；
readmdata：
实时读取雨滴图谱数据命令，输出雨滴图谱要素。
2.数据帧格式
实时观测要素、状态要素、图谱要素采用帧格式输出，如表3-1。
表3-1降水现象仪数据帧格式
起始标识
BG
数据包头
区站号
服务类型
设备标识位
设备ID
观测时间
帧标识
观测要素变量数
设备状态变量数
6位字符
2位数字
YWDP
3位数字
14位数字
3位数字
4位数字
2位数字
数据主体
观测数据和质量控制
状态信息
要素变量名1
要素变量值1
要素变量名m
要素变量值m
质量控制位
状态变量名1
状态变量值1
状态变量名n
状态变量值n
校验码
4位数字
结束标识
ED
例：
在通信终端输入readdata命令，返回值如下：
BG,858361,00,YWDP,100,20170527000300,001,0001,01,ANA,03,0,z,0,3312,ED
表示58361站2017年5月27日00时03分（北京时）的观测要素数据，降水现象类型为毛毛雨。
3.观测要素和图谱要素编码
降水现象仪实时观测数据包括降水现象数据和雨滴图谱数据，其中观测要素和图谱要素编码，如表3-2。
表3-2降水现象仪观测要素和图谱要素编码
要素标识
要素编码
单位
字长（Byte）
观测要素：
降水现象（ANA）
ANA
00:
未知类型的降水,
01:
雨,02:
阵雨,03:
毛毛雨,04:
雪,05:
阵雪,
06:
雨夹雪,07:
阵性雨夹雪,08:
冰雹
-
2
图谱要素：
雨滴图谱（ANU）
ANU0001
0000～9999
个
4
ANU0002
0000～9999
个
4
ANU0003
0000～9999
个
4
…
…
…
…
ANU1023
0000～9999
个
4
ANU1024
0000～9999
个
4
说明：
降水现象要素采用枚举型输出现象类型，用独立的要素编码表示。
4.状态要素编码
实时状态要素包括设备自检、电源类状态、工作温度类状态、加热部件工作状态、窗口污染类工作状态等内容，如表3-3。
电压值、电流值、温度值保留小数1位，扩大10倍存入，高位不足补0。
设备状态码见表3-3。
表3-3降水现象仪状态要素编码
序号
状态要素标识
状态要素名称
字长（Byte）
1.
z
设备自检状态
1
2.
xA
外接电源（独立设备或主采集器不需要后缀）
1
3.
xD
蓄电池电压状态
1
4.
xDV
蓄电池电压值
3
5.
xE
AC-DC电压状态
1
6.
xEV
AC-DC电压值
3
7.
xH
设备/主采工作电压状态
1
8.
xHV
设备/主采工作电压值
3
9.
xI
太阳能电池板状态
1
10.
xIV
太阳能电池板电压值
3
11.
xJ
降水传感器加热电流状态
1
12.
xJV
降水传感器加热电流值
2
13.
xK
降水传感器电压状态
1
14.
xKV
降水传感器电压值
3
15.
wA
设备/主采主板环境温度状态
1
16.
wAV
设备/主采主板环境温度值
4
17.
wF_B
降水传感器温度状态
1
18.
wF_BV
降水传感器温度值
4
19.
wF_C
降水现象仪环境温度状态
1
20.
wF_CV
降水现象仪环境温度值
4
21.
wE
机箱温度状态
1
22.
wEV
机箱温度值
4
23.
vA
传感器加热
1
24.
sA
窗口污染情况
1
25.
rI
采集器运行状态
1
26.
rJ
AD状态
1
第4章设备校准
4.1校准设备
校准设备采用转盘式降水粒子模拟器。
转盘式降水粒子模拟器：
在匀速转动的透明转盘上粘贴不同尺寸的圆形不透光遮挡物，采用步进电机驱动转盘匀速转动，穿过被测降水现象仪的激光检测区。
利用不同尺寸的遮挡物模拟不同尺寸的降水粒子，不透光遮挡物中心处转盘的线速度即为该模拟粒子下落的末速度。
4.2校准环境条件
气温：
10℃～30℃；
相对湿度：
≤80%。
4.3校准点
根据降水现象仪技术指标选择校准点，一般选择上限点、中间点、下限点共3个。
根据所处的地理位置、气象要素极限值选择相应的校准点。
一般在出厂测试时，选择降水粒子直径的校准点为2mm、5mm、10mm、15mm，降水粒子速度的校准点为1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、5.0m/s。
4.4校准流程
4.4.1外观检查
采用目测法检查设备外观，包括以下内容：
1.型号、出厂编号、制造商等标志应清晰可辨；
2.金属件无锈蚀和其他机械损伤；
3.传感器连接线、通信线、电源线接插件连接可靠。
4.4.2降水粒子直径和下降速度校准
采用降水粒子模拟器模拟特定大小的粒子下落，对降水现象仪的降水粒子直径和降水粒子下落速度的准确性进行校准。
对选取的不同降水粒子直径进行测试（一般为出厂测试校准点），每个测试点均在同一线速度下进行试验，测试时间为1min。
读取降水现象仪检测的粒子平均直径，根据降水粒子直径分级规则查得对应的粒子直径级别，与相应的测试点粒子直径级别相比，最大允许误差±1级；
对选取的不同降水粒子速度进行测试（一般为出厂测试校准点），每个测试点均采用同一直径模拟粒子进行试验，试验时间为1min。
读取降水现象仪检测的粒子平均速度，根据降水粒子下落速度分级规则查得对应的粒子下落速度级别，与相应的测试点粒子速度级别相比，最大允许误差±1级。
4.5校准周期
首次使用1个半月后应现场校准一次。
每年应现场校准一次。
第5章日常工作
在业务运行中，应做好日常巡视、维护工作。
1.发现数据错误或异常应及时处理，查明原因，开展维护或维修工作。
2.每日日出后和日落前巡视，发现降水现象仪（尤其是采样区）有蜘蛛网、鸟窝、灰尘、树枝、树叶等影响数据采集的杂物，应及时清理（可在基座、支架管内放置硫磺，预防蜘蛛）。
3.每月检查供电设施，保证供电安全。
定期更换蓄电池。
4.每年春季对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。
5.一般每三个月清洁激光发射和接收装置，用柔软不起毛的棉布或脱脂棉沾无水乙醇擦试窗口玻璃，注意不要划伤玻璃表面，如果窗口加热功能良好，其表面将很快变干；勿用其他物品清洁。
可根据设备附近环境的情况，延长或缩短维护的时间间隔（遇沙尘、降雪等影响观测时，应及时清洁）。
6.定期检查、维护的情况应记入值班日志中。
对降水现象仪自动观测数据有影响的还要记入备注栏。
7.无人化值守台站按相关业务规定执行。
第6章数据文件
降水现象仪输出的数据文件包括：
分钟降水现象数据文件、分钟降水现象状态信息文件和雨滴谱数据文件。
6.1分钟降水现象数据文件
6.1.1文件名
IIiii_weather_value_YYYYMMDD.txt，其中，IIiii为区站号；weather表示降水现象观测设备；value表示观测要素文件；YYYY为年份，MM为月份，DD为日期，月和日期不足两位时，前面补“0”，txt为固定编码，表示此文件为ASCII格式。
6.1.2文件形成
1.分钟降水现象数据文件每站日一个，采用定长的随机文件记录方式写入，每一条记录49Byte，记录尾用回车换行结束，ASCII字符写入，参数行每个要素值高位不足补空格。
2.分钟降水现象数据文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测分钟降水现象数据文件是否存在，如无该日分钟降水现象数据文件，则生成该文件，要素位置一律存相应长度的“-”字符（即减号）。
3.分钟降水现象数据文件按北京时计时，以北京时20时为日界。
4.缺测要素值，每一位都用英文半角字符“/”填充；没有要素值（设备没有该项输出），每一位都用字符“-”表示。
6.1.3文件内容
1.分钟降水现象数据文件的第1条记录为本站当日基本参数，基本参数行格式见表6-1。
表6-1分钟降水现象数据文件基本参数行格式
序号
参数
字长
Byte
序号
参数
字长
Byte
1.
区站号
6
8.
气压传感器拔海高度
5
2.
年
4
9.
服务类型
2
3.
月
2
10.
设备标识位
4
4.
日
2
11.
设备ID
3
5.
经度
8
12.
保留
1
6.
纬度
7
13.
回车换行
2
7.
观测场拔海高度
5
注：
设备标识位：
降水现象仪：
YWDP；
设备ID：
用于区分同一个区站号中同类设备，ID从000开始顺序编号，有多个设备时，服务类型以ID为000的设备观测为准，当000出现故障时，使用001设备的数据，依此类推；
保留位均用“-”填充。
2.分钟降水现象数据文件每分钟为一条记录，每小时60条记录。
记录号的计算方法：
当H＞20时，N=（H-20）⨯60+M+1；
当H≤20时，N=（H+4）⨯60+M+1。
式中：
N——记录号；H——北京时；M——分钟。
3.分钟降水现象数据文件第1条后的每一条记录，存11个要素的分钟值和对应的数据质量控制标志，以ASCII字符写入，时间均为4Byte，其后的降水现象位11Byte，最后两位为回车换行符，各要素位长及排列顺序见表6-2。
表6-2分钟降水现象数据文件各要素位长及排列顺序
序号
要素名
字长
Byte
序号
要素名
字长
Byte
1.
时、分（北京时）
4
4.
保留
22
2.
降水现象
11
5.
数据质量控制标志
11
3.
未知降水现象
1
6.
回车换行
2
注：
该降水现象未发生记为“0”；发生记为“1”；未识别记为“2”；缺测记为“/”；
降水现象记录顺序：
雨、阵雨、毛毛雨、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、冰雹。
6.2分钟降水现象状态信息文件
6.2.1文件名
IIiii_weather_state_YYYYMMDD.txt，其中，IIiii为区站号；weather表示分钟降水现象观测设备；state表示状态信息文件；YYYY为年份，MM为月份，DD为日期，月和日期不足两位时，前面补“0”，txt为固定编码，表示此文件为ASCII格式。
6.2.2文件形成
1.分钟降水现象状态信息文件每站日一个，采用定长的随机文件记录方式写入，每一条记录65Byte，记录尾用回车换行结束，ASCII字符写入，参数行每个要素值高位不足补空格。
2.分钟降水现象状态信息文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测分钟降水现象状态信息文件是否存在，如无该日分钟降水现象状态信息文件，则生成该文件，要素位置一律存相应长度的“-”字符（即减号）。
3.分钟降水现象状态信息文件按北京时计时，以北京时20时为日界。
6.2.3文件内容
1.分钟降水现象状态信息文件的第1条记录为本站当日基本参数，基本参数行格式见表6-3。
表6-3分钟降水现象状态信息文件基本参数行格式
序号
参数
字长
Byte
序号
参数
字长
Byte
1.
区站号
6
8.
气压传感器拔海高度
5
2.
年
4
9.
服务类型
2
3.
月
2
10.
设备标识位
4
4.
日
2
11.
设备ID
3
5.
经度
8
12.
保留
17
6.
纬度
7
13.
回车换行
2
7.
观测场拔海高度
5
注：
同分钟降水现象数据文件基本参数行格式。
2.分钟降水现象状态信息文件中每分钟为一条记录，每小时60条记录。
记录号的计算方法：
当H＞20时，N=（H-20）⨯60+M+1；
当H≤20时，N=（H+4）⨯60+M+1。
式中：
N——记录号；H——北京时；M——分钟。
3.文件中第1条后的每一条记录，存39个要素的分钟值，以ASCII字符写入，最后两位为回车换行符，各状态位长及排列顺序见表6-4。
表6-4分钟降水现象状态信息文件各状态位长及排列顺序
序号
状态名
字长
Byte
序号
状态名
字长
Byte
1.
时、分（北京时）
4
21.
降水现象仪环境温度值
4
2.
自检测状态
1
22.
机箱温度状态
1
3.
外接电源状态
1
23.
机箱温度值
4
4.
蓄电池电压状态
1
24.
传感器加热
1
5.
蓄电池电压值
3
25.
窗口污染情况
1
6.
AC-DC电压状态
1
26.
采集器运行状态
1
7.
AC-DC电压值
3
27.
AD状态
1
8.
设备/主采工作电压状态
1
28.
外接电源
1
9.
设备/主采工作电压值
3
29.
蓄电池电压
1
10.
太阳能电池板状态
1
30.
AC-DC电压
1
11.
太阳能电池板电压值
3
31.
主采主板电压
1
12.
降水传感器加热电流状态
1
32.
接收器加热
1
13.
降水传感器加热电流值
2
33.
接收器通风
1
14.
降水传感器电压状态
1
34.
发射器加热
1
15.
降水传感器电压值
3
35.
发射器通风
1
16.
设备/主采主板环境温度状态
1
36.
自检测状态
1
17.
设备/主采主板环境温度值
4
37.
接收器
1
18.
降水传感器温度状态
1
38.
发射机
1
19.
降水传感器温度值
4
39.
窗口污染
1
20.
降水现象仪环境温度状态
1
40.
回车换行
2
注：
无传感器或停用，相应位置保持“-”字符。
6.3雨滴谱数据文件
6.3.1文件名
IIiii_weather_YDP_value_YYMMDD.txt，其中，IIiii为区站号；weather表示降水现象观测设备；YDP表示雨滴谱文件；value表示观测要素文件；YYYY为年份，MM为月份，DD为日期，月和日期不足两位时，前面补“0”，txt为固定编码，表示此文件为ASCII格式。
6.3.2文件形成
1.谱数据文件每站日一个，采用定长的随机文件记录方式写入，每一条记录5124Byte，记录尾用回车换行结束，ASCII字符写入，参数行每个要素值高位不足补空格。
2.文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测谱数据文件是否存在，如无该谱数据文件，则生成该文件，要素位置一律存相应长度的“-”字符（即减号）。
3.谱数据文件按北京时计时，以北京时20时为日界。
6.3.3文件内容
1.谱数据文件的第1条记录为本站当日基本参数，基本参数行格式见表6-5。
表6-5谱数据文件基本参数行格式
序号
参数
字长
Byte
序号
参数
字长
Byte
1.
区站号
6
8.
气压传感器拔海高度
5
2.
年
4
9.
服务类型
2
3.
月
2
10.
设备标识位
4
4.
日
2
11.
设备ID
3
5.
经度
8
12.
保留
5076
6.
纬度
7
13.
回车换行
2
7.
观测场拔海高度
5
注：
同分钟降水现象数据文件基本参数行格式。
2.谱数据文件中每分钟为一条记录，每小时60条记录。
记录号的计算方法：
当H＞20时，N=（H-20）⨯60+M+1；
当H≤20时，N=（H+4）⨯60+M+1。
式中：
N——记录号；H——北京时；M——分钟。
3.谱数据文件中第1条后的每一条记录，存1024个要素的分钟值，以ASCII字符写入，时间和要素均为4Byte，最后2位为回车换行符，各要素位长及排列顺序见表6-6。
表6-6谱数据文件各要素位长及排列顺序
序号
要素名
字长
Byte
序号
要素名
字长
Byte
1
时、分（北京时）
4
1025
雨滴谱1024
4
2
雨滴谱0001
4
1026
数据质量控制标志
1024
3
雨滴谱0002
4
1027
回车换行
2
4
……
4
5
……
4
注：
无传感器或停用，相应位置保持“-”字符。
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