基于互相关的小型化低功耗超声波风速风向仪设计

超声波风速风向仪具有无转动部件,响应快,精度高的优点,但体积大、功耗高、成本高成为限制超声波风速风向仪广泛使用的主要因素。为了便于超声波风速风向仪的推广和使用,本文采用国产FPGA(Field Programmable Gate Array)并结合FIR(Finite Impulse Respond)滤波器以及互相关检测算法设计了一款超声波风速风向仪,探头之间的距离仅为80 mm,感风面积仅为传统超声波风的1/10,使得省级风洞均可计量检定。整机经过风洞实测,每秒钟可完成50次风速风向测量,在0~5 m/s时风速最大测量误差为±0.3 m/s,5~20 m/s时风速最大测量误差为±0.5 m/s,20~30 m/s风速测量最大误差为±5%,稳定风速下风向测量最大误差为±1°以内,总功耗为0.2 W(仅为传统超声波风功耗的1/20)。通过实测数据发现,FPGA结合数字滤波及互相关检测算法相比于传统的DSP(Digital Signal Processor)超声波风速风向仪能明显缩小体积,降低成本功耗。

阳江国际探空试验的GPS、探空、微波辐射计水汽资料对比分析

GPS/MET水汽资料因其建设维护成本低、时间分辨率高、可全天候、无人、自动观测等优点,已经成为获取大气水汽资料新的重要手段.以阳江第八届国际探空比对试验资料为基础,对比分析了GPS/MET与4种探空仪和微波辐射计获取的水汽资料.探空与GPS/MET测量的水汽值有较强的相关性,相关系数在0.57～0.74之间,但探空水汽值比GPS/MET偏高0.71～1.47 mm,方差在3.48～3.96之间.其中RS92探空仪测量的水汽变幅与GPS/MET基本相当,但国内探空仪水汽测量值的变幅明显高于GPS/MET,偏高近1.6～1.8倍.微波辐射计在天气较好时,测量精度较高,基本上以3个国产探空仪数据相当;但微波辐射计在雨天受罩子上的雨水影响,误差较大,与GPS/MET的测量值不相关.

基于视频识别的气象观测场设备监控技术研究

针对观测场长期无人监管,存在设备被人破坏和偷盗,且目前还没有对观测场设备进行实时监控的有效算法和系统等问题,比较目前典型的目标检测算法,将其应用于观测场设备的检测和识别。根据研究目标搭建数据获取平台,研究数据预处理算法,比较经典目标检测算法SSD和Yolov5两种模型在气象观测设备识别中的效果。两种模型实验对比结果表明,SSD的识别准确率为92.09%,但训练模型速度较快;Yolov5的识别准确率为95.82%,收敛很快,且识别结果较佳。

基于气象无人机观测的测风优化研究

气象无人机测风主要依托于皮托-静压管法,通过皮托管和静压管的气压差测得空速,通过GPS等设备测得地速,根据地速、空速和风速的三角矢量关系间接测得空速。现有的测空速模型采用标准大气压下的空气密度,不考虑无人机在飞行时的空气密度,这与标准大气不相符。本文通过2021年12月11日在四川省都江堰市的无人机飞行数据来分析空速和地速的变化。将原始空速和风速与考虑空气密度得到后的修正空速和风速对比发现:在不考虑空气密度的情况下,空速的绝对误差在-1.35~-1.25 m/s,相对误差在-6%左右;然而,传递给风速的平均相对误差却达到20%左右,最大达到40%。而引入空气密度可以消除这部分误差,从而提高测风精度。

基于BP神经网络气象数据质量控制方法研究

气象观测数据的准确与否与天气、气候等预报的准确性有直接联系。气象观测数据质量控制主要是为了确保数据能具有代表性、准确性和比较性。对中国传统的质量控制算法做综述,提出存在的一些问题。在传统质量控制算法基础上,提出基于BP神经网络一致性检查的新质量控制算法,对气象观测数据实现了更精确的质量控制。

基于气象大数据云平台的降水特征分析——以成都近30年降水数据为例

随着经济的发展、城市化进程的不断推进,提高农业现代化水平和效益成为关键。本文是基于气象大数据云平台(简称“天擎”)所共享的数据、接口,结合成都地区的地理位置,选取15个气象台站,对其近30年降水数据进行整合处理,利用一元线性回归模型拟合得到降水折线趋势图,并用M-K检验法对其进行纠正,从而得到成都地区近30年降水量的变化趋势及分布特征,可为成都的农业农村现代化发展提供精准参考及有效助力。

自研制天空成像仪云量提取算法研究

云在大气的能量分配、辐射传输、水循环以及极端天气的形成过程中有着不可忽视的作用。云量指云遮蔽天空的成数,是云最重要的宏观物理特征之一,对于云的研究具有重要意义。针对项目组成员自行研制的天空成像仪进行云量提取算法的开发和应用,经过实验对比,将天空成像仪拍摄图像根据灰度分为黑屏、较暗和较亮3类,并基于分类结果采用传统红蓝比阈值法与全局阈值法相结合的方法进行云量提取。根据云量提取结果,2021年成都地区云量年均值为0.69,月均值0.55~0.85,春夏季相较于秋冬季云量较低,且云量日变化特征存在一定差异。

风速自动检定系统的设计与实现

通过建立风速传感器自动检定应用软件平台,实现了风速仪器的自动检定和信息管理。风速的自动检测系统将现有风机控制、数据采集和仪器信息管理进行集成,具有送检仪器和标准仪器的信息自动记录和查询,数据自动采集和计算,自动生成检定记录表和检定数据的自动记录、查询等功能。该系统的建立,解决了检定工作人员人工操作易出错和工作效率低的问题,提高了风洞实验室的工作效率和质量。

风速对雨滴形状及下落速度的影响研究

为研究风速对雨滴形状和下落速度的影响,忽略其他因素分析雨滴下落过程中的受力情况,通过Beard和Chuang模型发现雨滴直径大于1 mm时雨滴发生形变,在只考虑水平风应力和空气阻曳力的作用下,通过建立模型观察水平风速影响雨滴水平末速度的变化过程。结果表明,当风速较小时雨滴更圆润,随着风速的增加雨滴形变更大。当风速小的时候平均粒子大小更大,反之随着风速的增加雨滴的直径变小,分析可能是风导致雨滴破裂产生的结果。

基于关联规则的故障诊断方法研究

提高自动气象站设备运行能力和观测数据的质量状况成为影响气象预测预报服务的准确性和气象事业发展的关键。然而中国现在业务运行的自动气象站设备并没有内置的故障检测装置,也没有完善的自检系统。但是气象要素(温湿压风雨)的变化往往是相互关联的,为了提高自动气象站数据质量,及时有效地判断设备故障。从大量观测数据试验结果进行研究,提出一种基于关联规则的故障综合诊断方法。通过使用Apriori挖掘算法,得到各气象要素及其变化量之间的强关联规则,通过实际观测数据验证2012年7月26日08时江西南昌站湿度传感器发生故障。

四川盆地极端降水演变特征及拟合

针对四川盆地容易出现极端降水事件的问题,利用四川和重庆共103个气象台站1985-2014年的逐日降水资料对四川盆地极端降水的时空演变特征进行分析,同时采用最大似然估计法估计广义极值模型参数,建立广义极值模型拟合四川盆地极值降水,结果表明对于平稳的极值序列,平稳的广义极值模型有较好的拟合效果;对于非平稳的极值序列,与平稳GEV模型相比,用模型参数与时间建立函数关系构建的非平稳GEV模型可以提高对极值降水的拟合效果。

青藏高原夏季地面热源的气候特征及其对高原低涡生成的影响

根据NCEP/DOE再分析资料的地面感热通量和潜热通量以及MICAPS天气图资料识别的高原低涡资料集,研究了近30年来青藏高原夏季地面热源和高原低涡生成频数的气候学特征,分析了高原地面加热与低涡生成频数的时间相关性及其物理成因。得到如下认知:夏季高原地面感热通量的气候均值为58 W m-2,近30年地面感热总体呈微弱的减小趋势。其中在1980年代初期和21世纪前10年的大部分时段,地面感热呈增大趋势,而中间时段呈波动式下降。地面感热具有准3年为主的周期振荡,1996年前后是其开始减弱的突变点。高原夏季地面潜热通量的气候均值为62 W m-2,近30年呈波动状变化并伴有增大趋势。地面潜热的周期振荡以准4年为主,地面潜热增大的突变始于2004年前后。夏季高原地面热源的气候均值为120 W m-2,其中地面感热与地面潜热对地面热源的贡献在夏季大致相当。地面热源总体呈幅度不大的减弱趋势,其中1980年代到1990年代末偏强,21世纪前6年明显偏弱,随后又转为偏强。地面热源亦呈准3年为主的周期振荡并在1997年前后发生由强转弱的突变。根据MICAPS天气图资料的识别和统计,近30来夏季高原低涡的生成频数整体呈现一定程度的线性减少趋势,低涡高发期主要集中在1980年代到1990年代中后期。低涡生成频数有准7年为主的周期振荡现象,自1990年代中期开始的低涡生成频数的减少态势在1998年前后发生了突变。夏季高原低涡生成频数与同期高原地面感热呈高度正相关,与地面潜热呈一定程度的负相关,但与同期地面热源仍呈较显著的正相关。因此,在气候尺度上,高原地面热源偏强特别是地面感热偏强的时期,对应高原低涡的多发期。本研究从气候统计的时间相关性角度揭示了高原地面加热作用对催生高原低涡乃至高原对流活动的重要性。

超声测风传感器在回路风洞中的测试

超声测风仪因启动风速小、无转动部件、不破坏风场、测量精度高等特点,适用于多种行业的测风需求。超声波测风的相关检定规程当前在国内尚未正式制定。本文借鉴风杯检定规程所选择的风速测试点,在HDF-720低速回路风洞中,对超声测风仪在不同角度下进行了测试数据统计分析。结果表明:超声测风仪可以安装在工作段面较大的风洞中进行测试,由于超声探头存在阴影效应,对于同一风速,不同角度上的测量结果稍有差异,而且不同风速对应的差异也不同。利用超声测风仪进行风速实时测量时,必须结合上述测试分析,按照超声传感器的安装角度,对测量值进行相应修正。

自动气象站监测运行能力可靠性评估

自动气象站运行能力的评估,其实质就是对自动气象站可靠性的评估,其目的在于指导自动气象站保障维护体系的建立和健全。借鉴大气透明度定义探讨自动气象站可靠性,解释产品可靠性指数分布的物理意义。根据模型统计分析在修改采集器设计、增加状态检测电路后自动气象站的运行能力(平均无故障时间),计算出实验考核指标。通过试验获得试验产品的平均无故障时间和置信度0.95下的最小无故障时间,并对将投入业务使用的双套站和三套站系统,在平均无故障时间和平均维修周期上做了相关讨论,为科学决策提供相关技术支持。

温室大棚气象环境监测网络系统设计

温室大棚在农业生产中可以有效减少自然灾害的影响,因此温室大棚的气象要素监测成为了迫切的需要。本设计中大棚不再是1个孤立的个体,而是将大棚组合为1个网络,单个大棚是1个节点,单个区域也可以是1个节点。设计了基于ADAM-4000系列的温室大棚气象环境监测网络系统,系统由环境参数采集端和监控中心2部分组成,采集终端以ADAM-4000系列为控制核心,负责采集温室大棚内的环境信息,通过串口把监测到的数据传送到监控中心上进行显示,并备份到数据库SQL Server里进行历史数据查询。

风速传感器检定与校准方法研究

为提高风速传感器检定校准的精确性,通过几种途径:计算各检定点测量值偏离均值百分比,分析风速传感器测量数据的一致性,评价检定环境的稳定性和气流均匀性;以3次测量数据平均值作为风速传感器示值进行比对,克服因风杯自身和环境因素对测量结果的影响;对风速传感器测量数据的误差处理,分析3种误差曲线间的趋势关系,找出传感器示值中的异常数据;对传感器测量数据和实际风速数据进行线性拟合,进一步验证传感器示值的精确度。得出拟合曲线斜率为1.0213相关系数达到0.99989。研究表明,通过以上方法综合应用,风速传感器检定校准的精确性得到显著提高。

称重雨量数据处理卡尔曼滤波应用

降雨量的测量,目前业务上应用较为广泛的是翻斗式雨量计,它只能测降雨,对于冰雹、降雪等固态降水的测量采用人工观测为主,称重式雨量计与翻斗式雨量计相比,其优势在于能实现所有类型降水的全天候自动化观测。本研究随机选择了一天无降水数据确定了滤波参数Q和R(过程噪声方差和观测噪声方差),根据确定的滤波参数,随机选择了无降水(2016年4月3日)和有降水(2015年7月21日、2015年8月7日)日采用卡尔曼滤波,并结合翻斗雨量传感器数据进行验证,结果表明,本研究确定的滤波参数采用卡尔曼滤波后能够有效去除称重雨量中的噪声,使滤波后的曲线变得平稳光滑,减小了数据的抖动频率和误差。

四川气温和降水量特征分析

为研究全球气候变暖背景下,四川气温和降水量的区域变化特征,将四川省11个地面气象基准站分为川西高原、四川盆地和攀西地区对30年气温和降水量资料进行分析,采用一元线性回归模型进行趋势分析并进行F显著性检验和R2拟合优度检验,采用滑动t检验和Mann-Kendall检验进行突变分析,得出各地区年季变化变暖显著,降水量方面川西高原呈上升趋势,四川盆地呈下降趋势,攀西地区无明显特征,季变化较大,夏季最多。各地区气温和降水量月变化明显,降水量主要集中在6、7、8月;气温和降水量区域差异明显,均自东向西递减;突变点方面川西高原、四川盆地和攀西地区气温分别在2002、1996、2004年,降水量分别在1987、1989、2005年。

基于Web的智能农业大棚监控系统的设计

温室大棚正朝着自动化和智能化的方向发展。本文基于研华ADAM-4000系列模块,使用Visual C#语言和ASP.NET 4.0技术开发了一款基于Web应用程序的智能农业大棚监控系统。实现了对大棚温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及外部风速、风向等气象要素的智能监控。

现行业务湿度传感器测量不确定度研究

依据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》,针对自动气象站各要素传感器的测量误差会随时间、温度等环境因素的变化而发生漂移。为确保观测数据的准确、可靠,以CP340恒温恒湿箱为湿度发生环境、采用英国michell公司的Optidew Vision精密露点仪为标准器,介绍了利用HMP155A温湿度传感器进行湿度测量不确定度评定的一般方法和详细步骤。最后给出一个评定实例,在温度为22℃和40℃,相对湿度为30%RH^75%RH时,通过对测量不确定度的各分量进行分析和计算,得到HMP155A温湿度传感器测量结果的扩展不确定度分别为1.50%和1.46%。