基于光学原理的地面气象观测仪器及应用分析

基于光学原理的地面气象观测仪器及应用分析

胡涛

四川省阿坝州若尔盖县气象局 624599

摘要：地面气象观测是指通过目力以及仪器对近地面的大气状况以及天气现象进行观测。对于传统的温度、降水、气、湿度、压力、风等已经可以实现仪器观测，但对于一些复杂的能见度和天气现象仍然依靠人工目测。人工测量准确性不够，对复杂天气现象的认知能力也不足。但随着光电技术的发展，光学传感仪器也越来越先进，越来越多新仪器的出现，可以帮助人类更好的处理气象问题。本文通过光学仪器的一些器械原理，探讨在使用光学仪器时的注意点，并简述在光学原理下地面气象观测仪器的应用分析能力。

关键词：光学原理；地面气象观测仪器；应用分析能力

引言

由于科技水平的限制，传统在测量地面气象观测时，往往是通过人力测量。但人为测量总存在一些差异，甚至会造成一些错误，干扰地面气场观测的结果。随着经济和科技水平的不断发展，光学水平也达到了一个新的高潮，也产生了不少以光学原理为基础的地面气象观测仪器。在这些仪器的帮助下，人们可以更好地对复杂的天气情况以及能见度问题进行系统的研究。毕竟是一个新技术，不少人对地面气象观测仪器的利用能力心存疑惑。本文通过简述光学原理下地面气象观测仪器，并作出相应的分析应用。

一、简述光学原理下地面气象观测仪器

光学原理以光的直线传播性质为基础，对光在不同介质的传播中进行研究。地面仪器观测正是利用仪器和目力，对大自然中的气象要素和天气状况进行研究，得出相关的气象结论。但气象决论并非是地区性，测量的气候数据需要在全球范围内进行比较，也就需要不断提高气象测量的精准性。这就需要在光学原理的指导下，生产更加先进的地面气象观测仪器。

1.云的观测仪器

首先就是测量各种云类的观测仪器。云是大气水汽不断凝结的结果，漂浮在空气中，来无影去无踪。如果凭借人类的技术，很难真正地语音进行系统的观测。对云的观测不仅需要观测云量的大小，云层的厚度，云的大致形状。云的特殊状态，给观测带来了巨大的压力。

随着科技的进步，在光学技术的指导下，自动化的测云技术开始投入生产。因为波段分为可见光和红外线两种，所以测云仪器也就自然分成了可见光和红外线两种。对于可见光测云仪器，操作时非常简单，只需要直接拿着手机对天空进行拍照就可以了。根据拍照时显现出的亮度，可以直接判断出当前天空的状态。但可见光测云仪器同样有很大的局限性，只能应用于白天，不能在夜间工作。在使用过程中，一旦受到大气能见度的影响，很有可能会影响拍摄结果。

相比于此，红外波段测云仪器分布更加广泛。该方法是通过测量云的亮度和实际温度，从而得出相关的数据。红外段测云仪器的镜头非常窄，并不能进行整体测量，只能通过局部数据代替整体数据。因为要判断红外辐射情况，所以在每次应用时都要进行定标，使用的难度性较大^[1]。

2.能见度的观测仪器

在测量能见度之前，要首先测量出大气的消光系数，然后结合相关的公式定律，对能见度进行系统的计算。自发展以来，能见度的测量仪器有很多种，除了透射式、散射式，也出现了比较先进的数字摄像法。以散射式能见度仪为例，此类散射仪器就是在光学原理应用下进行的，通过测量散射光强来获取消光系数，从而得出相关的确定结论。因为这种仪器使用简便，性价比也非常高，所以在各个行业都能见到它的身影^[2]。

3.天气现象的观测仪器

天气变幻莫测，如果没有科学的仪器测量，仅仅凭借人力，将会是一个既浩大又繁杂的过程。古时总有谚语，天气的变化像娃娃的脸，变化无常。的确，天气现象不仅包括降水、打雷、大风、下雨，甚至是一些极端的天气。那么在光电技术下，应该如何对天气现象进行测量呢？以判定降水类型为例，降水粒子在穿过光束，对正常的传播会有一定的扰乱作用。这时我们可以捕捉光信号，通过对信号的强弱的分析，得出相关的准确结论。基于光的不同反应程度，我们也将这类仪器分成了两种。第一种就是根据光强的闪烁特征来判断。因为天气现象的能谱不同，光强的闪烁特征就不同，通过这些独特的闪烁特征，就能够分辨出不同的天气现象。第二种是根据降水粒子的大小和速度来判断。利用图像来观察降水粒子的大小以及速度，通过对这现象和速度的分析，判断降水类型。

二、光学原理下地面气象观测仪器的应用分析

根据对以上三类现象的影响，我们发现在特殊情况下，通过使用地面气象观测仪器能够减小工作量，事半功倍，得到想要的结果。而随着科技的发展，我们有足够多的信心相信，在光学原理下，地面气象观测仪器能力会越来越强。对于大部分科研人员来说，应该如何利用地面气象观测仪器进行应用分析呢？在使用的过程中，又应该注意什么呢^[3]？

1.仪器必须要拥有良好的环境适应能力

气象观测仪器需要长期在户外，这就提出了一个新的要求，气象观测仪器必须要适应恶劣的外界环境。室外环境与室内环境不同，非常容易受到灰尘、雨、雪、霜、露的影响，这些现象不能对气象观测仪器的工作能力造成影响。为了保证探测仪器能够正常工作，不影响工作环境，需要保证仪器能够抗击外界恶劣环境的准备，包括高温环境和超低温环境。但仪器不能够适应外界恶劣的工作环境，就非常容易对工作进度产生影响，严重时甚至会影响到整个气象部门的播报工作。保证仪器拥有良好的环境适应能力，除了提前进行相关的保护工作，工作人员要对核心观测部分进行保护，对于那些容易受污染的空间进行密封。此外也要及时做好控温处理。对于那些敏感的镜头部位，减少传感器的温度感应效应。

2.地面气象观测仪器必须要保证长久的稳定性

随着仪器使用时间的不断增长，仪器的性能也会有相关的退化，系统的测量精度也会产生一定的影响。为了保证仪器的长期稳定，除了要对仪器进行校准和维护之外，也要对仪器的关键部位进行清洗和擦拭，必要时通过对关键信号的检测，来测量仪器的关键部位。其次，可以利用当前的人工智能和大数据水平，加强光电传感器的能力，满足稳定性以及数据准确性等一系列要求^[4]。

3.地面气象观测仪器要拥有定标和数据分析能力

地面气象观测仪器定标的目的是将传感器得到的数字内容化为物理基本知识点，光电传感器的定标是为了能对光电设备的非均匀性进行校正。因为受到自身的散粒噪声，热噪声的影响，光电传感器会引起非均匀性，影响到数据的获取和采集。数据的分析能力则是在获取原有数据的基础上，利用相关理论和工具对数据进行加工，计算出相关数值。定标和数据处理是地面气象观测仪器的一个重要环节。

三、结束语

通过以上对地面观测仪器的应用分析，我们不难发现，在逛街信息系统的发展下，地面观测仪器的能力有了大幅度的提升。对于户外观测来说，地面观测仪器的好坏直接影响到了测量的精确性以及最后数据的准确性。为了不断提高我国地面观测能力，相关人员要积极检查地面观察设备，及时做出相关的反馈。光学研究部门以为要加快研究进程，设计出更加先进的地面观测仪器。国外相关研究机构对光学原理研究下地面观测仪器的发展进程较早，研究的成果也较为丰富。通过近些年的研究，我国也引进了相关的探测器，利用我国现有的先进成熟技术，进行进一步研究。我们完全有理由相信，在我国光电工作者和气象工作者的共同配合研究下，地面观测即将进入一个新的发展阶段。

参考文献：

[1]李光涛，王飞，覃雪.自动气象站的使用维护技巧[J].黑龙江气象，2020，27：43-44.

[2]郑雪梅等.自动气象站仪器撤换方法与步骤[J].安徽农学通报，2019（12）：190.

[3]董平，刘金霞，魏亦非.影响自动站资料传输时效的因素分析[J].电脑技术与知识，2018，7：2764-2765.

[4] 刘丽秋、李明哲：《夏季地面气象观测注意事项》[J]，《吉林农业：学术版》，2019年第6期.