楊再禹,楊 平,謝佳豪
(貴州省三穗縣氣象局,貴州 三穗 556500)
三穗國家基準(zhǔn)氣候站地處貴州省東部,屬低海拔地區(qū),承擔(dān)著溫度、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度、日照、天氣現(xiàn)象、雨量、云、蒸發(fā)、結(jié)冰、覆冰監(jiān)測任務(wù);自建站以來,每年1月、2月、12月(以下簡稱冬季)或多或少都會(huì)出現(xiàn)凝凍天氣,氣溫較低、有雨雪天氣時(shí),風(fēng)向、風(fēng)速傳感器、雨量筒等氣象設(shè)備易被凍結(jié),待到自然解凍時(shí),已經(jīng)丟失了大量數(shù)據(jù),嚴(yán)重影響三穗國家基準(zhǔn)氣候站的設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行率、數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)率和數(shù)據(jù)可用性,造成歷史數(shù)據(jù)不連續(xù),無法修復(fù)彌補(bǔ)。長期以來,三穗氣象工作者周而復(fù)始前往10 m高的風(fēng)塔頂人工除冰,如遇到凝凍強(qiáng)勁的天氣,即使白天攀爬上冰滑的風(fēng)塔完成除冰,可夜間又被凍住了,且該方法對(duì)人身安全帶來隱患,又容易對(duì)風(fēng)傳感器機(jī)械部位造成物理損壞。
近年來,氣象工作者對(duì)風(fēng)向風(fēng)速傳感器冬季防凍做了大量研究。張雅昕等[1]運(yùn)用25 W/24 V電加熱器通過廠家嵌入風(fēng)向、風(fēng)速傳感器自動(dòng)保溫進(jìn)行了研究;柯莉萍等[2]利用加熱絲進(jìn)行加熱的方法對(duì)風(fēng)向風(fēng)速傳感器防凍設(shè)計(jì)在西南地區(qū)高海拔地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;無錫新氣象科技有限公司采用陶瓷PTC發(fā)熱片進(jìn)行外置加熱防凍[3];2019年以來,三穗縣氣象局從業(yè)人員利用加熱條、加熱線、加熱片反復(fù)進(jìn)行加熱試驗(yàn),其中采用加熱片的方法簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、耐用。本文利用三穗縣國家基氣候站2008—2020年冬季逐日、逐時(shí)、逐分鐘地面氣象監(jiān)測資料,詳細(xì)分析冬季冰凍期間風(fēng)向風(fēng)速相關(guān)氣象信息,判定風(fēng)向風(fēng)速凍住的氣象要素閾值,采用USB碳纖維發(fā)熱片,運(yùn)用智能化科學(xué)控?zé)岱绞剑U狭孙L(fēng)向、風(fēng)速監(jiān)測資料連續(xù)可靠,確保冬季氣象資料準(zhǔn)確及時(shí)、精密可靠,對(duì)冬季低海拔地區(qū)風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)正常采集具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
三穗國家基氣候站2008—2020年1月、2月、12月月報(bào)表、分鐘報(bào)表等逐日、逐時(shí)、逐分鐘地面氣象觀測資料。
1.2.1 統(tǒng)計(jì)分析 統(tǒng)計(jì)2008—2020年1月、2月、12月月報(bào)表(見表1),發(fā)現(xiàn)14 a中有2 a(2009年和2017年)風(fēng)向、風(fēng)速傳感器沒有被凍結(jié)外,其余12 a都有被凍結(jié)的月份,被凍結(jié)率達(dá)85%以上。14 a來,一年中風(fēng)向、風(fēng)速傳感器3個(gè)月都被凍結(jié)的為0,2個(gè)月的有3 a,占比為21%,1個(gè)月的有9 a,占比達(dá)64%。風(fēng)向、風(fēng)速傳感器凍結(jié)時(shí)間最長為128 h,出現(xiàn)在2018年1月,其次為2011年1月,凍結(jié)時(shí)間111 h,第3是2015年的1月底,持續(xù)100 h。統(tǒng)計(jì)還發(fā)現(xiàn)風(fēng)向、風(fēng)速傳感器在1月凍結(jié)時(shí)間最長,2月時(shí)次最多,1月和12月凍結(jié)時(shí)次都是4次,但12月風(fēng)向、風(fēng)速傳感器凍結(jié)時(shí)間均在30 h以內(nèi)。
表1 2008—2020年風(fēng)向風(fēng)速傳感器凍結(jié)情況統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Wind direction and wind speed freezing statistics in 2008—2020
續(xù)表1
1月份月極端最低氣溫為-0.3~-5.9 ℃,2月份月極端最低氣溫為0.7~-5.3 ℃,12月份月極端最低氣溫為-0.8~-5.3 ℃。由此,2月份極端最低氣溫有可能在0 ℃以上,從風(fēng)向、風(fēng)速傳感器被凍結(jié)狀態(tài)來看,不僅僅與氣溫有關(guān),同時(shí)與天氣狀況有密切關(guān)系。即使氣溫達(dá)到-5.0 ℃以下,若沒有凍雨產(chǎn)生,將不會(huì)凍結(jié)風(fēng)要素傳感器,如有降水,氣溫達(dá)-1.8 ℃時(shí)也會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)。因此,采用加熱裝置時(shí),整個(gè)冬季都不能拆除,需保持應(yīng)急狀態(tài)。
1.2.2 閾值分析 統(tǒng)計(jì)2008—2020年1月、2月、12月分鐘數(shù)據(jù)報(bào)表(見表2)。
表2 2008—2020年風(fēng)向風(fēng)速傳感器凍結(jié)與解凍時(shí)部分氣象要素變化情況表Tab.2 The change of some meteorological elements when wind direction and wind speed are frozen and thawedin 2008—2020
續(xù)表2
從表2可知,風(fēng)向風(fēng)速凍結(jié)時(shí)前1 min氣溫在0.3~-2.4 ℃之間、風(fēng)速在0.1~2.5 m·s-1、相對(duì)濕度86%~97%,風(fēng)向風(fēng)速自然解凍時(shí)氣溫在0.5~-1.3 ℃之間、風(fēng)速在0.1~2.6 m·s-1、相對(duì)濕度63%~95%。查詢?cè)聢?bào)表發(fā)現(xiàn),所有被凍結(jié)的時(shí)段都是前期有持續(xù)凍雨或雨雪天氣發(fā)生。因此,采用加熱法防止風(fēng)向風(fēng)速凍結(jié),至少設(shè)置0.3 ℃時(shí)啟動(dòng)加熱裝置,上限根據(jù)本地歷史凝凍程度靈活設(shè)置。
2019年以來,通過對(duì)三穗國家基準(zhǔn)氣候站主站以及備用站的ZQZ-TF風(fēng)向、風(fēng)速傳感器凍結(jié)狀況觀察,發(fā)現(xiàn)其凍結(jié)方向均在偏北方位,于正北方120°范圍內(nèi)形成覆冰。隨著冰雪、凍雨時(shí)間延長,致使風(fēng)速、風(fēng)向機(jī)械傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)部位及上下邊緣覆冰層層疊加,累積成較大范圍的冰塊,阻礙風(fēng)速傳感器隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)速度和風(fēng)向擺動(dòng),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2.5 m·s-1(見表2)以下時(shí),就能將風(fēng)速、風(fēng)向傳感器牢牢凍住,此時(shí)風(fēng)速為“0”,風(fēng)向長時(shí)間停滯在一個(gè)方向不能隨風(fēng)擺動(dòng),造成風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)失真,不能正確反映一段時(shí)間的實(shí)況。監(jiān)測發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度保持在0.5 ℃以上時(shí),借助風(fēng)向、風(fēng)速傳感器的轉(zhuǎn)速,是不容易被凍結(jié)的,只有在溫度一降再降或一直維持?jǐn)?shù)分鐘0.3 ℃以下(見表2),才會(huì)發(fā)生凍結(jié)。
2019年1月以來,采用220V加熱帶進(jìn)行試驗(yàn),又用USB鼠標(biāo)暖手墊中的加熱線試驗(yàn),后改用12V碳纖維發(fā)熱片進(jìn)行加熱試驗(yàn),在2019年2月后的4次凍結(jié)過程中能保證風(fēng)速、風(fēng)向傳感器正常運(yùn)行,數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸正常。
2019年2月17日風(fēng)速缺測,2月17日19時(shí)26分啟動(dòng)加熱裝置,19時(shí)27分風(fēng)速傳感器開始轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)風(fēng)速達(dá)到0.2 m·s-1,因凍結(jié)時(shí)間不長,冰層不厚,加熱用時(shí)不長。
2020年12月14日08時(shí)40分開啟加熱裝置加熱主站風(fēng)速傳感器,08時(shí)46分有數(shù)據(jù)傳輸,據(jù)監(jiān)測,一共加熱了4 min 42 s后風(fēng)速轉(zhuǎn)動(dòng)正常;因備份站一直加熱,無數(shù)據(jù)缺測,而主站因凍結(jié)共造成缺測2 h 38 min,加熱裝備啟動(dòng)后沒有發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。
2021年1月7日和17日為雨雪天氣,1月6日和16日分別設(shè)置好智能加熱溫控儀,啟動(dòng)加熱裝置,2021年1月、2月沒有出現(xiàn)風(fēng)向風(fēng)速傳感器凍結(jié)現(xiàn)象,由此可見,采用此方法是有效的。
在測試過程中,采用OPPO電源適配器,型號(hào)CF1001,輸入電壓100-240~50/60 Hz 0.2 A,輸出為5V=1000 mA;三星充電器,型號(hào)EP—TA10CBC,輸入電壓100-240~50/60 Hz 0.35 A,輸出為5.3 V=2.0 A;NOKIA充電器,型號(hào)AC—8C,輸入電壓100-240~50/60 Hz 150 mA,輸出為5.3 V=600 mA;3種充電器加熱時(shí)(碳纖維發(fā)熱片電線長1.2 m),2 min后均加熱到35 ℃及以上,最后在55 ℃左右就沒有再升溫。如將碳纖維發(fā)熱片卷曲放入30 mL注射器中進(jìn)行加熱,10 min后可以將其軟化,再繼續(xù)加熱,可將30 mL注射器融變形。由此可以判斷,碳纖維發(fā)熱片在敞開的環(huán)境中加熱,溫度是有上限的。測試用其卷曲包裹在風(fēng)向、風(fēng)速傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸下方,連續(xù)加熱1周無異常(室內(nèi))??梢?,將其覆蓋包裹在室外的ZQZ-TF風(fēng)向、風(fēng)速傳感器上加熱,因直接接觸空氣,冬天溫度低,容易散熱,開啟一周的時(shí)間是不會(huì)發(fā)生異常的。
碳纖維發(fā)熱片為DIY暖腳寶、鼠標(biāo)墊、暖手套、電熱膜等方面運(yùn)用,功率10 W,發(fā)熱均勻,發(fā)熱量低。
本文防凍裝置采用碳纖維發(fā)熱片4片(1.2 m長透明塑料膜8 cm×10 cm),集線器1根(4口USB2.0),溫控儀1臺(tái)(XH—W1412牌LCD微電腦數(shù)字顯示),手機(jī)充電器1臺(tái)(5V單USB口),電源線1根(15 m),風(fēng)向、風(fēng)速傳感器加裝加熱片系統(tǒng)如圖1a,發(fā)熱片安裝效果如圖1b,其成本價(jià)在人民幣200元以內(nèi)。
圖1 加裝加熱器系統(tǒng)框架圖(a),外置碳纖維發(fā)熱片安裝效果圖(b)Fig.1 Add heater system(a),external heating plate installation(b)
利用可調(diào)控溫XH—W1412微電腦LCD數(shù)字溫控儀(以下簡稱溫控儀),對(duì)風(fēng)向風(fēng)速傳感器周圍的環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,當(dāng)溫度傳感器(NTC10k熱敏電阻)感應(yīng)到周圍環(huán)境溫度低于設(shè)定的臨界溫度時(shí),控溫儀繼電輸出,啟動(dòng)加熱片進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度上升到高于設(shè)定的臨界溫度時(shí),加熱自動(dòng)斷開,從而達(dá)到風(fēng)向風(fēng)速傳感器防凍的目的。根據(jù)閾值分析結(jié)果,本試驗(yàn)控制加熱到2.0 ℃停止,低于0.5 ℃時(shí)再加熱,即設(shè)定啟動(dòng)值為0.5 ℃停止為2.0 ℃。
①三穗國家基準(zhǔn)氣候站冬季風(fēng)向、風(fēng)速傳感器凍結(jié)率達(dá)85%以上,凍結(jié)時(shí)間最長為128 h;風(fēng)向、風(fēng)速傳感器凍結(jié)前1 min氣溫在0.3~-2.4 ℃之間、風(fēng)速0.1~2.5 m·s-1、相對(duì)濕度86%~97%;風(fēng)向、風(fēng)速傳感器自然解凍時(shí)氣溫在0.5~-1.3 ℃之間、風(fēng)速0.1~2.6 m·s-1、相對(duì)濕度63%~95%。
②三穗國家基準(zhǔn)氣候站溫控儀閾值設(shè)定啟動(dòng)值為0.5 ℃、停止為2.0 ℃適宜;當(dāng)氣溫保持在0.5 ℃以上時(shí),借助風(fēng)向、風(fēng)速傳感器的機(jī)械轉(zhuǎn)速,不容易被凍結(jié)。
③該防凍裝置在三穗國家基準(zhǔn)氣候站運(yùn)行設(shè)備上外場試驗(yàn),操作過程簡捷,實(shí)驗(yàn)效果明顯,對(duì)保障冬季風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)正常監(jiān)測與傳輸具有實(shí)用價(jià)值。
④該防凍裝置加熱功率低,裝置具有很高的安全性、可靠性、穩(wěn)定性,用碳纖維發(fā)熱片加熱方法簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、耐用、具有可移植性;研究團(tuán)隊(duì)將嘗試將其運(yùn)用于雙翻斗雨量等氣象監(jiān)測設(shè)備的冬季觀測。