戶曉琴 ，饒智杰 ，段彭南 ，劉 爽

（1.四川省西充縣氣象局，四川 南充 637200；2.四川省儀隴縣氣象局，四川 南充 637600）

視程障礙現(xiàn)象是指影響能見度且其強(qiáng)度與能見度直接相關(guān)的天氣現(xiàn)象，是天氣現(xiàn)象觀測(cè)中一類重要的天氣現(xiàn)象[1-2]。隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，自2004 年以來，地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)在觀測(cè)時(shí)次、觀測(cè)方法和觀測(cè)儀器等方面先后進(jìn)行了較大調(diào)整，并印發(fā)了一系列技術(shù)文件和業(yè)務(wù)補(bǔ)充規(guī)定。為加強(qiáng)地面氣象觀測(cè)技術(shù)規(guī)定的系統(tǒng)性和完整性，發(fā)揮其對(duì)地面觀測(cè)業(yè)務(wù)的技術(shù)指導(dǎo)作用，中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司歸納整編了《地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)技術(shù)規(guī)定（2016 版）》。該技術(shù)規(guī)定保留了霧、輕霧、霾、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵6 種視程障礙現(xiàn)象，《霧的預(yù)報(bào)等級(jí)》（GB/T 27964—2011）、《霾的觀測(cè)識(shí)別》（GB/T 36542—2018）及《沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵的觀測(cè)識(shí)別》（QX/T 477—2019）等標(biāo)準(zhǔn)文件明確了這6 種視程障礙現(xiàn)象的判定依據(jù)，除了霧和輕霧以外，其余4 種視程障礙現(xiàn)象均需要借助空氣中實(shí)時(shí)顆粒物（PM10和PM2.5）質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行判識(shí)。自2014 年以來，視障現(xiàn)象判識(shí)逐漸由人工轉(zhuǎn)為自動(dòng)，自動(dòng)判識(shí)則是安裝不同監(jiān)測(cè)要素的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，判別當(dāng)前視障現(xiàn)象[3-4]。傳統(tǒng)的視程障礙現(xiàn)象觀測(cè)要素，如霧、輕霧、揚(yáng)沙、浮塵、霾等，已不能滿足當(dāng)前氣象環(huán)境需要[5-9]。DXC2 型視程障礙現(xiàn)象儀是目前投入使用的一種最新觀測(cè)儀器之一，西充國(guó)家基本氣象站已于2023 年7 月1 日起正式接入使用，它可以在線實(shí)時(shí)測(cè)量空氣中PM10、PM2.5和PM1顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，在ISOS 軟件上進(jìn)行綜合判識(shí)，輸出視程障礙類天氣現(xiàn)象，彌補(bǔ)了氣象部門在顆粒物質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)上的空白，大大提升了氣象服務(wù)能力[10]。

1 DXC2型視程障礙現(xiàn)象儀工作原理

DXC2 型視程障礙現(xiàn)象儀是利用激光散射的原理，當(dāng)采樣空氣以一定流速經(jīng)過激光測(cè)量模塊光學(xué)測(cè)量腔時(shí)，激光照射在氣溶膠樣本中的顆粒物上發(fā)生散射，散射光被某一特定角度的接收器接收，根據(jù)接收到散射光脈沖信號(hào)的頻率和強(qiáng)度，測(cè)量顆粒物的個(gè)數(shù)和粒徑大小，通過質(zhì)量訂正得到樣品空氣中PM10、PM2.5、PM1顆粒物的質(zhì)量濃度[8]。

DXC2型視程障礙現(xiàn)象儀工作原理如圖1所示。

圖1 DXC2型視程障礙現(xiàn)象儀工作原理圖

2 DXC2型視程障礙現(xiàn)象儀組成結(jié)構(gòu)

DXC2 型視程障礙現(xiàn)象儀由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分如圖2 所示，包括FGP251 顆粒物傳感器、WUSH-X 數(shù)據(jù)采集器、采樣進(jìn)氣頭、輔助測(cè)量單元、通信單元、供電單元和外圍組件等；軟件部分包括顆粒物傳感器和數(shù)據(jù)采集器中的嵌入式軟件以及業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件。

圖2 硬件組件

2.1 FGP251顆粒物傳感器

FGP251 顆粒物傳感器由主控單元、測(cè)量與控制模塊、激光散射器、流量計(jì)、抽氣泵和過濾器組成。主要功能是實(shí)現(xiàn)氣體采樣、顆粒物測(cè)量、流量監(jiān)測(cè)與控制。

2.2 WUSH-X數(shù)據(jù)采集器

WUSH-X 數(shù)據(jù)采集器是基于航天新氣象科技有限公司現(xiàn)有WUSH 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，與WUSH-BH6 數(shù)據(jù)采集器共用主板和通道板，具有5 個(gè)模擬采樣口、2 個(gè)頻率接口、1 個(gè)格雷碼風(fēng)向接口、5 個(gè)數(shù)字（RS-232/485）接口和1 個(gè)CAN 總線接口。滿足顆粒物傳感器、輔助測(cè)量單元、流量計(jì)、加熱溫度、擴(kuò)展要素等接入需求。

2.3 采樣進(jìn)氣頭

采樣進(jìn)氣頭主要由防雨帽、防蟲網(wǎng)、進(jìn)氣口、進(jìn)氣管路、加熱除濕模塊和溫度傳感器組成。主要功能是防止雨水及飛蟲進(jìn)入氣路，同時(shí)對(duì)吸入的氣體進(jìn)行加熱除濕處理。

2.4 輔助測(cè)量單元

輔助測(cè)量單元主要由防輻射罩、溫濕度傳感器、氣壓傳感器和安裝座組成。主要功能是對(duì)采樣氣體的溫度、濕度和氣壓進(jìn)行測(cè)量。

2.5 通信單元

通信單元由TCF-142-M-ST 串口光纖轉(zhuǎn)換模塊組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)RS-232/光纖通信轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

圖3 通信單元組成

2.6 供電單元

供電單元由斷路器、交流避雷器、開關(guān)電源和雙層端子排組成。主要功能是實(shí)現(xiàn)220 V 交流到12 V直流的轉(zhuǎn)換，如圖4 所示。

圖4 供電單位組成

3 DXC2型視程障礙現(xiàn)象儀主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 電氣及環(huán)境適應(yīng)性

DXC2 型視程障礙現(xiàn)象儀電氣及環(huán)境適應(yīng)性情況，如表1所示。

表1 電氣及環(huán)境適應(yīng)性情況

3.2 顆粒物測(cè)量性能

DXC2 型視程障礙現(xiàn)象儀顆粒物測(cè)量性能，如表2 所示。

表2 顆粒物測(cè)量性能

3.3 輔助測(cè)量要素技術(shù)指標(biāo)

DXC2 型視程障礙現(xiàn)象儀輔助測(cè)量要素技術(shù)指標(biāo)，如表3所示。

表3 輔助測(cè)量要素技術(shù)指標(biāo)

4 日常維護(hù)及故障排查

4.1 安裝要求

設(shè)備布局在現(xiàn)有國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站內(nèi)，布局原則參考《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》和《氣象儀器和觀測(cè)方法指南》的基本要求，同時(shí)兼顧實(shí)際情況。所安裝的視程障礙現(xiàn)象儀周圍水平面應(yīng)保證270°以上的捕集空間，如果監(jiān)測(cè)設(shè)備一邊靠近建筑物周圍水平面，應(yīng)有180°以上的自由空間。視程障礙現(xiàn)象儀采樣口高度應(yīng)距離地面2.8 m。推薦視程障礙現(xiàn)象儀可以和能見度設(shè)備安裝在同一個(gè)立柱上。

4.2 防雷要求

采用電源、信號(hào)電涌保護(hù)器，防止或減少雷電波引入所產(chǎn)生的脈沖過電壓和脈沖過電流，造成站點(diǎn)設(shè)備損壞或失效。

4.3 日常維護(hù)

檢查采樣進(jìn)氣頭進(jìn)氣口濾網(wǎng)、排氣口是否被蜘蛛網(wǎng)、飛蟲、灰塵等堵塞，及時(shí)清理；定期查看觀測(cè)數(shù)據(jù)是否存在異常，以便及時(shí)檢查并排查故障；過濾器是易耗品，如檢查發(fā)現(xiàn)過濾器中濾芯有明顯的顆粒物沉積，需及時(shí)更換過濾器。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

視程障礙現(xiàn)象儀通過USB 轉(zhuǎn)RS232 串口線與筆記本連接，連接方式如圖5所示。

圖5 串口連接圖

常見的串口調(diào)試工具有串口調(diào)試助手V2.2/2.0、SSCOM3.2 等，本研究小組使用的是串口調(diào)試助手V2.2。通過串口調(diào)試工具對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，命令設(shè)置臺(tái)站號(hào)（QZ,8*****）、日期（DATE,YYYY-MM-DD）、時(shí)間（TIME,HH:MM:SS）、經(jīng)度（LONG,DDD.MM.SS）、緯度（LAT,DD.MM.SS）、設(shè)備ID號(hào)（ID,000）等。

正式投入使用前，需要對(duì)設(shè)備樣本數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。首先發(fā)送SAMPLES 命令，讀取樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)格式如表4所示。

表4 樣本數(shù)據(jù)格式

再次發(fā)送READDATA 命令，讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為：

4.5 常見故障排查

4.5.1 觀測(cè)無數(shù)據(jù)

步驟一：檢查斷路器是否跳閘，若跳閘，則合上開關(guān)再查看是否有數(shù)據(jù)。

步驟二：觀察開關(guān)電源指示燈是否長(zhǎng)亮，若不亮則檢查開關(guān)電源輸出端電壓是否為直流14.5 V 左右。若輸出電壓為0 V 左右，則測(cè)量交流電源輸入端電壓是否為220 V 左右。若交流電壓正常，開關(guān)電源輸出為0 V 左右，則更換開關(guān)電源；若交流電壓為0 V，則檢查交流電源輸入并恢復(fù)供電。

步驟三：檢查采集器指示燈閃爍是否正常，若閃爍不正常則需更換采集器。

4.5.2 通信異常

步驟一：觀察通信模塊POWER 燈是否長(zhǎng)亮，若指示燈滅，測(cè)量模塊供電電壓是否為直流12 V～15 V之間。若直流電壓正常，則更換通信模塊；若直流電壓異常，則判斷為電源故障。

步驟二：觀察通信模塊POWER 燈是否長(zhǎng)亮，若指示燈長(zhǎng)亮，更換故障光纖通信模塊或光纖。

4.5.3 數(shù)據(jù)異常

步驟一：檢查采集器參數(shù)配置是否正常。

步驟二：通過萬用表檢查傳感器供電電壓，若傳感器供電電壓低于12 V，則判斷為傳感器供電有故障。

步驟三：若傳感器供電電壓在12 V～15 V 之間（正常），則判斷為傳感器故障，需更換傳感器。

5 結(jié)論

DXC2 視程障礙現(xiàn)象儀能夠很好地監(jiān)測(cè)PM10、PM2.5、PM1顆粒物濃度，大大提升了氣象部門在環(huán)保、農(nóng)業(yè)、交通方面的氣象服務(wù)能力，為氣象高質(zhì)量發(fā)展提供了保障。由于目前設(shè)備運(yùn)行時(shí)間短，對(duì)數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)用還存在不足，對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的實(shí)際問題還需要進(jìn)一步研究。下一步，將收集長(zhǎng)期有效的數(shù)據(jù)樣本、故障疑誤分析，完善技術(shù)分析方法，為實(shí)際業(yè)務(wù)工作研究提供更準(zhǔn)確的參考依據(jù)，更好地為農(nóng)業(yè)部門服務(wù)。