氣象探測設備常見故障分析＊

薛風國，隋 丹，楊智濤，高 峰，趙忠凱，魏新華

（1.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.南京信息工程大學，江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044）

綜合氣象觀測運行監(jiān)控系統(tǒng)（ASOM）是中國氣象局氣象探測中心于2010年完成設計和建設的集運行監(jiān)控、維護維修、裝備供應保障、站網(wǎng)信息、綜合分析評估、綜合顯示、信息服務和系統(tǒng)管理于一體的中國氣象局業(yè)務系統(tǒng)[1-3]。其中，運行監(jiān)控部分主要是對新一代天氣雷達、探空系統(tǒng)、自動氣象站、自動土壤水分站和閃電定位儀的運行狀況進行監(jiān)控，如圖1所示。維護維修部分對各種設備故障情況、停機情況、巡檢情況、維護維修情況進行跟蹤，如圖2所示。對各種氣象觀測設備常見故障進行歸納總結，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，可以更好地指導臺站人員進行氣象觀測設備的維護維修，這具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

ASOM注重氣象設備的運行可靠性，采用業(yè)務可用性作為業(yè)務考核指標。除了新一代天氣雷達之外，其他觀測設備以數(shù)據(jù)到報及數(shù)據(jù)質量作為設備運行狀況的判定依據(jù)。這難免會受到通訊傳輸和數(shù)據(jù)質量控制算法的影響，在體現(xiàn)設備運行狀態(tài)方面存在很大的局限性。

圖1 ASOM監(jiān)控部分

近年來，我國氣象觀測設備的運行保障工作在技術手段、體制機制上得到了快速發(fā)展，在氣象設備生產(chǎn)定型上更加注重設備的可監(jiān)控性設計。運行監(jiān)控作為全國性的業(yè)務工作，通過設立專門運行監(jiān)控業(yè)務機構、多級監(jiān)控系統(tǒng)等使其在內(nèi)涵和外延上發(fā)生了變化。監(jiān)控的范疇由單一向綜合方向轉變，由最初對數(shù)據(jù)傳輸情況的監(jiān)控向設備運行狀態(tài)、觀測站網(wǎng)、運行保障和探測質量等方面發(fā)展[4-5]。

圖2 ASOM維護維修部分

1 氣象觀測設備常見故障及分析

1.1 新一代天氣雷達

在新一代天氣雷達運行的過程中，發(fā)生故障的類別有發(fā)射系統(tǒng)故障、監(jiān)控系統(tǒng)故障、天線/饋線系統(tǒng)故障、接收機/信號處理機故障、光纖系統(tǒng)故障、伺服系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)處理與顯示終端故障[6]。這些故障會影響雷達數(shù)據(jù)的正常上傳，對氣象預報產(chǎn)生一定的影響。

發(fā)射系統(tǒng)常見的故障備件有調(diào)制器、風機、開關組件、觸發(fā)器、可控硅、燈絲電源、泵臺電源和磁場電源等。這些備件出現(xiàn)故障的原因有，全天候運轉而導致老化磨損，高壓過流導致劇烈發(fā)熱而被擊穿，電壓不穩(wěn)導致備件被擊穿等。

接收系統(tǒng)主要故障備件有混頻/前置中放、頻綜、IF放大/限幅器。接收系統(tǒng)故障主要有，頻率源損壞或頻綜濾波器無輸出造成掃描無回波，IQ相位檢波器故障導致回波出現(xiàn)大量噪點，信號處理器損壞導致回波為圓餅圖，接口機接口板線纜的衰減和線性通道增益常數(shù)的設置不合理會導致回波強度的過強或過弱等。

天饋系統(tǒng)主要故障備件有波導及波導開關、匯流環(huán)及碳刷、周角盒等。長時間工作造成的磨損會導致匯流環(huán)和碳刷的損害，惡劣的溫濕度環(huán)境會造成誤差電壓波動幅度大，導致天線和高壓器件故障。

伺服系統(tǒng)俯仰電機和方位電機故障易多發(fā)，原因主要有長時間連續(xù)工作的磨損；碳刷長時間工作導致碳粉聚集，造成短路燒毀電機；漏油導致方位減速箱故障等。

通訊系統(tǒng)主要故障備件有上光纖線路板和光端機，監(jiān)控系統(tǒng)主要故障備件有監(jiān)控主板，其他故障備件有電源保險、空氣開關等。

另外，經(jīng)常出現(xiàn)虛假報警、狀態(tài)文件/產(chǎn)品文件未到報（狀態(tài)文件上傳軟件故障/產(chǎn)品文件上傳軟件故障）等情況。部分臺站人員單據(jù)填寫不規(guī)范特別是停機時間和維護時間填寫不規(guī)范也會影響業(yè)務可用性。

1.2 探空雷達

在探空雷達運行過程中發(fā)生故障的主要是雷達附屬設備，視頻攝像頭故障、俯仰電機皮帶老化、WT9線纜破損、天線控制盒故障等是常見故障[7]。部分雷達在大修后器件耐老化程度和硬件質量與大修前相比有所下降，尤其是攝像頭，影響到的臺站比較多。

1.3 自動氣象站

黑龍江省在網(wǎng)運行的國家級自動氣象站共84部，當前，全省各臺站都處于雙套站并軌運行狀態(tài)，一代站以長春氣象儀器廠生產(chǎn)的系列產(chǎn)品為主、華創(chuàng)產(chǎn)品為輔，二代站為中國華云技術開發(fā)公司生產(chǎn)的系列產(chǎn)品。

據(jù)統(tǒng)計，自動氣象站運行過程中發(fā)生故障的類別有傳感器故障、供電系統(tǒng)故障、軟件和業(yè)務終端設備故障、采集器故障和通訊傳輸設備故障等[8-10]。

全省各部自動站的到報率均接近100%，業(yè)務可用性在每年5月和6月最低，這是由于汛期前自動站年度現(xiàn)場標定工作中因工作需要對被檢定自動站斷電，從而產(chǎn)生了錯誤數(shù)據(jù)，以及傳感器更換過程中環(huán)境改變，導致一定時間段的數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化，并且各類要素數(shù)據(jù)回歸到真實數(shù)據(jù)需要一定的時間。另外，地溫傳感器故障和線路調(diào)整也是造成數(shù)據(jù)錯誤的常見原因。同時，在新軟件的應用過程中，軟件不太穩(wěn)定以及臺站觀測人員操作不熟練也會造成部分臺站要素缺測和部分要素數(shù)據(jù)跳變[11-13]。

線纜損壞和地溫傳感器故障也是常見故障，臺站線纜已經(jīng)在2015年更換為鎧裝電纜，問題得到一定程度的解決?，F(xiàn)已對各觀測站配備了足夠的備份地溫傳感器，故障出現(xiàn)時能及時更換。

2套站并軌運行時，數(shù)據(jù)中心會收到2份報文，一代站有時候傳輸快先入庫，二代站報文無法覆蓋一代站報文，還是會造成能見度、固態(tài)降水等要素的缺測。臺站計算機和數(shù)據(jù)中心授時時間不一致時，會導致數(shù)據(jù)延遲傳輸。二代站發(fā)生故障未及時切換到一代站，觀測員沒有用一代站數(shù)據(jù)訂正，會造成全要素缺測；在及時切換到一代站的情況下，因一代站沒有能見度、固態(tài)降水等要素，會造成這些要素缺測。此外，采集器故障也會導致報文內(nèi)容為空。

1.4 土壤水分自動觀測站

土壤水分站運行過程中發(fā)生故障的類別有傳感器故障、數(shù)據(jù)采集器故障、供電單元故障、氣象專網(wǎng)通訊傳輸模塊故障和GPRS模塊故障[14]。臺站使用宏電模塊進行無線通訊，部分臺站所處地無線信號差、信號不穩(wěn)定，均會造成數(shù)據(jù)時有時無。

1.5 閃電定位儀

在閃電定位儀運行過程中發(fā)生的故障類型有，電子盒故障、信號線破損、接收器故障、AC/DC轉換器故障、UPS故障和通訊設備故障等[15-16]。

在實際工作中發(fā)現(xiàn)，國家級ASOM與省級ASOM的結果不一致的情況時有出現(xiàn)，個別臺站有時國家級監(jiān)控平臺有數(shù)據(jù)，但省級平臺無數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸存在較大問題，外網(wǎng)通信故障比較多，影響數(shù)據(jù)上傳。設備從2006年啟用至今，部分臺站出現(xiàn)設備芯片老化現(xiàn)象，導致一些臺站出現(xiàn)通訊設備故障。進入冬季后，我省北部林區(qū)夜晚氣溫極低，經(jīng)常導致一些臺站設備運行異常。

2 氣象觀測設備運行保障建議

全省新一代天氣雷達站建站時間分布跨度大，問題主要體現(xiàn)在部分臺站的設備老化和新建臺站的設備磨合方面。部分臺站已運行10年以上，雷達主機設備開始顯現(xiàn)老化狀態(tài)。按國家局相關主管部門要求，現(xiàn)已開始對雷達數(shù)據(jù)質量進行控制。

部分自動站備件沒有專人負責保管，不能及時將損壞的備件交付省數(shù)據(jù)中心更換，在這方面需要加強管理。

土壤水分站多數(shù)蓄電池使用時間超過5年，有些電池不能正常工作，導致儀器停運，需要更換。儀器存在人為毀壞現(xiàn)象，需要臺站人員細致細心，同時應定期巡查。設備采用太陽能供電，黑龍江省冬季降雪時長量大，積雪常將太陽能板覆蓋，不能保證設備供電，會影響臺站的正常運行，所以，需要臺站人員加強巡檢巡查，及時清理積雪。另外，長時間陰雨天氣也會導致太陽能板產(chǎn)生的電能不足，影響設備運行。黑龍江省按照業(yè)務規(guī)范和工作實際情況制定了全省閃電定位儀巡檢規(guī)范，每年對全省閃電定位儀進行巡檢，為提高閃電定位儀的穩(wěn)定性和可靠性，及時排除故障隱患，提供了有力保障。

黑龍江省緯度高，冬季溫度極低，這對設備的耐寒性提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，需要廠家在儀器耐低溫方面有所改進，以便適應黑龍江省高寒的天氣情況。另外，要加大臺站備件儲備，省級保障人員可通過遠程指導方式解決故障問題，這是高效快速的方法。同時，要加強臺站人員在維護和操作方面的培訓，進一步加強日常巡查、維護工作，從而提高設備保障能力。

3 結束語

全省氣象觀測設備的種類和數(shù)量越來越多，設備保障人員的壓力加大，需要充實和加強保障人員力量，加強對各級人員的培訓。當前北斗通信設備正在建設，數(shù)據(jù)傳輸途徑豐富多樣，這將會改善數(shù)據(jù)傳輸狀況。

氣象觀測設備運行狀態(tài)的評判標準要由以觀測數(shù)據(jù)到報情況及到報數(shù)據(jù)的質量狀況為主要依據(jù)變?yōu)橐栽O備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、氣象觀測元數(shù)據(jù)、氣象觀測數(shù)據(jù)和氣象保障業(yè)務數(shù)據(jù)為依據(jù)，以自動觀測與人工觀測相結合等方法來推動氣象觀測運行監(jiān)控技術的發(fā)展。

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