高迎新　任詠夏　管永基

簡(jiǎn)單系統(tǒng)地介紹自動(dòng)氣象站的結(jié)構(gòu)體系、工作原理、整機(jī)特點(diǎn)；通俗地闡述校園中自動(dòng)氣象站建設(shè)的基本思路，自動(dòng)氣象站在中小學(xué)校園中使用的總體構(gòu)想和方法、方式，并提出我國(guó)自動(dòng)氣象站發(fā)展的前景。

自動(dòng)氣象站是由電子設(shè)備或計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)進(jìn)行氣象觀測(cè)和資料收集傳輸?shù)臍庀笳尽?guó)際上研制自動(dòng)氣象站是從20世紀(jì)50年代初開始的，到50年代末，不少國(guó)家已經(jīng)有了第一代自動(dòng)氣象站；60年代中期，第二代自動(dòng)氣象站已經(jīng)能夠適應(yīng)各種比較嚴(yán)酷的氣候條件；到70年代，第三代自動(dòng)氣象站大量采用集成電路等先進(jìn)的電子元件，使自動(dòng)氣象站具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、記錄和傳輸能力，并逐步投入業(yè)務(wù)使用；到了90年代，自動(dòng)氣象站已經(jīng)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家得到迅速發(fā)展，并建成業(yè)務(wù)性自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)。截至2007年，我國(guó)已經(jīng)有16 000多個(gè)臺(tái)站使用自動(dòng)氣象站，并實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。目前，已經(jīng)有更多的自動(dòng)氣象站在氣象業(yè)務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用。

自動(dòng)氣象站的體系結(jié)構(gòu)和工作原理

自動(dòng)氣象站的種類很多，但不管是哪一種，它們的體系結(jié)構(gòu)和工作原理都是大致相同的。

自動(dòng)氣象站的體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)氣象站一般由傳感器、變換器、數(shù)據(jù)處理裝置、資料發(fā)送裝置、系統(tǒng)電源等部分組成。1）傳感器是一種檢驗(yàn)測(cè)量的裝置，它能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受得到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出；2）變換器是將傳感器感應(yīng)的氣象參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（比如電壓、電流、頻率等）；3）數(shù)據(jù)處理裝置則將對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行處理，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的氣象要素值，經(jīng)過處理的氣象要素?cái)?shù)據(jù)按規(guī)定的格式編排；4）資料發(fā)送裝置用有線或無線方式傳給用戶，或存貯在介質(zhì)上，由用戶定期回收；5）系統(tǒng)電源是為氣象站正常工作提供動(dòng)力的，在野外通常使用太陽能電池。

自動(dòng)氣象站整個(gè)系統(tǒng)由一部微機(jī)自動(dòng)管理。其觀測(cè)的項(xiàng)目通常為氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等基本氣象要素，經(jīng)擴(kuò)充后還可測(cè)量其他要素。自動(dòng)氣象站可以連續(xù)測(cè)量氣壓、氣溫、地溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、輻射等氣象要素。由計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示和打印報(bào)表，并實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、上傳和查詢。

自動(dòng)氣象站的工作原理自動(dòng)氣象站的各個(gè)傳感器的感應(yīng)元件隨著氣象要素值的變化，使得相應(yīng)傳感器輸出的電量產(chǎn)生變化，這種變化由CPU實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)采集器所采集，進(jìn)行線性化和定標(biāo)處理，實(shí)現(xiàn)工程量到要素量的轉(zhuǎn)換；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制；通過預(yù)處理后，得出各個(gè)氣象要素的實(shí)測(cè)值。

配有終端微機(jī)的自動(dòng)氣象站，可以實(shí)時(shí)按設(shè)定的菜單將氣象要素實(shí)測(cè)值顯示在微機(jī)屏幕上。在定時(shí)觀測(cè)時(shí)刻，數(shù)據(jù)采集器中的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C(jī)進(jìn)行計(jì)算處理后，按設(shè)定的菜單顯示在微機(jī)屏幕上，并按統(tǒng)一的格式生成數(shù)據(jù)文件。同時(shí)，還可以按規(guī)定生成各種氣象報(bào)告；對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)一步加工處理后，生成全月數(shù)據(jù)文件，利用配備的打印機(jī)打印輸出氣象記錄報(bào)表。

自動(dòng)氣象站在校園中使用的歷史和形式

自動(dòng)氣象站在校園中使用的歷史并不久遠(yuǎn)。世界上最先把自動(dòng)氣象站引進(jìn)校園的是我國(guó)臺(tái)灣省的臺(tái)北市政府教育局。1992年12月，臺(tái)北市政府教育局率先在臺(tái)北市12個(gè)區(qū)的60所中小學(xué)采用美國(guó)Davis Instrument公司的Vantage Pro Plus整合套件機(jī)型的自動(dòng)氣象站，并組成全球領(lǐng)先的微觀（micro）氣象網(wǎng)，總稱為“臺(tái)北校園氣象臺(tái)”。這60所學(xué)校的校園氣象站既是一個(gè)組合的整體校園氣象網(wǎng)，也是各自獨(dú)立的校園地面氣象自動(dòng)觀測(cè)站，在自己學(xué)校的網(wǎng)頁上顯示校內(nèi)天氣變化狀況。同時(shí)各校校園氣象站也會(huì)將每天的觀測(cè)資料送至臺(tái)北市校園氣象網(wǎng)。在這集中型的氣象網(wǎng)中，網(wǎng)站的瀏覽者除了分別看到60所學(xué)校所收集的實(shí)時(shí)或歷史的氣象資料，也可以同時(shí)看到60所學(xué)校在同一時(shí)間內(nèi)所收集到的特定氣象要素?cái)?shù)據(jù)。

其次是“香港聯(lián)校氣象網(wǎng)”。該網(wǎng)是2004年12月在香港天文臺(tái)的指導(dǎo)和實(shí)際操作下，由香港新界翁佑中學(xué)發(fā)起，香港地區(qū)30多所學(xué)校響應(yīng)參加所組成的。這30多所中小學(xué)都統(tǒng)一安裝了自動(dòng)氣象站，由香港天文臺(tái)、香港城市大學(xué)大氣實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一集中，每天收集各校地面氣象自動(dòng)觀測(cè)站所獲取的氣象數(shù)據(jù)，通過專門網(wǎng)頁公示。同時(shí)定時(shí)組織成員學(xué)校聯(lián)合開展一系列氣象科學(xué)探究活動(dòng)。

第三是北京數(shù)字氣象網(wǎng)。2007年初，由北京市氣象局牽頭組織海淀區(qū)8所中小學(xué)安裝地面氣象自動(dòng)觀測(cè)站，并編寫統(tǒng)一的氣象科學(xué)教育校本教材，進(jìn)行共同的氣象科學(xué)教育與氣象科技探究活動(dòng)。

目前，世界各國(guó)和我國(guó)各地已經(jīng)有相當(dāng)多的中小學(xué)校園引進(jìn)安裝自動(dòng)氣象站，并以單站獨(dú)立和集中組網(wǎng)2種形式活躍在中小學(xué)校園中。

自動(dòng)氣象站在中小學(xué)校園中的運(yùn)用

與地面氣象人工觀測(cè)站相較，中小學(xué)校園中的自動(dòng)氣象站省略了人工觀測(cè)這一環(huán)節(jié)，使學(xué)生失去動(dòng)手、科學(xué)實(shí)踐、技能訓(xùn)練等機(jī)會(huì)。但在信息技術(shù)高度發(fā)展的今天，自動(dòng)氣象站以自己獨(dú)特的身姿與方式，在中小學(xué)校園參與了學(xué)校中的科技教育和學(xué)生的科技活動(dòng)。

校園氣象觀測(cè)自動(dòng)氣象站的校園觀測(cè)，就是要求學(xué)校中的氣象科技活動(dòng)小組，按照定時(shí)觀測(cè)規(guī)定的時(shí)間，每天定時(shí)將上位計(jì)算機(jī)上的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。并將觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，繪制成圖表或編制成報(bào)表，形成資料供氣象科技活動(dòng)與科學(xué)探究時(shí)用。這與地面氣象人工觀測(cè)活動(dòng)的后半部分程序是完全相同的。

制作校園氣象網(wǎng)頁每一個(gè)建有自動(dòng)氣象站的學(xué)校，都必須在自己學(xué)校的局域網(wǎng)上建立“校園氣象網(wǎng)頁”。網(wǎng)頁設(shè)計(jì)的界面應(yīng)該包括如下內(nèi)容：氣象站介紹、實(shí)時(shí)天氣信息、氣象資料查找、氣象圖表繪制、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)、氣象科技活動(dòng)、天氣預(yù)報(bào)、氣象資源、氣象科普、友情鏈接等欄目。

中小學(xué)中的校園氣象網(wǎng)頁，可以是所在學(xué)校大網(wǎng)頁中的一個(gè)欄目。該欄目點(diǎn)進(jìn)去以后，又引申出上述內(nèi)容板塊。也可以是該學(xué)校氣象頻道的專門網(wǎng)頁，網(wǎng)頁中也包括上述內(nèi)容板塊。

校園氣象網(wǎng)頁建好后，應(yīng)該由學(xué)校的氣象小組管理后臺(tái)的全面工作，并負(fù)責(zé)掌握后臺(tái)，如經(jīng)常增加發(fā)布新內(nèi)容、更換老內(nèi)容等。

根據(jù)教科書內(nèi)容進(jìn)行探究中小學(xué)不少學(xué)科中都有氣象科學(xué)知識(shí)的教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容，可以進(jìn)行若干探究活動(dòng)。如語文學(xué)科中的《看云識(shí)天氣》一文，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，可以進(jìn)行如下步驟的設(shè)計(jì)：1）闡述意義引起動(dòng)機(jī)；2）提出問題形成探究；3）網(wǎng)絡(luò)搜索相關(guān)知識(shí)；4）實(shí)際觀測(cè)作出準(zhǔn)備；5）從校園自動(dòng)氣象站中獲取氣象數(shù)據(jù)，驗(yàn)證；6）網(wǎng)絡(luò)討論總結(jié)反思，寫成日志并上傳作品，供大家分享。其他學(xué)科的相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容也可以進(jìn)行類似的探究。

設(shè)計(jì)主題進(jìn)行科學(xué)探究氣象科學(xué)有無窮無盡的主題可以供中小學(xué)生用來進(jìn)行科學(xué)探究。但在實(shí)施探究活動(dòng)之前必須事先對(duì)活動(dòng)的主題進(jìn)行設(shè)計(jì)。如“風(fēng)”的探究：探究主題——風(fēng)的變化原因；探究過程——在自動(dòng)氣象站的網(wǎng)頁上截取風(fēng)力變化比較顯著的時(shí)間段，畫出風(fēng)力變化曲線圖；同時(shí)在網(wǎng)頁上從相同時(shí)間段中，找出影響風(fēng)力變化的相關(guān)氣象要素的變化情況，諸如氣壓、溫度等，也畫出其變化曲線圖；將幾個(gè)氣象要素進(jìn)行對(duì)比；得出結(jié)論——影響風(fēng)力變化的原因是……

進(jìn)行網(wǎng)上氣象科學(xué)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用現(xiàn)代化信息技術(shù)工具，利用自動(dòng)氣象站提供的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行氣象科學(xué)實(shí)驗(yàn)。如：在自動(dòng)氣象站網(wǎng)頁上制作單站天氣預(yù)報(bào)，繪制臺(tái)風(fēng)發(fā)展、移動(dòng)、登陸、消失路線圖，繪制周、旬、月降水量曲線圖或柱狀圖等。

除上述應(yīng)用外，還可以在自動(dòng)氣象站的網(wǎng)頁上進(jìn)行很多氣象科技活動(dòng)。

自動(dòng)氣象站在中小學(xué)校園中的發(fā)展前景

氣象站進(jìn)入校園是20世紀(jì)30年代由竺可楨先生提出，并率先在他任教的東南大學(xué)校園中創(chuàng)建。而后，我國(guó)中小學(xué)的校園中也曾建立過不少氣象站。新中國(guó)成立后，黨和人民政府非常重視中小學(xué)的氣象科學(xué)教育與普及，因此，校園氣象站猶如雨后春筍，在共和國(guó)的中小學(xué)校園中紛紛建立。20世紀(jì)六七十年代，上海市的楊浦區(qū)就有70%的中小學(xué)都曾建立過校園氣象站。校園氣象站不但在我國(guó)中小學(xué)的教育與教學(xué)中發(fā)揮巨大作用，而且還為我國(guó)社會(huì)主義科學(xué)人才的培養(yǎng)作出輝煌貢獻(xiàn)，并且在中小學(xué)的校園中形成一道蔚為壯觀的靚麗風(fēng)景。

隨著我國(guó)教育改革的不斷深入和蓬勃發(fā)展，校園氣象站作為進(jìn)一步貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院“科教興國(guó)”戰(zhàn)略和對(duì)中小學(xué)生實(shí)施“科技教育”的載體與平臺(tái)，它更是一展豐姿，充分展現(xiàn)了它獨(dú)特的個(gè)性和多面體的三維作用。同時(shí)，經(jīng)過近80年的運(yùn)轉(zhuǎn)與發(fā)展，我國(guó)校園氣象站的內(nèi)在機(jī)制功能不斷提高和完善，結(jié)構(gòu)格局也不斷更新發(fā)展。目前，我國(guó)校園氣象站基本上形成地面氣象人工觀測(cè)站、地面氣象自動(dòng)觀測(cè)站和地面氣象綜合觀測(cè)站、大型校園氣象站等4大規(guī)模結(jié)構(gòu)格局。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和國(guó)家對(duì)教育裝備逐年加大投入，自動(dòng)氣象站進(jìn)入校園的機(jī)率越來越大。因?yàn)樽詣?dòng)氣象站既符合現(xiàn)代化教育裝備的智能化、微型化等要求，而且還具備安裝簡(jiǎn)單、使用方便、維護(hù)便捷以及價(jià)格低廉、外型美觀等特點(diǎn)，特別是自動(dòng)氣象站還具備網(wǎng)絡(luò)鏈接和自動(dòng)觀測(cè)、處理數(shù)據(jù)、編輯報(bào)表及天氣預(yù)報(bào)等功能。目前，自動(dòng)氣象站在國(guó)內(nèi)外中的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍，所以要在中小學(xué)中開展氣象科學(xué)教育和氣象科技活動(dòng)，應(yīng)該首先購(gòu)買和安裝自動(dòng)氣象站。

（作者：1 北京市氣象臺(tái)辦公室主任、北京市氣象科普館館長(zhǎng)；2 浙江省溫州市第十四中學(xué)教師； 3 北京米特技術(shù)發(fā)展有限公司高級(jí)工程師）