自动气象站及其在中小学校园中的应用

高迎新　任咏夏　管永基

简单系统地介绍自动气象站的结构体系、工作原理、整机特点；通俗地阐述校园中自动气象站建设的基本思路，自动气象站在中小学校园中使用的总体构想和方法、方式，并提出我国自动气象站发展的前景。

自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输的气象站。国际上研制自动气象站是从20世纪50年代初开始的，到50年代末，不少国家已经有了第一代自动气象站；60年代中期，第二代自动气象站已经能够适应各种比较严酷的气候条件；到70年代，第三代自动气象站大量采用集成电路等先进的电子元件，使自动气象站具有较强的数据处理、记录和传输能力，并逐步投入业务使用；到了90年代，自动气象站已经在许多发达国家得到迅速发展，并建成业务性自动观测网。截至2007年，我国已经有16 000多个台站使用自动气象站，并实现组网。目前，已经有更多的自动气象站在气象业务中发挥着不可替代的作用。

自动气象站的体系结构和工作原理

自动气象站的种类很多，但不管是哪一种，它们的体系结构和工作原理都是大致相同的。

自动气象站的体系结构自动气象站一般由传感器、变换器、数据处理装置、资料发送装置、系统电源等部分组成。1）传感器是一种检验测量的装置，它能感受到被测量的信息，并能将检测感受得到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出；2）变换器是将传感器感应的气象参数转换成电信号（比如电压、电流、频率等）；3）数据处理装置则将对这些电信号进行处理，再转换成对应的气象要素值，经过处理的气象要素数据按规定的格式编排；4）资料发送装置用有线或无线方式传给用户，或存贮在介质上，由用户定期回收；5）系统电源是为气象站正常工作提供动力的，在野外通常使用太阳能电池。

自动气象站整个系统由一部微机自动管理。其观测的项目通常为气压、气温、相对湿度、风向、风速、雨量等基本气象要素，经扩充后还可测量其他要素。自动气象站可以连续测量气压、气温、地温、湿度、风向、风速、雨量、辐射等气象要素。由计算机业务软件进行数据处理，显示和打印报表，并实现观测数据的存储、上传和查询。

自动气象站的工作原理自动气象站的各个传感器的感应元件随着气象要素值的变化，使得相应传感器输出的电量产生变化，这种变化由CPU实时控制的数据采集器所采集，进行线性化和定标处理，实现工程量到要素量的转换；对数据进行质量控制；通过预处理后，得出各个气象要素的实测值。

配有终端微机的自动气象站，可以实时按设定的菜单将气象要素实测值显示在微机屏幕上。在定时观测时刻，数据采集器中的观测数据传输到微机进行计算处理后，按设定的菜单显示在微机屏幕上，并按统一的格式生成数据文件。同时，还可以按规定生成各种气象报告；对观测资料进一步加工处理后，生成全月数据文件，利用配备的打印机打印输出气象记录报表。

自动气象站在校园中使用的历史和形式

自动气象站在校园中使用的历史并不久远。世界上最先把自动气象站引进校园的是我国台湾省的台北市政府教育局。1992年12月，台北市政府教育局率先在台北市12个区的60所中小学采用美国Davis Instrument公司的Vantage Pro Plus整合套件机型的自动气象站，并组成全球领先的微观（micro）气象网，总称为“台北校园气象台”。这60所学校的校园气象站既是一个组合的整体校园气象网，也是各自独立的校园地面气象自动观测站，在自己学校的网页上显示校内天气变化状况。同时各校校园气象站也会将每天的观测资料送至台北市校园气象网。在这集中型的气象网中，网站的浏览者除了分别看到60所学校所收集的实时或历史的气象资料，也可以同时看到60所学校在同一时间内所收集到的特定气象要素数据。

其次是“香港联校气象网”。该网是2004年12月在香港天文台的指导和实际操作下，由香港新界翁佑中学发起，香港地区30多所学校响应参加所组成的。这30多所中小学都统一安装了自动气象站，由香港天文台、香港城市大学大气实验室统一集中，每天收集各校地面气象自动观测站所获取的气象数据，通过专门网页公示。同时定时组织成员学校联合开展一系列气象科学探究活动。

第三是北京数字气象网。2007年初，由北京市气象局牵头组织海淀区8所中小学安装地面气象自动观测站，并编写统一的气象科学教育校本教材，进行共同的气象科学教育与气象科技探究活动。

目前，世界各国和我国各地已经有相当多的中小学校园引进安装自动气象站，并以单站独立和集中组网2种形式活跃在中小学校园中。

自动气象站在中小学校园中的运用

与地面气象人工观测站相较，中小学校园中的自动气象站省略了人工观测这一环节，使学生失去动手、科学实践、技能训练等机会。但在信息技术高度发展的今天，自动气象站以自己独特的身姿与方式，在中小学校园参与了学校中的科技教育和学生的科技活动。

校园气象观测自动气象站的校园观测，就是要求学校中的气象科技活动小组，按照定时观测规定的时间，每天定时将上位计算机上的相应数据进行记录。并将观测的数据进行统计处理，绘制成图表或编制成报表，形成资料供气象科技活动与科学探究时用。这与地面气象人工观测活动的后半部分程序是完全相同的。

制作校园气象网页每一个建有自动气象站的学校，都必须在自己学校的局域网上建立“校园气象网页”。网页设计的界面应该包括如下内容：气象站介绍、实时天气信息、气象资料查找、气象图表绘制、教学活动设计、气象科技活动、天气预报、气象资源、气象科普、友情链接等栏目。

中小学中的校园气象网页，可以是所在学校大网页中的一个栏目。该栏目点进去以后，又引申出上述内容板块。也可以是该学校气象频道的专门网页，网页中也包括上述内容板块。

校园气象网页建好后，应该由学校的气象小组管理后台的全面工作，并负责掌握后台，如经常增加发布新内容、更换老内容等。

根据教科书内容进行探究中小学不少学科中都有气象科学知识的教学内容，针对教学内容，可以进行若干探究活动。如语文学科中的《看云识天气》一文，在进行教学时，可以进行如下步骤的设计：1）阐述意义引起动机；2）提出问题形成探究；3）网络搜索相关知识；4）实际观测作出准备；5）从校园自动气象站中获取气象数据，验证；6）网络讨论总结反思，写成日志并上传作品，供大家分享。其他学科的相应教学内容也可以进行类似的探究。

设计主题进行科学探究气象科学有无穷无尽的主题可以供中小学生用来进行科学探究。但在实施探究活动之前必须事先对活动的主题进行设计。如“风”的探究：探究主题——风的变化原因；探究过程——在自动气象站的网页上截取风力变化比较显著的时间段，画出风力变化曲线图；同时在网页上从相同时间段中，找出影响风力变化的相关气象要素的变化情况，诸如气压、温度等，也画出其变化曲线图；将几个气象要素进行对比；得出结论——影响风力变化的原因是……

进行网上气象科学实验运用现代化信息技术工具，利用自动气象站提供的数据，在网络上进行气象科学实验。如：在自动气象站网页上制作单站天气预报，绘制台风发展、移动、登陆、消失路线图，绘制周、旬、月降水量曲线图或柱状图等。

除上述应用外，还可以在自动气象站的网页上进行很多气象科技活动。

自动气象站在中小学校园中的发展前景

气象站进入校园是20世纪30年代由竺可桢先生提出，并率先在他任教的东南大学校园中创建。而后，我国中小学的校园中也曾建立过不少气象站。新中国成立后，党和人民政府非常重视中小学的气象科学教育与普及，因此，校园气象站犹如雨后春笋，在共和国的中小学校园中纷纷建立。20世纪六七十年代，上海市的杨浦区就有70%的中小学都曾建立过校园气象站。校园气象站不但在我国中小学的教育与教学中发挥巨大作用，而且还为我国社会主义科学人才的培养作出辉煌贡献，并且在中小学的校园中形成一道蔚为壮观的靓丽风景。

随着我国教育改革的不断深入和蓬勃发展，校园气象站作为进一步贯彻落实党中央、国务院“科教兴国”战略和对中小学生实施“科技教育”的载体与平台，它更是一展丰姿，充分展现了它独特的个性和多面体的三维作用。同时，经过近80年的运转与发展，我国校园气象站的内在机制功能不断提高和完善，结构格局也不断更新发展。目前，我国校园气象站基本上形成地面气象人工观测站、地面气象自动观测站和地面气象综合观测站、大型校园气象站等4大规模结构格局。

随着信息技术的飞速发展和国家对教育装备逐年加大投入，自动气象站进入校园的机率越来越大。因为自动气象站既符合现代化教育装备的智能化、微型化等要求，而且还具备安装简单、使用方便、维护便捷以及价格低廉、外型美观等特点，特别是自动气象站还具备网络链接和自动观测、处理数据、编辑报表及天气预报等功能。目前，自动气象站在国内外中的使用已经相当普遍，所以要在中小学中开展气象科学教育和气象科技活动，应该首先购买和安装自动气象站。

（作者：1 北京市气象台办公室主任、北京市气象科普馆馆长；2 浙江省温州市第十四中学教师； 3 北京米特技术发展有限公司高级工程师）