纸上谈兵之“掌上气象站” (初稿)

apus

　　之所以想作这么一篇纸上谈兵，一方面是对“高科技装备”有兴趣，一方面是气象观测本身离自己的专业虽不近但也不远．我并没有使用过此类“掌上气象站”，因而非常希望能抛砖引玉，有请用过的高手来谈谈亲身体会．

　　先从气象观测(Meteorological Observation)吹起吧．现代气象学的发源始于上上个世纪发明电报后气象观测网络的建立，这使得同时监测全球大气成为可能．而天气预报技术的“大跃进”则得益于二战的军事需求，无线电探空/雷达/...及战后的超级计算机/卫星/...等技术使得预报水平有了显著进步．现在的七天形势预报（大范围温度/风/降水等的变化）基本都是可用的，当然这指的是代表当前最高水平的欧洲中心ECWMF和稍逊一点点的美国NCEP/NOAA，至于中央气象台的水平就不作评论了．“掌上气象站”类似于最传统的单个地面站．单个观测点对全球网络的影响是很小的，但并非就不重要了．局部小范围来看，当前最好的方法还是把常规预报结果和本地观测结合起来，毕竟全球数值预报分水平辨率也只到10km量级，而在地形复杂区域，相差几百米可能大不一样，同时天气变化也很快，这在通常的天气预报中都不可能得到体现，相信经常往山里跑的各位都深有体会．

　　世界气象组织WMO建议的业务观测要素包括温度/湿度/气压/云/风/降水/辐射/能见度/海浪/蒸发十大类，“掌上气象站”能测的也最重要的是温度/湿度/气压/风向/风速．另外云的观测(云类+云量+云高)对预报也很重要，但这本来就没有什么很好的定量探测手段，所以基本只有靠个人没法靠仪器了．

　　在美国市场上销售的“掌上气象站”主要制造商有Nielsen Kellerman, JDC Electronic, Speedtech Instruments, Brunton等，另外GRAYKNIGHT以前是贴过Minox的，还有一家Davis Instruments也有生产些小东西，当然也还有一些公司，就不一一列举了．各公司同一系列的产品基本都采用同样的探测器(sensor)和外观，所以自家产品的区别一般在于功能多少，主要取决于配备了多少种不同的sensor．下面先浏览一下各家公司主要产品，再纸论技术问题．

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1. ADC @ Brunton

　　这个...-_-!　汗啊，其实对Brunton知之甚少，在Brunton网站上也没找到公司简介．不过Brunton的户外用品是蛮有个性的，应广大群众的要求，GRAYKNIGHT好像就倒腾了不少，呵呵．ADC系列一共三种，ADC Pro, ADC Summit和ADC Wind, 秉承Brunton传统，外形过度圆滑，比较可爱，呵呵．

　　ADC Pro功能最全，配备了温度+风速+气压+湿度四种sensor以及数据记录(datalog), 另外还有红外数据口，可以通过选购件ADC IR Reader与PC相联实现数据下载(不能直接与笔记本的红外口通信?不太厚道...)．
　　
　　如果没有datalog系统，“掌上气象站”只是“人工气象站”，有了它，就向“自动气象站”迈进了一大步．
　　
　　数据下载是先将观测结果存入datalog写成纯文本格式数据文件的．为什么要这样做而不是直接传到PC上？网络并非总能持续稳定地保持连接，所以先由一个可靠的datalog系统做缓存是所有自动记录气象观测仪器的特点．有不少气象仪器公司就是专业制造datalog系统的．

　　ADC Summit较Pro少了湿度sensor, 但仍有datalog和IR口．ADC Wind就比较简单了，只有温度和风速．
　　ADC Pro/ADC Summit/ADC Wind/ADC IR Reader官方参考价是$249/$159/$79/$49，2 Year Warranty & waterproof

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　　Summit和Pro有天气预报(forecast)功能，其实就是根据12小时变压算的(Pro或许还加上humidity)，这个功能要求保持同一高度>12hr，够ft吧？从气象学角度讲，这个功能准确率不高，不过倒是Brunton独家特色．Brunton自己说The ADC is an assisting device for the　outdoor user, and is not a substitute for weather advisories from a weatherstation. It is helpful to check the readings provided by this product periodically with those broadcasted by the weather station，大意就是户外玩玩用用还行，别拿来做业务预报或科学研究．其他一些功能像wind chill/pressure altitude/density altitude/heat index什么的都是把探测结果代入方程得到的导出量，并非直接测量所得，我不太在意，有兴趣的可以参考Brunton手册和气象科普读物．

[ 本帖最后由 apus 于 2006-6-2 12:43 编辑 ]

apus

　　2. Windwatch @ Minox
  
　　Minox是GRAYKNIGHT贴过的，所以印象深刻啊．Windwatch只测温度和风速，Windwatch Pro多了气压，参考价格$119/$199．在ebay上还看到一种Flytec，和Minox长得几乎一模一样，也不知是谁OEM谁或者两家都是找别人OEM的．^_^
　　
　　 Minox自称用途是mountaineering, watersports, hiking, hang gliding or kite flying，同时waterproof 5m．

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3. Skymate & Skymaster @ Speedtech

　　Speedtech Instruments位于Virginia的Great Falls，1992年成立，专长手持/无线型风速和流速设备销售，号称年销售增长35%．这里先要说的是专为Speedtech制造，贴Speedtech商标的SM系列“掌上气象站”: SM-18 Skymate/SM-19 Skymate Plus/SM-28 Skymaster.

　　SM-28具备温度+风速+气压+湿度探测，但没有背光/datalog/数据下载，SM-19较SM-28少了气压功能，SM-18则少了气压和湿度．参考价格$171/$135/$90，1 Year Warranty，water resistant+Floats+Shockproof+Tripod mountable.

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Speedtech还有一种WW-1 Weatherwatch Pro手表，带温度+风速+气压，没有湿度但有指北针和背光功能．参考价格$150.

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　　4. Kestrel @ NK

　　Nielsen-Kellerman公司现址在Pennsylvania的Boothwyn，由Xerox的员工Richard Kellerman和Paul Nielsen于1978年合伙创立，拳头产品是赛艇上舵手用的多功能扩音器，有不少奥运会运动员用户．1996年，NK发布了新的产品线：Kestrel“掌上气象站”，并由此迎来了公司的又一次飞速发展．Kestrel系列产品较全，以风速探测为基础，其余探测功能形成多种组合：

　　K1000(风速)
　　K2000(风速+温度)
　　K3000(风速+温度+湿度)
　　K2500(风速+温度+气压)
　　K3500(风速+温度+气压+湿度)
　　K4000(风速+温度+气压+湿度+datalog/数据线接口)
　　K4100(风速+温度+湿度+datalog/数据线接口)

　　其中K4000/K4100是顶级型号，体积更大一些，使用两节AAA电池(其余使用单枚CR2032)，除具备datalog+数据线接口外，还将湿度探头外置(响应时间更短)．参考价格:

K1000 $89   K2000 $119  K3000 $179
K2500 $199 K3500 $249  K4000 $329
K4000NV夜光型 $349     K4100 $299

2 Year　Warranty

Kestrel Interface数据线 串口型$79　USB型$109.00 USB
叶轮(Impeller)备件 $19
湿度校准套件RH Calibration Kit　$79

另外还可提供书面NIST鉴定证明，又得加钱，呵呵．

apus

　　
　　呵呵，要注意，Kestrel当前的最高型号应该是K4000NV而非K4100，后者缺少气压sensor．

apus

　　Kestrel的防护等级是IP67(Totally protected against dust &  Protected against the effect of immersion between 15cm and 1m)和Unit drop-tested to 128 cm (MIL-STD-810F).
　　
　　MIL军标不是无缘无故来的，美军的确有用Kestrel．下面图片上两个截屏来自美国空军气象特种部队(Combat Weaher Team)宣传视频，那个Kestrel是老版本的(叶轮下面两个孔)所以和最新版的Kestrel略有不同．CWT部队历来都是和Seals什么的协同行动在战争正式开始前深入敌后．感觉如何，你心动了没...？

[ 本帖最后由 apus 于 2006-6-2 14:40 编辑 ]

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5.  Skywatch @ JDC Electronic

　　NK的产品是比较专业的，还有没有类似的公司？有的，不过不在美国了，在瑞士，嘿嘿，好东西都要放在后面吹．JDC ELECTRONIC SA由Jean-Daniel Carrard于1981年创办，位于瑞士的Yverdon-les-Bains. 虽然只有八个人和300-meter square的厂房，但JDC的产品是一流的(瑞士制造么，咳咳...), 除了生产风速计，还有流速计，降落伞检测仪器等．JDC在1983年就取得了速度计磁变送系统(magnetic transmission system)的专利，这是风速计的核心技术之一．

　　Skywatch现在有三大产品系列．Eole/Meteos/Atmos属于3-D Series，着眼农业气象市场，没有气压计，但其风速计结构独特，测得的是三维风速，即在轴向上也能探测风力．参考价Eole(风速) $70/Meteos(温度+风速) $80/Atmos(温度+风速+湿度) $130, 1 Year Warranty.

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　　Skywatch Xplorer系列共1~4四个型号，没有湿度sensor，只有一个按钮(模式切换)，很小巧，3号和4号还带电子罗盘，伸臂持机水平转一圈能自动计算风向．参考价$50/$60/$100/$135，各型号功能参见下图．

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　　其实3-D Series和Xplorer都只有water resistant而不能float，算不上严格的户外waterproof产品．JDC的顶级“掌上气象站”只有一个全功能型号：Skywatch Geos. 眼下Geos No.9刚停产，马上No.11就要上市，除原有的温度+风速+气压+湿度+指北针，新增了背光+PC接口+LED Flashlight，参考价也从$350提到了$425．JDC宣传语Hold one and you'll see why the Swiss are number one in quality world-wide，看来不仅质量一流其价格也是No.1的．No.1的价格自然要有No.1的佐证，Skywatch Geos可是装备了Swiss Army的．嘿嘿，看到这个，你又心动了没...？

　　Geos有个很好的小设计，在叶轮下面那个黄色的小块是风向标；叶轮式风速计测风速要求对准风向，这点和风杯式风速计不一样，有了这个小风向标可方便多了．

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6. WindScribe @ Davis Instruments

　　与上面的几家主要针对Sports市场的公司不同，Davis Instruments是位于加州Hayward专门生产气象仪器且主要是自动气象站的厂商，以高性价比出名．WindScribe只能测温度+风速，也没有datalog，但是其风速计是超声波测速(声速沿风向正反传播速度不同)．超声风速计没有机械转动部件，响应时间也很快，旋转风速计在风速变化时达到平衡态需要几十秒，而前者所需还不到一秒，常用来测大气湍流，比较有趣，所以也贴一下这个WindScribe，参考价$129.

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　　技术规格比较

　　下面的表格是我自己做的，时间仓促，对Excel又很不熟悉，比较丑陋，见笑了-_-!
　　Ran表示测量范围，Err表示准确度，Res表示显示分辨率，Sa-time表示采样时间间隔几，Re-time是响应时间，空白为该系列都不具有此功能或者未找到厂商提供的数据．另外JDC的Geos 11还未有详细规格，所列数据的是Geos 9的；NK的1000~3500size是加上了附带的塑料套子．

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　　从表中可以看到，各家厂商宣称的测量精度都差不多，测量范围的变化要稍大一点．Brunton/Minox/Speedtech的测量范围相对较小，提供的数据也较少，故大约可以归为“玩具”；至于NK和JDC...可以算得上“高级玩具”吧，呵呵．

　　其实各家都不可能自己制造所有的sensor, 这个涉及了太多太专业的领域，不是小公司能负担得起的，像JDC只是有风速计的技术，NK虽然标的是Made in USA，但也承认不是所有的部件都来自美国．恩，有点像制造个人电脑．

　　浏览一遍之后，发现最关注还是NK4000和Geos，呵呵，合适的时候应该会去弄一个回来吧．其实其他的品牌也各有特色，例如Brunton设计很好并不算贵功能也不错，而Speedtech则很有性价比的样子．如果是你会中意哪个呢？



　　继续技术话题，严肃的测量仪器不仅仅需要考虑测量范围和精确度，还要考察其测量结果的长期稳定性和适用环境条件．
　　
　　长期使用后最先挂掉的一般都是机械转动件——叶轮．比如Kestrel的漂移是7m/s 100小时使用<1%，在沙尘条件下应该老化得更快．因为风速计的校准必须在风洞中进行，太麻烦，所以各家都提供可更换的叶轮，也不太贵．温度元件的长期稳定性要好一些，而湿度/气压元件就要差一些，Kestrel湿度漂移是2%/24mon，再校准可以送厂或者自己用标准饱和盐溶液做，气压漂移是1mb/12mon，再校准通过和标准气压表比较，送厂或自己通过数据线控制．另外Kestrel的温度sensor虽然能达到-45~125C，实际上<-10C或者>55C都会对液晶屏和其他元件有损害，此时NK建议尽量减少在恶劣环境中的暴露使用时间．

　　JDC宣称其Skywatch Geos是accurate and reliable enough to be used by firefighters, military, and scientists而且surprisingly affordable. 说是瑞士产品质量顶级可能怀疑的人还不多，可还要说非常便宜...嘿嘿嘿嘿，why??????我想应该这样看，不论是NK还是JDC的产品，至少在非极端条件下的测量精确度和常规自动气象站相比并不差多少，有兴趣的可以自己去和大公司(比如芬兰的Vaisala，美国的Campbell Scientific/R.M.Young，德国的Lambrecht GmbH)的工业级产品比较一下．常规自动气象站的价格至少是千美圆数量级，实验室级更是轻松上万，而“掌上气象站”最贵也不到五百美刀，的确算得上surprisingly affordable.

　　一分钱一分货的道理还是在的．“掌上气象站”和常规气象仪器相比，对极端环境的耐受性的确比较差，其真正魅力在于将如此之多的功能整合到如此之小，要知道Vaisala/Lambrecht最小巧的单功能手持表也在1kg左右．除低温外，一般还是很难遇到极端条件的，比如Kestrel的风速上限60m/s，已达Category 2 Typhoon/Hurricane最大阵性风上限，远高于12级风，这种情况下还有谁在外面晃悠？

[ 本帖最后由 apus 于 2006-6-2 13:10 编辑 ]

apus

　　使用问题
　　
　　严肃的测量要求规范的使用．WMO对常规地面观测的规定是比较细的．比如地面气温要求要有防辐射罩并保持3m/s人工通风，地面风速则要求环境要非常开阔无遮挡并离地一定高度(最好10m)，气压测量要求防风(虽然风速不大时影响很小)，湿度测量也要求防辐射防雨防风...等等．这些要求对于“掌上气象站”来说有些是先天缺陷难以达到的，更多的是可以做到的．如果想做具有专业精神的发烧友就不能忽略这些细节．我认为在非极端条件下，保养良好，定期校准，正确使用“掌上气象站”所得的数据在很大程度上还是可以信赖的．“纸上谈兵”的初稿就写到这里，不足之处请大家多指正．

　　最后贴张美军在Operation Enduring Freedom中使用的Mobile Weather Station，这个mobile可不能和mobilephone相比，仅十英尺三脚架就有几十kg重，再加上仪器/电源...还是要靠机械交通工具或者畜力来mobile的，呵呵．

[ 本帖最后由 apus 于 2006-6-2 13:16 编辑 ]

彩云指南

平时出游的时候喜欢先看看卫星云图自己做一个天气预测，感觉比中央台的准很多。出门了，就只能看云识天气了。

卫星云图的链接：http://www.fjqx.gov.cn/weather/satellite.asp

顺便说说在三江并流地区行走的一些心得：高空云，飘的方向一般都是自西向东，山脉以及河流（三江）都是自北向南。

[ 本帖最后由 彩云指南 于 2006-6-2 13:30 编辑 ]

GRAYKNIGHT

强文~~~赞一个,这种东西一直是俺在关注的~~~,这种风速/湿度/海拔/温度的测量对于俺个人的实际意义来说是方便量化评估装备的实际使用效果,或者在登山过程中提供相对精确的环境变量参考

[ 本帖最后由 GRAYKNIGHT 于 2006-6-2 13:22 编辑 ]

apus

气象法规定中国境内唯一合法预报发布机构是中国气象局及其子单位
所以，sigh...

看云识天气很传统很传统
但也很重要，呵呵～
得个人长期训练＋主观判断

目前局地临近预报最好的探测工具是雷达
贴个EWR Weather Radar生产号称最portable天线部分仅重50磅的E600
估计都不向民用部门销售，yy一下

快乐乌鸦

经典的介绍文章，
全面详实，
有赞有弹。
偶在用BRUNTON的SHERPA，
测风速的叶轮可以在不用时旋转收藏，
起到很好的保护作用。