ما هي البيانات التي تجمعها محطة الأرصاد الجوية الآلية؟

تمتلك المنظمة العالمية للأرصاد الجوية أكثر من 10,000 محطة رصد جوي آلية تجمع بيانات الغلاف الجوي. ويُعدّ وجود هذا العدد الكبير من محطات الرصد الجوي الآلية المنتشرة في أنحاء العالم ذا أهمية بالغة للمنظمة، إذ يُساعدها على التنبؤ بالأحوال الجوية الضرورية لإدارة الكوارث والزراعة والصناعة والبناء والتطبيقات البحرية. كما تُعزز البيانات المُستقاة من هذه المحطات السلامة وتضمن سلامة الجميع.

تتنوع محطات الأرصاد الجوية الآلية في أنواعها وأشكالها وأحجامها وتكويناتها، مما يؤثر على قدرتها على جمع البيانات. بعضها مزود بأحدث أجهزة الاستشعار، بينما يعتمد البعض الآخر على تصميم بسيط للمراقبة الأساسية. وتختلف محطات الأرصاد الجوية الآلية تبعًا للميزانية ومتطلبات البيانات. تابع القراءة لفهم المعايير التي تجمعها هذه المحطات ودقتها وتواترها.

محطة الأرصاد الجوية الآلية (AWS): جمع البيانات من الغلاف الجوي

المطر والشمس والرياح والأعاصير والزوابع متجذرة بعمق في الثقافة والمعتقدات الإنسانية. ويعود السعي لاكتشاف وقياس الظروف المناخية إلى العصور القديمة. وقد سهّلت التطورات الحديثة في الإلكترونيات والحوسبة قياس وتوقع الأحوال الجوية بدقة تصل إلى ±0.3 درجة مئوية، و±3% رطوبة نسبية، و±0.3 هكتوباسكال. كما يوفر جمع البيانات الضخمة من خلال آلاف محطات الأرصاد الجوية قاعدة بيانات واسعة تعزز القدرة على التنبؤ.

تضم محطات الأرصاد الجوية الآلية العديد من أجهزة الاستشعار، بما في ذلك مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة وسرعة الرياح واتجاهها والضغط والهطول والأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، فإن محطات الأرصاد الجوية الآلية الأكثر تطوراً وتخصصاً ستحتوي على مستشعرات إضافية. ويمكن لهذه المحطات نقل البيانات لاسلكياً أو سلكياً إلى جهاز كمبيوتر مركزي يعمل كمسجل بيانات.

أنواع محطات الأرصاد الجوية الآلية

تتفاوت أحجام محطات الأرصاد الجوية الآلية، فمنها ما هو ضخم لدرجة تتطلب دعماً هائلاً كبرج الأرصاد الجوية، ومنها ما هو بسيط كجهاز استشعار واحد في حقل. لفهم تنوع محطات الأرصاد الجوية الآلية وكيفية جمعها للبيانات، نحتاج إلى استعراض هذه الأنواع بناءً على تطبيقاتها:

● محطات الأرصاد الجوية الآلية

تُعدّ محطات الأرصاد الجوية الأوتوماتيكية الأكثر شيوعًا تلك المرتبطة بمجال الأرصاد الجوية. وهي مزودة بمستشعر للرياح، وجهاز لقياس درجة الحرارة، والرطوبة، والضغط الجوي، كحد أدنى لضمان دقة التنبؤات الجوية. وفي بعض الحالات، قد تُضاف إليها لوحة شمسية لتوفير الطاقة في المواقع النائية، ولتوفير بيانات الطاقة الشمسية. ويُعدّ تركيب محطات الأرصاد الجوية الأوتوماتيكية أمرًا بالغ الأهمية، إذ يجب أن تكون في مكان مفتوح لا يعيق حركة الرياح أو الإشعاع الشمسي.

● محطات الأرصاد الجوية الزراعية الآلية

تُعدّ طرق البذر والري التقليدية تقنية مجرّبة عبر الزمن، ولكن لمواكبة متطلبات العصر الحديث، من الضروري تطويرها ورفع كفاءتها. تحتوي محطات الأرصاد الجوية الزراعية الآلية على أجهزة استشعار أساسية ومتطورة توفر بيانات آنية عن حالة التربة في الحقل. قد تشمل هذه الأجهزة أجهزة استشعار لرطوبة التربة ودرجة حرارتها، بالإضافة إلى أجهزة استشعار أخرى لقياس درجة الحموضة، والتوصيل الكهربائي، وعناصر النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم، مما يوفر رؤية أدقّ لحالة التربة الزراعية. تساهم هذه المحطات في زيادة الإنتاجية وتحسين كفاءة العمليات الزراعية.

● محطات الأرصاد الجوية الآلية للطيران

تُعدّ محطات الأرصاد الجوية الآلية ضرورية في صناعة الطيران، التي تعتمد بشكل كبير على الأحوال الجوية. فالطائرات والمروحيات والطائرات النفاثة، وأي جسم آخر يعتمد على مقاومة الرياح لتوليد الرفع أو الهبوط، يحتاج إلى معرفة الأحوال الجوية. يقوم برج مراقبة الحركة الجوية في المطار بمراقبة البيانات الواردة من أجهزة الاستشعار، ويقرر ما إذا كان سيسمح بالهبوط أو الإقلاع. وفي بعض الظروف الجوية القاسية، قد يطلب برج المراقبة من الطائرة اتخاذ مسار بديل. وتُعدّ البيانات المُستقاة من محطات الأرصاد الجوية الآلية في مجال الطيران بالغة الأهمية لسلامة الطيران.

● محطات الأرصاد الجوية البحرية الأوتوماتيكية

توفر محطات الأرصاد الجوية الآلية، من خلال بثها المباشر لبيانات الرياح ودرجة الحرارة والضغط، بيانات قيّمة للملاحة البحرية للقوارب والسفن وغيرها من الأنشطة البحرية. ويُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية للعمليات البحرية، والموانئ، والمناطق الساحلية، والعمليات البحرية. وتتميز محطات الأرصاد الجوية البحرية الآلية بتطورها في العمليات العسكرية، حيث تتمتع بنطاق كشف أوسع وتقنية متطورة.

● محطات الأرصاد الجوية الصناعية الأوتوماتيكية

تختلف أنواع محطات الأرصاد الجوية الآلية باختلاف القطاع، فقد تكون ثابتة أو متنقلة في التطبيقات الصناعية. في محطات توليد الطاقة بالفحم، قد يلزم تشتيت الانبعاثات من المدخنة بعناية لتجنب تلوث السكان. ومن الضروري أيضًا ضمان الامتثال للقوانين واللوائح المحلية، إذ تلعب دورًا حاسمًا في نمذجة أعمدة الدخان.

● أخرى   أنواع محطات الأرصاد الجوية الآلية

تُصنّف فئات أخرى من خدمات أمازون السحابية (AWS) بناءً على قدرتها على الاتصال سلكيًا أو لاسلكيًا. قد يصنفها بعض المصنّعين على أنها ثابتة أو متنقلة، ولكن بشكل عام، يتم تصنيفها بشكل أساسي بناءً على تطبيقاتها.

الكشف عن درجة حرارة الغلاف الجوي والضغط والرطوبة والمزيد

الآن وقد تعرفنا على أنواع محطات الأرصاد الجوية الآلية وأجهزة الاستشعار التي قد تتضمنها لتصبح ذات صلة بتطبيق معين، يمكننا التعمق أكثر في كيفية اكتشافها لهذه المعايير وأهميتها:

♦ مستشعر الطقس التلقائي بالموجات فوق الصوتية

هذه أحدث أجهزة الاستشعار المتكاملة، إذ تضمّ العديد من إمكانيات الكشف. يستطيع جهاز استشعار الطقس الأوتوماتيكي بالموجات فوق الصوتية الواحد رصد سرعة الرياح واتجاهها، ودرجة حرارة الجو، والرطوبة، والضغط، والهطول (المطر، والبرد، والثلج)، والإشعاع الشمسي، والإضاءة، ومؤشر الأشعة فوق البنفسجية، وتركيز الغبار (PM2.5، PM1)، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والبوصلة الإلكترونية.

• سرعة الرياح واتجاهها: يحتوي الجهاز على مستشعرات فوق صوتية لقياس سرعة الرياح واتجاهها. يتكون المستشعر من عاكس ومستقبل وجهاز إرسال للموجات فوق الصوتية. يُصدر جهاز الإرسال الموجات فوق الصوتية التي تنتقل عبر الهواء وتنعكس إلى المستقبل. يمثل الزمن المستغرق في هذه العملية سرعة الرياح. وبالمثل، تكشف مستشعرات متعددة في اتجاهات مختلفة عن اتجاه الرياح.
• درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي: تحتوي أجهزة الكشف على مستشعرات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) لرصد جميع هذه المعايير. تستخدم هذه المستشعرات الحمل الفيزيائي أو الضغط لتحويله إلى إشارة كهربائية. في حالة الضغط، يتسبب الضغط في تشوه غشاء، مما يؤدي إلى تغيير الجهد الكهربائي عبره. ويمثل هذا التغير في الجهد الكهربائي تغير الضغط.
• الهطول (المطر، البرد، الثلج): يحتوي المستشعر على رادار بتردد 24 جيجاهرتز يوفر كمية المطر والبرد والثلج باستخدام ظاهرة الكشف عن الهطول.
• الإشعاع الشمسي، والإضاءة، ومؤشر الأشعة فوق البنفسجية: تستخدم مستشعرات الخلايا السيليكونية التأثير الكهروضوئي لتحويل الضوء إلى طاقة كهربائية، وبالتالي تمثل الإشعاع الشمسي.
• تركيز الغبار (PM2.5، PM1): يستخدم الكاشف آلية تشتت كهروضوئي للكشف عن الجسيمات الضارة التي يجب أن تبقى ضمن الحد المسموح به لظروف جوية جيدة.
• نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو البوصلة: يُعدّ تحديد سرعة الرياح المناسبة أمرًا بالغ الأهمية عندما تكون محطة الأرصاد الجوية مثبتة على مركبة بعيدة أو متحركة. يساعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في التخلص من تأثير الحركة على حساب سرعة الرياح بواسطة المستشعر.

♦ مقاييس المطر

للكشف عن كمية الأمطار، يستخدم العديد من المصنّعين أساليب مختلفة في تصميم محطات الأرصاد الجوية الآلية الخاصة بهم:

• مقياس المطر ذو الدلو القلاب: يُعد هذا التصميم من أوائل التصاميم المستخدمة لقياس هطول الأمطار بالمليمترات. يجمع الدلو المطر من منطقة محددة ويصبه في قسم يحتوي على دلو آخر ينقلب عند امتلائه. تمثل كل دورة 0.1 مليمتر أو ما يعادلها، حسب تصميم المقياس. ويُحسب مقدار المطر من خلال عدّ الدورات.
• مفاتيح المطر والثلج: تحتوي لوحة استشعار الموصل الحلقي على مستشعر توصيل كهربائي وعناصر تسخين لتصوير المطر والثلج بدقة.

♦ أجهزة الكشف عن التربة

في حالة أنظمة الإنذار الآلي الزراعية، يمكن أن يؤدي استخدام أجهزة استشعار التربة إلى تحسين الزراعة وزيادة الإنتاجية. وتستخدم هذه الأنظمة أجهزة الاستشعار التالية:

• الرطوبة: يتطلب الكشف عن الرطوبة استخدام مجسات من الفولاذ المقاوم للصدأ يتم إدخالها في التربة، والتي توفر تفاصيل عن محتوى الرطوبة من خلال الخصائص العازلة للتربة.
• الموصلية الكهربائية: تُعد ملوحة التربة عاملاً حيوياً يؤثر على المحاصيل. وتمثل الموصلية الكهربائية للتربة مؤشراً مباشراً للأملاح الذائبة.
• الرقم الهيدروجيني: يتراوح الرقم الهيدروجيني الأمثل للنباتات بين المتعادل والحمضي قليلاً. وتكشف هذه الكواشف عن نشاط أيونات الهيدروجين لتمثيل الرقم الهيدروجيني.
• أجهزة استشعار العناصر الغذائية في التربة (النيتروجين، الفوسفور، البوتاسيوم - NPK): يُعد النيتروجين عنصرًا أساسيًا لحياة النبات، فهو يعكس بشكل مباشر قدرة التربة على توفير العناصر الغذائية. وبالمثل، يُعد كل من الفوسفور والبوتاسيوم مؤشرين قويين على صحة التربة. تستخدم هذه الأجهزة طريقة كهروكيميائية، حيث تُنتج الأقطاب الكهربائية إشارات مختلفة عند تفاعلها مع التربة.

كيف تقوم محطة الأرصاد الجوية الآلية بجمع البيانات؟

بعد تجهيز جميع أجهزة الاستشعار وتركيب محطة الأرصاد الجوية في الموقع، نحتاج إلى جمع البيانات منها للحصول على النتائج. يمكن جمع البيانات عبر اتصال سلكي أو لاسلكي. مع ذلك، ستحتاج إلى مسجل بيانات ومعالج دقيق وأجهزة اتصال لجمع البيانات.

★ خطوات جمع بيانات محطة الأرصاد الجوية الآلية

فيما يلي الخطوات التي تتبعها محطة الأرصاد الجوية الآلية لجمع البيانات من الميدان باستخدام أجهزة الاستشعار:

1) جمع البيانات

كما ذُكر في القسم السابق، تتمثل الخطوة الأولى في استقبال البيانات من مختلف أجهزة الاستشعار في محطة الأرصاد الجوية الآلية. وتكون هذه البيانات في صورتها الخام عبارة عن إشارات كهربائية تُعرف بالإشارات التناظرية، سواء كانت على شكل جهد أو تيار أو سعة.

2) المعالجة

تتمثل الخطوة التالية في تحويل بيانات الحقل إلى نتائج ملموسة. تُغذّى البيانات الأولية إلى معالج دقيق داخل وحدة محطة الأرصاد الجوية، والذي يحوّلها إلى صيغة رقمية قابلة للاستخدام. وبحسب متطلبات المستخدم، تُخرج هذه المستشعرات عادةً بيانات بصيغ RS485 وRS232 وSDI-12. يُعدّ أحدها مثاليًا للمسافات الطويلة، والآخر للمسافات القصيرة، بينما يُناسب SDI-12 استهلاك الطاقة المنخفض في البيئات الزراعية.

3) تسجيل البيانات

ترتبط البيانات بالطابع الزمني وسيتم تحويلها لاحقًا إلى رسوم بيانية أو بيانات تمثيلية.

4) الإرسال

بعد إتمام جميع الخطوات المذكورة أعلاه داخل محطة الأرصاد الجوية الآلية، يجب إرسال البيانات تلقائيًا إلى الخادم أو جهاز الكمبيوتر المخصص. ويمكن للمحطة إرسال البيانات عبر شبكات GSM أو Wi-Fi أو LoRa أو عبر اتصال سلكي USB/Ethernet.

5) التحليل

بعد أن يستقبل الخادم أو جهاز الكمبيوتر الخاص بالمستخدم البيانات مع الطوابع الزمنية، يمكن تحويلها إلى تمثيلات مرئية ورسومية باستخدام برامج لتفسير النتائج.

★ معدل جمع البيانات لمحطة الأرصاد الجوية الآلية

يعتمد معدل جمع البيانات لمحطة الأرصاد الجوية الآلية على إعدادات المستخدم. تستطيع محطة الأرصاد الجوية النموذجية تسجيل البيانات كل ثانية وإرسالها إلى الخادم أو جهاز المستخدم في الوقت الفعلي، وذلك خلال فترة تتراوح بين ثوانٍ ودقيقة. كما يمكن أن يمتد تسجيل البيانات إلى أيام، وذلك بحسب المراقبة طويلة الأمد.

★ ما مدى دقة محطات الأرصاد الجوية الآلية؟

تتميز محطات الأرصاد الجوية الآلية بدقة عالية، إلا أن هذه الدقة تعتمد على تقنية الاستشعار وجودة التصنيع. فيما يلي مثال على إحدى محطات الأرصاد الجوية الآلية التي تستخدم طرق كشف مختلفة لتوفير الدقة التالية:

دقة نظام الإنذار الآلي RK900-10 (حسب المعلمة)

خاتمة

باختصار، تُجمع البيانات من محطة الأرصاد الجوية الآلية (AWS) إلى خادم أو جهاز كمبيوتر عبر اتصال لاسلكي أو سلكي. تمتلك AWS مستشعرات متطورة تُحوّل الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية باستخدام معالج دقيق مدمج. تُسجّل البيانات مع الطابع الزمني وتُرسل على فترات زمنية يحددها المستخدم. ثم يعرض البرنامج النتائج بيانيًا. تستطيع AWS مراقبة أحوال الرياح، والظروف الجوية، وحالة التربة، والأمطار من خلال مستشعرات متعددة. ولها تطبيقات عديدة في مجالات الطيران، والزراعة، والأرصاد الجوية، والقطاعات الصناعية.

إذا كنت تبحث عن مستشعرات عالية الدقة، مصممة بدقة متناهية، ومتطورة، تفضل بزيارة صفحة محطة الأرصاد الجوية الأوتوماتيكية من ريكا لاستكشاف جميع احتياجاتك. كما يمكن للمشترين استكشاف المستشعرات التي يحتاجونها في محطة الأرصاد الجوية الخاصة بهم للحصول على منتج أكثر تخصيصًا. نأمل أن تكون قد وجدت المعلومات التي تبحث عنها في هذه المقالة!