ما هي مكونات محطة الأرصاد الجوية الأوتوماتيكية وما هي استخداماتها؟

مقدمة عن محطات الأرصاد الجوية الآلية

تتمتع محطات الأرصاد الجوية الآلية بقدرات تشغيلية استثنائية، إذ يمكنها العمل في درجات حرارة تتراوح بين -40 درجة مئوية في القطب الشمالي و+80 درجة مئوية في الصحاري الحارقة. كما أنها لا تتأثر بالارتفاعات الشاهقة التي تصل إلى 9000 متر. وإلى جانب قدرتها على العمل بشكل مستقل وجمع البيانات في مثل هذه الظروف القاسية، توفر محطات الأرصاد الجوية الآلية الحديثة مكونات متخصصة تساعد في جمع البيانات لمجالات محددة كالزراعة، وصناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، والدراسات المناخية، والهيدرولوجيا. وتتميز هذه الأجهزة القوية بصغر حجمها وكفاءتها العالية، مما يتيح خيارات تشغيلية مثل الألواح الكهروضوئية والبطاريات الصغيرة.

لفهم كيفية جمع محطات الأرصاد الجوية الآلية (AWS) للبيانات المتعلقة بالغلاف الجوي والتربة والبيئة بشكل كامل، نحتاج إلى دراسة مكوناتها أو أجهزة استشعارها بدقة. تستطيع محطات الأرصاد الجوية الآلية الحديثة رصد أكثر من 32 متغيرًا، بما في ذلك درجة الحرارة، والرطوبة، والضغط، وسرعة الرياح واتجاهها، وهطول الأمطار، والإشعاع الشمسي، ورطوبة التربة، ودرجة الحموضة، وثاني أكسيد الكربون، والغبار، والضوضاء.

تشرح هذه المقالة مكونات محطة الأرصاد الجوية الأوتوماتيكية واستخداماتها. في نهاية المقالة، سيتمكن القراء من فهم كامل لكيفية مساهمة كل مكون في التطبيقات المختلفة، وأيها الأنسب لحالة استخدامهم.

المكونات الأساسية والتطبيقات

تحتوي معظم محطات الأرصاد الجوية على هذه المكونات الأساسية. وهي تُنتج مجتمعةً إحصاءاتٍ رئيسيةً تعتمد على معايير محددة، مما يُساعد على تقييم الأحوال الجوية بفعالية. فلنبدأ بفهم كل مكون على حدة:

● مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة

يستحيل تحليل الأحوال الجوية دون معرفة درجة الحرارة والرطوبة. لذا، تحتوي جميع محطات الأرصاد الجوية على أجهزة استشعار تقيس هاتين القيمتين كجزء أساسي. ويتيح الجمع بين هاتين القيمتين قياس نقطة الندى، ومؤشر الحرارة، ودرجة حرارة البصيلة الرطبة، وهي معايير رئيسية في رصد الأحوال الجوية.

في مجال التنبؤات الجوية، يمكن لهذه الحساسات مجتمعةً توفير معلومات عن الهطول المطري، وتغيرات ضغط الهواء، والضباب، والغبار. مع ذلك، قد تختلف آلية عمل هذه الحساسات، إذ يقدم كل نوع منها مزايا مختلفة عن غيره. فيما يلي بعض الأنواع المهمة من حساسات درجة الحرارة والرطوبة:

▪ أنواع مستشعرات درجة الحرارة

• الثرمستورات: حساسية عالية ووقت استجابة سريع
• أجهزة الكشف عن درجة الحرارة المقاومة (RTDs): دقة عالية واستقرار
• المزدوجات الحرارية: نطاقات درجات الحرارة العليا والدنيا بدون مصدر طاقة خارجي

▪ أنواع مستشعرات الرطوبة

• مستشعرات الرطوبة السعوية: خطية ممتازة، ودقة عالية، ونطاق واسع
• أجهزة استشعار الرطوبة المقاومة (مقياس الرطوبة): بسيطة ومنخفضة التكلفة
• مقاييس الرطوبة ذات المرآة المبردة: المعيار الذهبي للدقة

▪ استخدامات أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة

• التنبؤ بالظروف الجوية
• مراقبة المناخ
• الطيران
• زراعة

● مستشعر الضغط الجوي

يُعد قياس الضغط عنصراً أساسياً آخر في محطات الأرصاد الجوية الآلية. فهي توفر معلومات مهمة حول مناطق الضغط، والتي يمكن ربطها مباشرة بحركة وشدة الأنظمة الجوية.

▪ نوع مستشعر الضغط الجوي

تتضمن هذه المستشعرات عناصر مقاومة للضغط. يحدث تشوه ميكانيكي نتيجة لتغير ضغط الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تغير في المقاومة أو السعة. تقوم الدوائر المتكاملة برصد هذا التغير الذي يمثل ظروف الضغط.

▪ استخدامات مستشعر الضغط الجوي

يقيس المستشعر ببساطة وزن عمود الهواء فوق محطة الأرصاد الجوية. ويؤدي تغيير هذه المعلمة إلى:

• ارتفاع الضغط: عادةً ما يعني نظام الضغط المرتفع حالة جوية مستقرة.
• انخفاض الضغط: هو إشارة إلى نظام الضغط المنخفض تشير إلى ظروف جوية غير مستقرة أو عاصفة.

● مستشعرات سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية

يُعدّ قياس سرعة الرياح واتجاهها أمرًا بالغ الأهمية في محطات الأرصاد الجوية. وتُعتبر تقنية الموجات فوق الصوتية أحدث الطرق لرصد هذه البيانات. إليكم أهم المعلومات حول هذه المستشعرات:

▪ تقنية الاستشعار بالموجات فوق الصوتية

يُتيح استخدام الموجات فوق الصوتية للكشف عن سرعة الرياح تصميم أجهزة كشف صغيرة الحجم. فهي لا تحتوي على أجزاء متحركة، مما يسمح لها بإنتاج نتائج مماثلة على مدى أطول، ويُقلل بشكل كبير من الصيانة الدورية والمعايرة. يحتوي المستشعر على مُرسِلات ومُستقبِلات بزوايا مختلفة. وباستخدام نظرية زمن انتقال الموجة، يتم الكشف عن سرعة الرياح واتجاهها.

▪ استخدامات أجهزة استشعار سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية

تُعدّ أجهزة استشعار سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية خيارًا مثاليًا لأنظمة الإنذار الجوي الآلية صغيرة الحجم. فهي تُحسّن العمليات الزراعية مثل رش المبيدات. كما تُعزّز سلامة ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وتُسهم في دعم سلامة الطيران من خلال توفير بيانات الرياح في الوقت الفعلي.

تتميز هذه المستشعرات عادةً بنطاق كشف يبلغ:

• سرعة الرياح: 0-70 م/ث، دقة ±2-5% من النطاق الكامل
• الاتجاه: 0-359 درجة، دقة ±3 درجات

● مستشعر هطول الأمطار (يعتمد على الرادار)

تقليديًا، كان قياس كمية الأمطار يتم بشكل أساسي عن طريق ملء وعاء مادي، ثم عدّ مرات امتلائه. إلا أن أجهزة الكشف التقليدية كانت توفر بيانات محدودة لمنطقة محدودة. أما أجهزة استشعار الأمطار القائمة على الرادار، فتُقدم مزايا عديدة مقارنةً بأجهزة الاستشعار التقليدية.

▪ تقنية الاستشعار القائمة على الرادار

في محطات الأرصاد الجوية الآلية، توفر أجهزة الاستشعار القائمة على الرادار دقةً ووضوحًا أعلى، لا سيما باستخدام تقنية رادار 24G. فهي لا تتطلب أي أجزاء ميكانيكية متحركة، مما يجعلها متينة وقليلة الصيانة. كما أنها قادرة على رصد الرذاذ الخفيف وتؤدي أداءً استثنائيًا في الظروف البيئية القاسية.

▪ استخدامات تقنية الاستشعار القائمة على الرادار

بالمقارنة مع أجهزة الاستشعار فوق الصوتية، تستخدم هذه الأجهزة إشارات الميكروويف بتردد 24 جيجاهرتز. وهي تكشف قطرات المطر عن طريق قياس انعكاس أو تشتت هذه الموجات.

يمكن قياس الهطول باستخدام:

• هطول الأمطار: 0-200 ملم/ساعة
• الدقة: 0.1 مم
• الدقة: ±4-8%

● وحدات تسجيل البيانات والاتصال

لكي تعمل محطة الأرصاد الجوية الآلية بشكل مستقل تمامًا، يجب أن تتمتع بقدرات حسابية عالية بما يكفي لتخزين البيانات مع الطوابع الزمنية. كما يجب أن تكون قادرة على إرسال هذه البيانات عبر اتصال سلكي أو لاسلكي لتحليلها. توفر خدمات AWS الحديثة بروتوكولات اتصال فريدة من نوعها.

▪ تقنية مسجل البيانات

تستطيع خدمات AWS الحديثة تخزين البيانات من 32 مستشعرًا في وحدة التخزين المدمجة. كما يمكنها تضمين شاشات عرض كبيرة تدعم مراقبة البيانات والاتجاهات في الوقت الفعلي. وتُعد هذه الخدمات مثاليةً لاستهلاك الطاقة المنخفض في الأنظمة البعيدة.

▪ وحدات الاتصال

تتيح وحدات مثل RS-485 وRS-232 و4G وWiFi وEthernet نقل البيانات في الوقت الفعلي باستخدام بروتوكولات مثل Modbus-RTU وNMEA-0183 وSDI-12. كما تدعم هذه الوحدات التحديثات عن بعد والتكامل مع منصات إنترنت الأشياء.

▪ استخدامات مسجل البيانات ووحدات الاتصال

يُمكّن استخدام أجهزة تسجيل البيانات أصحاب المشاريع من مراقبة الظروف البيئية في الوقت الفعلي، وهو أمر بالغ الأهمية في قطاعات الزراعة والطيران وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. كما تُتيح هذه الأجهزة توليد الاتجاهات والتنبيهات، مما يُوفر الوقت اللازم لأصحاب المشاريع لاتخاذ القرارات.

المكونات والتطبيقات المتخصصة

إلى جانب الاستخدام التقليدي لمحطات الأرصاد الجوية، أضافت محطات الأرصاد الجوية الآلية الحديثة ميزاتٍ قد تكون مفيدة للغاية في تطبيقات متخصصة. علاوة على ذلك، يُمكن لبعض مطوري ومصنعي أجهزة الاستشعار المتميزة توفير خدمة تركيب أجهزة الاستشعار حسب الطلب لعملائهم، بما يلبي احتياجاتهم الخاصة.

● أجهزة استشعار الإشعاع الشمسي والإضاءة

هذه مستشعرات نموذجية تستخدم ظاهرة تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية عبر التأثير الكهروضوئي. تمثل الإشارة الكهربائية الإشعاع الشمسي الأفقي الكلي (GHI)، والإشعاع الشمسي العمودي المباشر (DNI)، والإشعاع الشمسي الأفقي المنتشر (DHI). تُعد هذه معايير أساسية، لا سيما في الزراعة ومحطات الطاقة الكهروضوئية.

لضمان النمو الأمثل للمحاصيل، يحتاج المزارعون إلى توفير مستويات كافية من الضوء. وفي حال الحاجة إلى مزيد من الإضاءة، يمكنهم استخدام مصادر الضوء ليلاً لضمان نمو المحاصيل بشكل مستمر. كما يمكنهم مساعدة هيئة السياحة في إدارة المناطق السياحية لضمان وضوح الرؤية والسلامة.

● أجهزة استشعار التربة (الرطوبة، درجة الحرارة، الرقم الهيدروجيني، الموصلية الكهربائية، الملوحة)

بالنسبة للتطبيقات المتخصصة، يمكن لأنظمة AWS الحديثة المزودة ببروتوكولات اتصال متطورة دمج أجهزة استشعار التربة للزراعة الذكية. وتشمل هذه الأجهزة استخدام أجهزة استشعار رطوبة التربة، ودرجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والتوصيل الكهربائي، والملوحة للكشف عن التغيرات البيئية. وتُعد هذه الأجهزة بالغة الأهمية للزراعة للأسباب التالية:

• رطوبة التربة: تأكد من ري النباتات بشكل كافٍ. توفر هذه الأجهزة دقة تتراوح بين 0 و100% مع هامش خطأ ±3%.
• درجة الحرارة: يُعدّ رصد درجة حرارة التربة أمرًا أساسيًا لنمو النباتات على النحو الأمثل. وهذا يسمح للمزارعين باتخاذ الإجراءات اللازمة قبل أن تتأثر المحاصيل.
• الرقم الهيدروجيني: تُعدّ حموضة التربة عاملاً حاسماً في تحديد نمو أنواع معينة من المحاصيل، إذ تُحدد الحاجة إلى استخدام الأسمدة. وتغطي هذه القياسات النطاق الكامل من 0 إلى 14، بدقة ±0.1.
• EC: يقيس مستويات العناصر الغذائية في التربة لتحقيق التسميد المتوازن.
• الملوحة: يكشف عن محتوى الملح في التربة لمنع تلف المحاصيل في البيئات المالحة.

● أجهزة استشعار متخصصة (ثاني أكسيد الكربون، الأشعة فوق البنفسجية، الغبار، الضوضاء، الرؤية)

إلى جانب توفير معلومات بالغة الأهمية عن الطقس، يمكن لمحطة الأرصاد الجوية الآلية أن توفر أيضًا بيانات عن الظروف البيئية. إذ يمكن رصد العوامل التي تحدد جودة الحياة في الوقت الفعلي، مما يوفر رؤى قيّمة للزوار وإدارات السياحة. علاوة على ذلك، تُعد هذه العوامل بالغة الأهمية لهيئات حماية البيئة لتحديد جودة الهواء. وتشمل هذه المستشعرات ما يلي:

• CO2:يساهم ثاني أكسيد الكربون في ظاهرة الاحتباس الحراري. لذلك، تُستخدم مستوياته لمراقبة جودة الهواء.
• الأشعة فوق البنفسجية: لحماية الجمهور من الأشعة فوق البنفسجية الضارة، يعد الرصد في المناطق ذات المناظر الخلابة أمرًا بالغ الأهمية.
• الغبار (PM2.5/PM10): يمكن أن يكون لتأثير الجسيمات الدقيقة، وتحديداً PM2.5 وPM10، أثر بالغ على صحة الإنسان. لذا، فهي عنصر أساسي في رصد وتقييم جودة الهواء في المدن.
• الضوضاء: فهي تساعد في مراقبة البيئة ومخططي المدن على رصد التلوث الضوضائي في الأماكن العامة للحصول على المعلومات واتخاذ الإجراءات اللازمة للحد منه.
• الرؤية: بالنسبة للسفر والسياحة، يمكن أن تلعب الرؤية دورًا رئيسيًا في الاستمتاع بالمناظر الطبيعية والأنشطة.

● وحدات اختيارية (نظام تحديد المواقع العالمي، بوصلة إلكترونية، ميل)

بالنسبة لمحطات الأرصاد الجوية الآلية التي تتحرك باستمرار، هناك بعض الوحدات الإضافية التي يمكن أن تساعد في جمع البيانات.

• GPS:يتتبع خطوط الطول والعرض والسرعة، مما يتيح بيانات الموقع في الوقت الفعلي للمنصات المتنقلة مثل السفن أو المركبات.
• البوصلة الإلكترونية: تقيس اتجاه الرياح الصحيح (0-359 درجة، دقة ±3 درجات)، مع تعويض حركة المنصة.
• مستشعرات الميل: مراقبة الميل (-90 درجة إلى +90 درجة) عبر محاور X و Y و Z، مما يضمن بيانات دقيقة على الأسطح غير المستوية أو المتحركة.

خاتمة

تُعدّ محطات الأرصاد الجوية الآلية (AWS) أجهزةً أساسيةً لهيئات الرصد البيئي، والحكومات، والمزارعين، وخبراء الطيران، وباحثي الغلاف الجوي. وتُحدث محطات الأرصاد الجوية الآلية الحديثة، فائقة الصغر، ومنخفضة استهلاك الطاقة، والتي تعمل بالطاقة الشمسية، ثورةً في رصد الطقس والتنبؤ به من خلال استخدام أجهزة استشعار متكاملة متعددة المعايير. ويمكن لمحطات الأرصاد الجوية الآلية المتطورة أو المتميزة أن توفر بيانات حية من الميدان، حيث ترصد أكثر من 32 معيارًا، بدءًا من درجات الحرارة وصولًا إلى مستويات ثاني أكسيد الكربون. كما يمكنها العمل في ظروف قاسية مع نقل بيانات قيّمة وموثوقة إلى عنوانها المحدد.

فيما يلي أمثلة على محطات الأرصاد الجوية من شركة RIKA التي تتضمن جدولًا متعدد المستشعرات يشرح بعض أنواع محطات الأرصاد الجوية ومعاييرها الرئيسية التي تراقبها:

الأسئلة الشائعة

س: كيف يتم استخدام البيانات من محطة الأرصاد الجوية الآلية؟

تُرسل البيانات من خدمة AWS على شكل معلومات، تُعالج بدورها لتُعرض على شكل اتجاهات أو تنبيهات مرئية وواضحة. ويمكن لقطاعات الطيران والزراعة والسياحة ومحطات الطاقة الشمسية وغيرها الكثير أن تستفيد بشكل خاص من رصد الظروف الجوية الرئيسية في المنطقة المعنية.

س: ما هي تكلفة تثبيت خدمة AWS؟

تختلف تكلفة أنظمة الطاقة الشمسية (AWS) باختلاف أجهزة الاستشعار والميزات، وتبدأ من بضعة آلاف من الدولارات. يمكنك التواصل مع الشركات المصنعة لهذه الأنظمة للحصول على عروض أسعار. بعض الشركات، مثل RIKA، توفر حلولًا سهلة التركيب تعمل بالطاقة الشمسية. تفضل بزيارة موقعهم الإلكتروني، واطرح استفساراتك عبر البريد الإلكتروني أو الهاتف أو صفحة الويب الخاصة بهم. سيتواصلون معك بالتأكيد لتقديم عرض سعر.

س: هل يمكن دمج نظام AWS في أنظمة مراقبة الطقس الأكبر؟

نعم، توفر AWS إمكانية التشغيل المستقل، كما يمكنها الاتصال بأنظمة أكبر عبر شبكات الجيل الرابع أو الواي فاي أو RS-485. ويمكنها تمكين مشاركة البيانات في الوقت الفعلي لتحليلها، مما قد يؤدي إلى إنشاء شبكات عالمية وإقليمية لرصد الأحوال الجوية والتنبؤ بها.