ما هي الأدوات التي تتضمنها محطة الأرصاد الجوية؟

هل تعلم أن محطات الأرصاد الجوية الحديثة، التي يبلغ ارتفاعها 158 ملم وقطرها 93 ملم، قادرة على رصد ما يصل إلى ستة معايير جوية أساسية؟ بفضل أجهزة الاستشعار فوق الصوتية، توفر هذه المستشعرات الصغيرة بيانات عن سرعة الرياح واتجاهها ودرجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية والضغط الجوي والإشعاع الشمسي، مع ضمان المتانة وقلة الصيانة والدقة العالية.

تزن محطة الأرصاد الجوية النموذجية التي تعمل بالموجات فوق الصوتية أقل من 0.5 كيلوغرام، مما يجعلها مثالية لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الزراعة والطاقة المتجددة وأبحاث المناخ. يمكن للمزارعين تحسين الري، ويمكن لمشغلي أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية استخدامها لإجراء تعديلات على الميل، ويمكن للبلديات تخطيط إدارة مياه الأمطار.

على الرغم من أن أنواع محطات الأرصاد الجوية المختلفة تقيس عادةً معايير متشابهة، إلا أنها قد تختلف اختلافًا كبيرًا من حيث تقنية الاستشعار والدقة ووضوح القياس. ولضمان اختيار محطة الأرصاد الجوية المناسبة لتطبيقك، يتطلب الأمر فهمًا أعمق لأجهزة القياس وقدرات الكشف.

تتناول هذه المقالة الأدوات الأساسية المستخدمة في محطات الأرصاد الجوية، وتصف أنواع المحطات المختلفة (بما في ذلك محطات الأرصاد الجوية الاحترافية كاملة الميزات)، وتقدم إجابات على الأسئلة المتكررة - وكل ذلك مصمم لتزويدك بالمعرفة اللازمة لاتخاذ قرارات مستنيرة.

1. أنواع محطات الأرصاد الجوية

توجد أنواع مختلفة من محطات الأرصاد الجوية، كل منها مصمم ومبني لغرض محدد. يساعدنا فهم الغرض من تصميمها على إيجاد استخدامها في حالتنا. دعونا نحلل هذه الأنواع بالتفصيل:

1.1 محطات الأرصاد الجوية للأغراض العامة

صُممت محطة الأرصاد الجوية العامة لقياس المعايير الجوية الأساسية، بما في ذلك سرعة الرياح ودرجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي وهطول الأمطار. هذه هي الأدوات الأساسية لتحليل الظروف الجوية.

• الأجهزة: مستشعر اتجاه الرياح، مستشعر الإشعاع الضوئي النشط، مستشعر الإضاءة، مستشعر سرعة الرياح، مقياس الإشعاع الشمسي، مستشعرات كيمياء التربة، ومستشعر درجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية.
• التطبيقات: المطارات، ومراكز الأبحاث، ومكاتب الأرصاد الجوية

1.2 محطات الأرصاد الجوية الزراعية

تتميز محطات الأرصاد الجوية المصممة للأغراض الزراعية بأجهزة استشعار متخصصة إلى جانب أجهزة قياس الطقس التقليدية، والتي تراقب حالة التربة لتحسين إنتاجية المحاصيل. تعمل هذه المحطات كوحدة مركزية تجمع بيانات قيّمة من الحقل وتوفر مراقبة مباشرة لأصحابها. ويمكنها مواصلة العمل طوال الليل لتوفير إضاءة موجهة للبستنة تساعد على نمو النباتات.

• الأجهزة: مستشعر رطوبة الأوراق، مستشعر رطوبة التربة ودرجة الحرارة، مستشعر الإشعاع الضوئي النشط، مستشعر درجة حرارة غطاء المحاصيل، مستشعر الأشعة فوق البنفسجية، ومستشعر درجة حرارة سطح الأوراق (يعتمد على الأشعة تحت الحمراء، وهو نادر ولكنه ناشئ).
• التطبيقات: تحسين الري، والتنبؤ بالآفات والأمراض، والتنبؤ بمحصول المحاصيل، والتطبيق الآمن للمبيدات والأسمدة، وتحليل المناخ المحلي، ودعم توقيت الحصاد.

1.3 محطات مراقبة الخلايا الكهروضوئية

يدفع ظهور تقنيات الطاقة النظيفة قطاع الطاقة إلى إنشاء محطات طاقة شمسية كهروضوئية ضخمة تستغل الطاقة الشمسية. وللاستفادة القصوى من هذه المحطات وتحسين إدارتها، يلزم وجود محطات أرصاد جوية متخصصة مزودة بأجهزة قياس خاصة بالإشعاع الشمسي ومراقبة درجة حرارة الخلايا الكهروضوئية. إذ يمكن أن تؤثر درجة الحرارة سلبًا على أداء هذه الخلايا، وبالتالي، يمكن لهذه المحطات تشغيل نظام التبريد لتحسين الكفاءة.

• الأجهزة: الإشعاع الشمسي الأفقي العالمي (GHI)، والإشعاع الشمسي المائل العالمي (GTI)، والإشعاع الشمسي العمودي المباشر (DNI)، ودرجة حرارة وحدة الخلايا الكهروضوئية، ومراقبة درجة الحرارة المحيطة.
• التطبيقات: مزارع الطاقة الشمسية الكهروضوئية لمراقبة درجة حرارة وكفاءة الخلايا الكهروضوئية.
  

1.4 محطات الموجات فوق الصوتية المتكاملة

تُعدّ أجهزة الاستشعار فوق الصوتية الحل الأمثل للأجزاء الميكانيكية المتحركة في محطات الأرصاد الجوية التقليدية. فهي تستخدم الموجات فوق الصوتية لقياس خصائص الرياح، والرادار لقياس الهطول، وأجهزة الكشف الإلكترونية لقياس درجة الحرارة والرطوبة وجودة الهواء. ويضمن نظام الكشف الإلكتروني فيها عمرًا طويلًا ودقة عالية مع الحد الأدنى من أعمال الصيانة.

• الأجهزة المستخدمة: سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية، درجة حرارة الهواء، الرطوبة النسبية، الضغط الجوي، هطول الأمطار المُقاس بالرادار، الإشعاع الشمسي، مؤشر الأشعة فوق البنفسجية، شدة الإضاءة، مستوى الضوضاء، تركيز الجسيمات الدقيقة PM2.5/PM10، والرؤية
• التطبيقات: البنية التحتية للمدن الذكية، والمطارات، والطرق السريعة، ومحطات الرصد البيئي، والمجمعات الصناعية، والرصد المناخي المستقل عن بُعد

1.5 محطات أرصاد جوية مصغرة

تُعدّ محطات الأرصاد الجوية المصغّرة خيارًا عمليًا في الحالات التي تُفرض فيها قيود على المساحة والوزن. فهي مثالية للتنقل، إذ يبلغ حجمها أصغر من كف اليد، مع توفيرها الحماية من أبسط الظروف الجوية. وبفضل سهولة صيانتها وكفاءة تشغيلها، يُمكن تركيبها في المناطق النائية أو غير الموصولة بشبكة الكهرباء.

• الأجهزة: سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية، درجة حرارة الهواء، الرطوبة النسبية، الضغط الجوي، الإشعاع الشمسي، وإمكانية الكشف عن هطول الأمطار.
• التطبيقات: مراقبة الطقس المتنقلة، والاستشعار البيئي المثبت على الطائرات بدون طيار، ومحطات البحث المدمجة، والمنشآت البعيدة أو غير المتصلة بالشبكة حيث يكون الوزن المنخفض والحجم الصغير أمراً بالغ الأهمية.

2. الأدوات المضمنة في محطة الأرصاد الجوية

يُعدّ فهم أنواع أجهزة الاستشعار المُستخدمة في محطات الأرصاد الجوية المختلفة الخطوة الأولى لفهم أهميتها. وتختلف دقة هذه الأجهزة تبعًا لمبدأ الكشف الذي تعتمد عليه. وقد يستخدم المصنّعون أنواعًا مختلفة من أجهزة الاستشعار لتلبية متطلبات متنوعة، كالسعر والدقة والسرعة ونطاق الكشف. في هذا القسم، سنتعرف على أنواع أجهزة استشعار محطات الأرصاد الجوية وقدراتها في الكشف.

2.1 أجهزة قياس الرياح

تُعدّ الرياح عاملاً أساسياً يُساعد في التنبؤ بالطقس. وهي تتولد نتيجة التسخين غير المتساوي للأرض بفعل الشمس ودورانها. وتحمل الرياح الحرارة والرطوبة والملوثات وحبوب اللقاح إلى مناطق جديدة.

2.1.1 مستشعر سرعة الرياح

يُعد قياس سرعة الرياح أمراً بالغ الأهمية في تطبيقات مثل الطيران والتنبؤات الجوية. يوجد نوعان رئيسيان من أجهزة قياس سرعة الرياح في محطات الأرصاد الجوية: مقاييس سرعة الرياح الكأسية وأجهزة الاستشعار فوق الصوتية.

مقياس سرعة الرياح ذو الأكواب:

تُستخدم مقاييس سرعة الرياح الكأسية منذ عام 1846. وهي نوع ميكانيكي من أجهزة قياس سرعة الرياح في محطات الأرصاد الجوية، وتتكون من أكواب معدنية أو بلاستيكية تدور عند تعرضها للهواء المتحرك. ويتم معايرة سرعة الدوران من قبل الشركة المصنعة وفقًا لسرعة الرياح. وفيما يلي قدراتها النموذجية في الكشف:

• المدى: 0-30 م/ث أو 0-60 م/ث.
• الدقة: ±0.5 م/ث (<5 م/ث)؛ ±3% من النطاق الكامل (≥5 م/ث).
• الحد الأدنى للبداية: <0.5 م/ث.
  
  

مستشعر سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية:

تستخدم هذه المستشعرات تأثير دوبلر لرصد سرعة الرياح. ويُعدّ الوقت الذي تستغرقه النبضة فوق الصوتية للانتقال والعودة إلى جهاز الاستقبال مؤشراً على سرعة الرياح. فيما يلي قدرة كاشف سرعة الرياح فوق الصوتي على رصدها في محطات الأرصاد الجوية:

نطاق القياس:

• المدى: 0-60 م/ث (الدقة 0.01 م/ث)
• اتجاه الرياح: 0-360 درجة (دقة 1 درجة)
• الدقة: ±0.2 م/ث (≤10 م/ث)؛ <±2% من القيمة الحالية (>10 م/ث)
• الحد الأدنى للسرعة: 0.1 م/ث

2.1.2 مستشعر اتجاه الرياح

يوجد عادةً نوعان من أجهزة استشعار اتجاه الرياح: جهاز استشعار ميكانيكي ذو ريشة، وجهاز استشعار رياح بالموجات فوق الصوتية. وكلاهما يوفران دقة عالية في قياس اتجاه الرياح.

نوع الريشة الميكانيكية:

يتكون من ريشة تتكيف مع حركة الهواء، وتشير إلى اتجاه الرياح في محطة الأرصاد الجوية. وهو يشبه جورب الرياح الشائع الاستخدام. ويتم تحويل الاتجاه إلى إشارة رقمية أو تناظرية للقراءة.

• المدى: 0-360 درجة
• الدقة: ±3°
• الحد الأدنى للسرعة: أقل من 0.5 م/ث
  
  

مستشعر اتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية:

مستشعر الرياح فوق الصوتي هو جهاز يجمع بين مستشعر سرعة الرياح ومستشعر اتجاهها. يحتوي على عدة محولات طاقة موزعة في اتجاهات مختلفة، حيث يُصدر نبضات فوق صوتية في كل اتجاه، تنعكس بعد انتقالها عبر الهواء إلى جهاز الاستقبال. يُمثل التغير في زمن انتقال النبضة فوق الصوتية في كل محول طاقة سرعة واتجاه الرياح حول محطة الأرصاد الجوية.

• المدى: 0-360 درجة
• الدقة: ±1 درجة
• الحد الأدنى للسرعة: 0.1 م/ث

2.2 مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة

تُعدّ درجة الحرارة والرطوبة من العوامل الرئيسية أيضاً في تحديد الأحوال الجوية. فارتفاع الرطوبة بالتزامن مع درجة حرارة معينة يُشير إلى اقتراب هطول الأمطار.

2.2.1 درجة حرارة الهواء

يوجد نوعان رئيسيان من أجهزة الكشف المستخدمة في قياس درجة حرارة الهواء في محطات الأرصاد الجوية:

الثرمستورات

إنه شبه موصل يعمل كمقاوم، وتتغير مقاومته بتغير درجة الحرارة.

• نطاق درجة الحرارة: من -40 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية
• الدقة: من ±0.5 درجة مئوية إلى ±1.0 درجة مئوية (أقل من مستشعرات درجة الحرارة والضغط)

كاشف درجة الحرارة المقاوم (RTD)

يمر تيار كهربائي عبر دائرة مقاومة، والتي تغير مقاومتها استجابةً لدرجة الحرارة.

• نطاق درجة الحرارة: من -40 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية (قابل للتخصيص حتى 200 درجة مئوية)
• الدقة: ±0.2 درجة مئوية أو أفضل

2.2.2 الرطوبة النسبية

الرطوبة النسبية هي مقياس لكمية الرطوبة في الهواء مقارنةً بأقصى كمية يمكن أن يحملها الهواء عند درجة حرارة معينة. تستخدم محطات الأرصاد الجوية عادةً مجسات رطوبة سعوية أو مقاومة، مما يوفر قراءات سريعة وموثوقة.

• النطاق: 0-100% رطوبة نسبية
• الدقة: ±2-3% رطوبة نسبية

يمكن لأجهزة استشعار الرطوبة المقترنة بأجهزة استشعار درجة الحرارة توفير نقطة الندى.

2.2.3 رطوبة التربة

تعتمد مجسات درجة حرارة التربة عادةً على كاشفات درجة الحرارة المقاومة (RTDs)، وتعمل وفقًا لنفس المبدأ والنطاق والدقة المذكورة سابقًا. أما كاشف رطوبة التربة، فيمكن أن يعتمد على السماحية الكهربائية أو المقاومة.

• النطاق: 0-100% VWC (محتوى الماء الحجمي)
• الدقة: ±3%
• زمن الاستجابة: أقل من ثانيتين

2.3 مستشعر الضغط الجوي

يُعدّ استشعار الضغط المتغير الأساسي في رصد العواصف، وتغيرات الارتفاع، ومعايرة أجهزة الاستشعار. وتستخدم محطات الأرصاد الجوية أجهزة استشعار ضغط عالية الدقة، إما كهرضغطية أو سعوية، موضوعة داخل غلاف مزود بفتحات تهوية ومعوض حرارياً.

• المدى: 300-1100 هكتوباسكال
• الدقة: ±0.5–1 هكتوباسكال
• الدقة: 0.1 هكتوباسكال

2.4 أجهزة استشعار الهطول

تستشعر أجهزة استشعار الهطول تراكم الأمطار، وهو أمر أساسي لتخطيط الري والتنبؤ بالفيضانات والدراسات الهيدرولوجية. يوجد نوعان رئيسيان من أجهزة استشعار الهطول في محطات الأرصاد الجوية:

2.4.1 مقياس المطر ذو الدلو القلاب

كما يوحي الاسم، يمتلئ الدلو المقلوب بالماء حتى مستوى معين ثم ينقلب. وترسل الإشارة عدد مرات انقلاب الدلو، وهو ما يمثل كمية الأمطار.

• النطاق: كمية الأمطار المتراكمة (مم/ساعة)
• الدقة: ±2%
• الدقة: 0.2 مم/طرف

2.4.2 مستشعر المطر الراداري

تستخدم أجهزة استشعار المطر القائمة على الرادار انعكاس الموجات الميكروية أو فوق الصوتية للكشف عن قطرات المطر، حيث يتم تجميع المطر الذي يمر عبر مسارها. وتتميز هذه الأجهزة بأنها صلبة، مما يجعلها قليلة الصيانة.

• النطاق: هطول الأمطار التراكمي (مم/ساعة)
• الدقة: ±5%
• الدقة: 0.1 مم

2.5 مستشعرات الإشعاع الشمسي والضوء

يُعدّ ضوء الشمس عاملاً حاسماً في تطبيقات مثل الخلايا الكهروضوئية والبستنة. ويمكن أن يساعد رصده في تحليل وتوقع المخرجات.

2.5.1 مقياس الإشعاع الشمسي

يقيس مقياس الإشعاع الشمسي الإشعاع الشمسي الأفقي العالمي (GHI). ويمكنه رصد كل من الإشعاع الشمسي المباشر والمنتشر.

• النطاق: 0-2000 واط/م²
• الدقة: ±5%
• النطاق الطيفي: 300-1100 نانومتر

2.5.2 مستشعر الإضاءة

هو مقياس لسطوع الضوء بوحدة اللوكس. يُعدّ جهاز استشعار أساسيًا في الأحداث الرياضية أو الأنشطة التي تتطلب رؤية واضحة. يقوم الصمام الثنائي الضوئي أو المقاوم الضوئي بتحويل الضوء إلى إشارة.

• المدى: 0-100000 لوكس
• الدقة: ±3%
• زمن الاستجابة: أقل من ثانية واحدة

2.6 أدوات بيئية إضافية

في المناطق الحضرية، يُعد تلوث الهواء والضوضاء والتلوث البصري من العوامل الحاسمة، إلى جانب العوامل المتعلقة بالطقس. وقد تتضمن محطات الأرصاد الجوية المتطورة أجهزة الاستشعار التالية بناءً على متطلبات المستخدم:

2.6.1 الجسيمات العالقة (PM2.5/10)

تستخدم هذه المستشعرات تقنية تشتت الليزر لحساب الجسيمات العالقة في الهواء بناءً على حجمها وشكلها. وتُعدّ قيم PM2.5 وPM10 بالغة الأهمية في مؤشرات جودة الهواء الصحية.

• النطاق: 0-1000 ميكروغرام/م³
• الدقة: ±10%
• الدقة: 1 ميكروغرام/م³
• الناتج: ميكروغرام/م³ أو مؤشر جودة الهواء (محسوب)

2.6.2 مستشعر الضوضاء

تقوم أجهزة استشعار الضوضاء بمراقبة مستويات الصوت المحيط للكشف عن التلوث أو تتبع النشاط في المدن الذكية والمناطق العامة.

• المدى: 30-130 ديسيبل
• الدقة: ±1.5 ديسيبل

2.6.3 مستشعر الرؤية

أثناء الضباب أو الغبار أو العواصف الرملية، قد تنخفض الرؤية بشكل كبير. ولضمان ظروف سفر آمنة، يمكن ربط أجهزة قياس الرؤية بمحطات الأرصاد الجوية للمراقبة المتقدمة.

• المدى: 10-10000 متر
• الدقة: ±10%

3. تكامل الأنظمة والاتصالات

تُصدر كلٌّ من أجهزة محطة الأرصاد الجوية إشاراتٍ قد تكون تناظرية أو رقمية. فيما يلي مخرجات جهاز نموذجي:

تتطلب محطات الأرصاد الجوية طاقة ضئيلة للتشغيل. يكفي لوح شمسي بقدرة 10-20 واط وبطارية 12 فولت 7 أمبير/ساعة لتشغيلها بثبات. علاوة على ذلك، يمكن أن تتضمن هذه المحطات خاصية تسجيل البيانات، وشاشات LCD محلية، وبروتوكولات اتصال فورية لاسترجاع البيانات.

4. الخاتمة

محطة الأرصاد الجوية عبارة عن مزيج من أجهزة القياس، وأجهزة الاتصال، ووحدات الطاقة، والهيكل الميكانيكي. وتكمن ميزتها الأساسية في أجهزتها، التي تحدد قدرتها على رصد معايير الغلاف الجوي بدقة وكفاءة عاليتين. ويُعد اختيار نوع المستشعر المناسب (الرياح، درجة الحرارة، المطر، الإشعاع) أمرًا بالغ الأهمية لضمان الحصول على نتائج موثوقة.

إذا كنت تبحث عن محطة أرصاد جوية تتميز بقابلية التوسع والتصميم المعياري والأداء العالي، فضع في اعتبارك محطات RIKA . تُقدم RIKA خيارات متنوعة، بدءًا من محطات الأرصاد الجوية المصغرة وصولًا إلى محطات الرصد الجوي الاحترافية واسعة النطاق. يُتيح نهجها المعياري للمشترين الحصول على حلول مُخصصة لموقعهم وبياناتهم واحتياجاتهم من التكامل. تفضل بزيارة موقع RIKA الإلكتروني للاطلاع على مجموعتها الكاملة!

الأسئلة الشائعة (FAQ)

• هل تستطيع محطات الأرصاد الجوية التنبؤ بالعواصف أو الظواهر الجوية المتطرفة؟

نعم، محطات الأرصاد الجوية مزودة بأجهزة استشعار تقيس الرياح ودرجة الحرارة والضغط والهطول والرطوبة. ويمكن لخبراء الأرصاد الجوية استخدام هذه المعايير وقيمها المتغيرة بسرعة للتنبؤ بالظروف الجوية القاسية والعواصف الرعدية.

• ما هي المشاكل الشائعة التي تواجهنا عند استخدام محطة الأرصاد الجوية؟

تتكون محطة الأرصاد الجوية من مجموعة من الأجهزة. قد تتسبب تغيرات القيم، ومشاكل الاتصال، ونفاد البطارية، والتلف المادي، وتداخل الحشرات في مشاكل في رصد الأحوال الجوية. يمكن لمحطات الأرصاد الجوية المجهزة بألواح الطاقة الشمسية، وكذلك تلك الحاصلة على تصنيفات IP وIK، أن تقلل بشكل كبير من هذه المخاطر التشغيلية.

• ما نوع الصيانة التي تتطلبها محطة الأرصاد الجوية؟

قد تشمل أنشطة الصيانة التنظيف والمعايرة واستبدال البطاريات وتنظيف الألواح الكهروضوئية والفحص المادي. علاوة على ذلك، قد تشمل الصيانة عن بُعد التحقق من دقة الأجهزة وتحديث البرامج الثابتة.

• هل تستطيع محطات الأرصاد الجوية تتبع جودة الهواء أو مستويات التلوث؟

تستطيع محطة الأرصاد الجوية المتطورة، المجهزة بأجهزة قياس مثل الجسيمات الدقيقة (PM2.5/10) والضوضاء والرؤية، تتبع جودة الهواء أو مستويات التلوث. وقد تحتوي بعضها على أجهزة كشف للمركبات العضوية المتطايرة، وأول أكسيد الكربون (CO)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، وثاني أكسيد الكبريت (SO2)، وثاني أكسيد النيتروجين (NO2)، والأوزون (O3).