RM YOUNG氣象傳感器的極限耐力：在地球上最惡劣的天氣中生存
華盛頓山以其兇猛的天氣而聞名，對(duì)任何天氣儀器來說都構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。這座新罕布什爾州懷特山脈的最高峰海拔6288英尺，以颶風(fēng)級(jí)別的風(fēng)速、低于冰點(diǎn)的溫度和持續(xù)的霧冰積聚而臭名昭著。盡管海拔不高，但華盛頓山上的條件與世界上一些最高的山峰相當(dāng)。華盛頓山天文臺(tái)是一個(gè)有人駐守的氣象站，持續(xù)監(jiān)測這些極端條件。嚴(yán)酷的環(huán)境對(duì)設(shè)備和人員都提出了絕對(duì)極限的要求，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案和堅(jiān)固的儀器，比如R.M. Young公司的產(chǎn)品，以確保準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集。
極端條件的挑戰(zhàn)
華盛頓山峰的年平均降雪量超過281英寸，季節(jié)性降雪量紀(jì)錄達(dá)到566.4英寸。氣溫可以驟降至-47華氏度，而風(fēng)力經(jīng)常超過颶風(fēng)級(jí)別的，1934年記錄到的最高風(fēng)速為231英里每小時(shí)，當(dāng)時(shí)的記錄是世界紀(jì)錄。這些條件使準(zhǔn)確的氣象觀測變得極其困難。風(fēng)、冰和濕度的組合對(duì)每一個(gè)儀器都施加了極大的應(yīng)力，需要不斷地維護(hù)和迅速的故障排除，以防止儀器失靈。
低于冰點(diǎn)的溫度與霧氣條件相結(jié)合，產(chǎn)生了霧凇冰，這對(duì)收集準(zhǔn)確的天氣數(shù)據(jù)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。山頂?shù)哪昶骄鶜鉁貫?8華氏度，一年中有60%的時(shí)間有霧，霧凇冰在所有表面上形成，包括儀器，極端情況下每小時(shí)可達(dá)六到九英寸。雖然有些儀器可以加熱，但寒冷溫度和強(qiáng)風(fēng)的結(jié)合往往使加熱變得低效且昂貴，有些儀器根本無法加熱。因此，天氣觀察員需要頻繁手動(dòng)除冰，以保持傳感器的正常運(yùn)行。全天24小時(shí)有人看守，觀察員們與颶風(fēng)級(jí)別的風(fēng)、低于冰點(diǎn)的溫度和大量的揚(yáng)沙作斗爭，有時(shí)會(huì)被100英里的時(shí)速風(fēng)吹得動(dòng)彈不得。被迫在再次移動(dòng)前等待平靜期，同時(shí)被搖晃得如同攪拌機(jī)一般。無情的風(fēng)振動(dòng)松動(dòng)了螺絲，破壞了安裝系統(tǒng)，并且偶爾會(huì)導(dǎo)致儀器完全丟失。在這些極端條件下，觀察者必須進(jìn)行持續(xù)的維護(hù)、安裝和故障排除，以確保儀器保持無冰狀態(tài)并正常工作。
霧冰白色條件
儀器故障與維護(hù)策略
在如此極端的環(huán)境中，失敗是不可避免的。華盛頓山上的每一臺(tái)設(shè)備都曾在某個(gè)時(shí)刻發(fā)生過故障，而且通常以獨(dú)特且不可預(yù)測的方式。幾乎每天都有多個(gè)風(fēng)速計(jì)需要維護(hù)。冗余系統(tǒng)和快速響應(yīng)能力使天文臺(tái)能夠應(yīng)對(duì)這些故障。
為了盡量減少數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時(shí)，首要任務(wù)是診斷根本原因，這可能從機(jī)械疲勞到冰侵入。觀察者與儀器制造商緊密合作，傳達(dá)故障數(shù)據(jù)并改進(jìn)設(shè)計(jì)。
鑒于故障的不可預(yù)測性，天文臺(tái)配備了多套備用儀器。例如，冗余的風(fēng)速測量包括至少六臺(tái)在有利條件下部署的風(fēng)速計(jì)，還有四臺(tái)應(yīng)該能夠在極端天氣中以每小時(shí)150英里的速度生存和運(yùn)行。目的是確保數(shù)據(jù)收集的連續(xù)性，即使多個(gè)傳感器在惡劣天氣中損壞。一些儀器需要大量的維修，并且必須被運(yùn)輸?shù)缴侥_下的商店，這個(gè)過程可能需要超過一周的時(shí)間，這取決于運(yùn)輸?shù)缴巾數(shù)目捎眯浴?/span>
觀察者安裝一個(gè)R.M. Young風(fēng)速儀
R.M. Young在可靠數(shù)據(jù)收集中的作用
R.M. Young 公司與華盛頓山天文臺(tái)有著悠久的歷史，可以追溯到四十年前。他們的風(fēng)速儀和其他傳感器幾十年來一直是天文臺(tái)的常用設(shè)備。特別是 R.M. Young 05108-45，重型高山風(fēng)速監(jiān)測儀，已被證明是測量極端環(huán)境中風(fēng)速的最可靠和最精確的儀器之一。
在夏季，風(fēng)監(jiān)測器作為天文臺(tái)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”風(fēng)傳感器，這意味著它的測量結(jié)果被用作官方記錄的風(fēng)速。風(fēng)監(jiān)測器的運(yùn)行范圍廣泛，從不到一米每秒到超過一百米每秒，這對(duì)于獲取完整的數(shù)據(jù)集非常重要。與天文臺(tái)的四個(gè)皮托管風(fēng)速計(jì)相比，風(fēng)監(jiān)測器在誤差率不超過1%的范圍內(nèi)持續(xù)提供風(fēng)速測量結(jié)果。
除了風(fēng)速測量，R.M. Young 的儀器在溫度監(jiān)測中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。天文臺(tái)在山頂站和一系列的中尺度網(wǎng)（mesonet）站點(diǎn)上都依賴于 R.M. Young 的鉑溫度探頭和多板輻射屏蔽裝置。除了溫度傳感器，這些 mesonet 站點(diǎn)還配備了 R.M. Young 的風(fēng)監(jiān)測儀，以確保在偏遠(yuǎn)和暴露的地點(diǎn)可靠地收集風(fēng)數(shù)據(jù)。
在未來一年內(nèi)，白山地區(qū)將部署多達(dá)30個(gè)額外的區(qū)域氣象站，其中大部分將位于暴露的環(huán)境中以記錄風(fēng)數(shù)據(jù)。每個(gè)站點(diǎn)都將配備R.M. Young風(fēng)速儀，因其可靠、精確、低功耗和易于維護(hù)而被選中。除了風(fēng)速測量，所有新站點(diǎn)都將配備R.M. Young溫度探頭和多板輻射罩，以確保精確和一致的溫度數(shù)據(jù)收集。
與其他傳感器相比的性能
雖然天文臺(tái)測試了各種類型的風(fēng)速儀，但R.M. Young的儀器因其耐用性、精確性和維護(hù)方便而脫穎而出。風(fēng)監(jiān)測器在山地地形中可靠運(yùn)行的能力使其成為天文臺(tái)不斷擴(kuò)展的中尺度網(wǎng)路中部署的理想選擇。此外，其低功耗使其成為電力預(yù)算有限的偏遠(yuǎn)站點(diǎn)的實(shí)用選擇。
觀察者也欣賞對(duì) R.M. Young 儀器進(jìn)行維護(hù)的簡便性。風(fēng)速監(jiān)測器可以在現(xiàn)場使用最少的工具進(jìn)行維修，通常只需要螺絲刀或六角扳手?？紤]到惡劣的條件和頻繁的維護(hù)需求，這種易于維修的特性是一個(gè)重要的優(yōu)勢。天文臺(tái)通常避免使用需要頻繁軟件或固件更新的儀器，因此 R.M. Young 傳感器的模擬可靠性更加珍貴。
照片由賽拉娜·阿諾德提供
捕捉歷史天氣事件
華盛頓山的極端天氣在多年間被詳細(xì)記錄，R.M. Young 的儀器在捕捉關(guān)鍵數(shù)據(jù)方面起到了至關(guān)重要的作用。R.M. Young 在天文臺(tái)的持續(xù)存在確保在極端天氣發(fā)生時(shí)，可以獲得必要的測量數(shù)據(jù)。從颶風(fēng)級(jí)別的陣風(fēng)、零下溫度到快速的結(jié)冰事件，這些儀器幫助人們對(duì)該地區(qū)嚴(yán)酷的氣候有一個(gè)全面的理解。
在過去的七年里，華盛頓山使用R.M. Young風(fēng)監(jiān)測儀記錄了227小時(shí)的颶風(fēng)級(jí)風(fēng)速，包括2020年8月4日的最高風(fēng)速為每小時(shí)123英里。雖然夏季的風(fēng)速通常低于冬季，但R.M. Young的儀器在2024年8月9日最近也測得超過每小時(shí)100英里的風(fēng)速。R.M. Young定期向華盛頓山發(fā)送設(shè)備，以在極端條件下進(jìn)行現(xiàn)實(shí)世界的測試，確保在最惡劣的環(huán)境中耐用性和準(zhǔn)確性。其中一個(gè)項(xiàng)目支持了珠穆朗瑪峰探險(xiǎn)的準(zhǔn)備工作，可靠的風(fēng)測量對(duì)于成功至關(guān)重要。
在極端環(huán)境中部署儀器的教訓(xùn)
對(duì)于希望在惡劣條件下部署氣象站的組織，華盛頓山天文臺(tái)提供了寶貴的見解。最重要的教訓(xùn)是，沒有哪種儀器是無敵的——故障會(huì)發(fā)生，冗余是至關(guān)重要的。設(shè)備選擇應(yīng)優(yōu)先考慮耐用性和長期支持。在需要頻繁更新或軟件維護(hù)的極端環(huán)境中，這些設(shè)備可能不切實(shí)際，因?yàn)榫S護(hù)非常困難。
安裝和安裝方法應(yīng)不斷優(yōu)化。振動(dòng)、冰荷載和極端風(fēng)速可能會(huì)使固定不牢固的儀器松動(dòng)或破壞?，F(xiàn)場維修應(yīng)簡單，并且所需工具應(yīng)盡量少。華盛頓山上的觀測人員遵循這樣的理念：如果一個(gè)設(shè)備不能在高速行駛的車輛上被扔出后存活下來，那么它不太可能在山頂條件下長時(shí)間存活。
結(jié)論
華盛頓山天文臺(tái)為氣象儀器提供了一個(gè)無與倫比的測試場地。極端條件要求儀器不僅準(zhǔn)確，而且堅(jiān)固且易于維護(hù)。R.M. Young的傳感器在這一嚴(yán)酷環(huán)境中展示了其韌性，發(fā)揮了監(jiān)測和理解世界最惡劣天氣的重要作用。隨著技術(shù)的發(fā)展和新挑戰(zhàn)的出現(xiàn)，從華盛頓山學(xué)到的教訓(xùn)將繼續(xù)塑造極端環(huán)境中氣象儀器的未來。
特別感謝華盛頓山天文臺(tái)的Keith Garrett和Mike Carmon對(duì)本案例研究的寶貴貢獻(xiàn)。
本文最初發(fā)表在《國際氣象技術(shù)》的四月期刊中。
