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自动气象站的致密网络：乌干达的挑战和机遇
摘要：获得质量，准确和及时的天气信息很重要。为了提高天气信息的质量和数量，增加可操作自动气象站的数量，在本文中也称为应优先致密化。在本文中，我们提供从2014年11月至2015年1月进行的调查的研究结果，以确定乌干达的气象站的状况。气象站密度被发现是稀疏的，许多可用的气象站是无功能的。基于可用的操作气象站的分布，我们提出了致密化，战略包括气候带，安全和土地政策。为了实现可持续性的气象站,我们推荐改善人力资源方面。
关键词：致密，自动气象站，气候带，气象站密度
- 介绍
在乌干达，约70％的公民依靠自给自足的农业，这严重依赖雨季[1]。乌干达统计局提交了一份调查报告，其中就业状况在乌干达的人口中占71.9％的比例依赖农业，林业和渔业[2]。许多其他部门依靠天气信息，因此，必须准确和及时地提供天气信息。乌干达国家气象局（UNMA）是政府负责执行职责的国家气象站的管理，如安装新的气象站，维护它们，收集和处理天气数据和传播生成的信息。
气象站通常可以分为两大类。第一个是手动站，其中来自气象仪器的环境数据观察，记录和报告。另一个类别是自动气象站（AWS），是测量环境数据的电子仪器通过传感器并记录，通常用于以后传输到中央存储库。
在该国的AWS数量仍然很小，并且这样的预测模型基于对各种可能的天气趋势产生模糊的结果和不太可预测天气模式[3]。最近的天气和气候变化对农业产生了负面影响[4]。农民正在经历温度升高，雨水和干旱导致害虫和疾病，侵蚀，作物产量下降和野火增加等其他灾难。准确的天气预报对于适应不利条件是重要的。然而，使用的天气数据收集方法效率低，导致不准确预测。此外，气象站的数量不代表大面积[5]。
为了提高国家气象站的密度，其他机构除了联合国安装了自己的气象站。联合国安理会的作用是确保所有人包括私人拥有的气象站保持世界气象组织标准。
WIMEA-ICT1，NORHED2 项目，由四个学术机构实施，即马凯雷雷大学（MAK），达累斯萨拉姆理工学院（DIT）卑尔根大学（UiB）和朱巴大学（UoB），与他们合作各国家气象局，旨在改善天气信息管理通过使用合适的ICT。该项目计划设立七十（AWS）在三个伙伴非洲国家。 在70个AWS中，乌干达和坦桑尼亚接收30次，而南苏丹将接收10次。在调查的时候，我们从2014年12月至2015年1月，关于乌干达气象站的状况有37个气象站。因此，项目占到气象站总数的44.7％。
虽然联合国安理会的任务是在乌干达加强AWS的网络，其中之一WIMEA-ICT项目的预期成果是帮助联合国日内瓦办事处实现这一目标。为了达到这个目的，选择新的自动天气站的位置的策略我们的目标是获得一个代表性的网络。
本文的其余部分安排如下：我们在部分介绍我们的调查结果地2节。在第3节，我们讨论WIMEA-ICT如何利用ICT，在第4节中，我们讨论致密化战略，并在第5节和第5节中为新气象站提出位置，最后在第6和第7节提出我们的建议和结论。
- 发现
在我们访问的14个气象站中，2个是手动的，2个只有自动天气站，而10个地方同时有自动和手动气象站。由于表1给出，大多数自动气象站没有完全运行。
表1自动气象站的挑战
人员配备挑战包括少数员工和气象站观察员有关如何解决和维护气象站的有限技术知识。
联合国航空和国家报告员提供了图1所示的37个气象站的清单,我们设法访问其中的14个区。 气象站被放置在14个气候区，我们的主要致密化战略之一，我们稍后详细讨论。使用主成分分析的降雨模式建立全国气候带 [6]。 所有气候区都有气象站。然而，气象站的数量仍然很少。
3在自动气象站中利用ICT
3.1 AWS运作方式的使用案例
图2显示了典型AWS的当前通信路径。分布在全国各地的气象站定期收集天气数据并将其存储在数据记录器，其通常位于气象站处或附近。经过一段时间之间到三个小时，数据记录器将数据手动或发送到观测站自动使用GSM / GPRS，Wi-Fi或以太网连接进行互联网接入。在观测站，数据从所有的气象站汇总国家被纳入预测模型。
向观测站发射数据取决于质量和强度网络信号。
图二 气象站的沟通途径
3.2数据处理
AWS将其数据传输到存储库，由联合国维护。 存储库可以包含从不同气象站导入的遗留数据。一旦在存储库，使用诸如COSMO [11]和WRF [12]的工具对数据执行建模以用于预测目的。然后通过网站，手机，电视和其他传统方法访问天气预报信息。可以以农业咨询的形式定制预测，例如在给定季节中何时种植或收获或种植什么作物。
3.3乌干达，坦桑尼亚，卑尔根大学和南苏丹之间的合作
WAIMEA-ICT项目合作伙伴包括MAK，乌干达，DIT，坦桑尼亚，UoJ，南苏丹
和UoB，挪威，马克雷雷大学带头。三个非洲国家的国家会议服务是项目受益人。它们的作用是确保WAIMEA-ICT产品符合世界气象组织（WMO）标准。该项目的主要目标是提高研究和教学能力建设合作伙伴大学，并通过合适的ICT具体改进天气和信息管理。项目活动包括本科和研究生课程开发，支持来自三个非洲国家的工作人员的培训，并参与与天气和气候有关的社区计划。研究领域包括数值天气预报，高效电力系统设计和天气数据通信等。所有合作伙伴在该项目中负有平等责任。该项目预期的研究成果包括在三个非洲国家设计和部署的AWS，改进数值预测模型，天气储存库设置和定制天气信息传播模型。
4 致密化
4.1 AWS实施和操作化
将要实施的自动气象站将分三个阶段开发，每个阶段导致精细的原型。第一阶段已经完成，第一阶段生成原型。 这个原型的数据在这里可用[7]。典型的AWS将包括无线传感器节点，每个无线传感器节点由太阳能供电，将环境数据传输到网关设备，网关设备将通过将使用的几个通信路径之一将数据上传到集中式服务器。这个网关是一个覆盆子pi;连接到一个上行设备。在传感器节点和网关上运行的应用程序使用自由和开源技术（如GNU Compiler工具链和Linux操作系统）开发。对于每个原型，都会有严格的测试，以将站点与其他工业标准设备进行比较。运作将涉及与当地制造商合作，生产住房框架，并在选址的地区部署土木工程。 选择标准在第4.2节中讨论。
AWS的一个典型用例是在马克雷雷大学，在那里联合国大学部署了一个
工业级AWS，收集温度，湿度，日照，风速，风向和降水资料。该站与WAIMEA-ICT项目要开发的站点之间的主要区别是，前者使用有线连接，而WAIMEA-ICT AWS使用无线连接。
许多实施问题已经是可预见的。选择使用的太阳能电池板以不吸引破坏者，当地市场缺少几个必须从欧洲和中国运来的电子元件，还有一些其它挑战。我们还认为，由于土木工程和国家官僚机构的规模，即使通过这个渠道提供的服务可以负担得起，在乌干达和坦桑尼亚将站点连接到光纤骨干的过程也不是微不足道的。通过这些AWS的实施和操作，预计将在远程连接，功耗，传感器精度和一般鲁棒性等领域收集大量数据。
4.2 致密化策略
我们建议以下标准来选择最佳位置，以安装要开发的自动气象站。
4.2.1 气候带
乌干达，内陆，充满各种地理特征，如山，湖和植被，表明每单位距离的气候有显着变化。例如，即使在旱季，紧接乌干达西南部的鲁文佐里山脉的地区也更容易降雨。在热带地区，一个区域的气候模式由降雨特征充分确定，因为降雨是在时间和空间上表现出最高变异性的气候要素[6]。为此,看起来,收集大量数据从这些站点提供了更准确的天气预报结果分析基础上的气候区站安装。这些区域也是乌干达物理特征的空间模式的指示。我们的目标是在每个气候区都有气象站，而在更大的区域增加更多的气象站。这样做,我们将确保在全国有代表性的气候即使有限数量的气象站。
4.2.2 现有气象站的分布
调查结果之一是，联合国管理的几个AWS是可操作的。这意味着，这些站收集的数据可以存储在与我们的新AWS相同的存储库中。为此，在致密化过程中将考虑气候带中的任何操作站。因此，要安装的站点应该与现有站点保持最佳分离距离，以避免重复，同时在任何一个站点停机时促进冗余。虽然随着联合国执行其任务，包括对尚未在国家气象站网络上的私人气象站进行管理，现有气象站的数量预计将增加。尽管预期的分布变化，我们只考虑研究时的气象站分布。
4.2.3 网络覆盖
我们主要的AWS通信标准指南至少是由至少一个服务提供商提供的2G网络覆盖，以避免对要安装的站点的位置的限制。在评估移动电话基础设施,乌干达的沟通委员会(UCC3)评估性能的电信公司的服务条款维护,市场增长潜力,服务质量,价格,服务渗透/保险,成本和技术[8]。虽然网络覆盖已经改善，但是服务质量仍然是一个巨大的挑战，并且其特征在于由小区站点处的设备和燃料的破坏造成的不规则中断。虽然城市中心的互联网速度较低，但农村地区的人口却更多。 由于许多互联网服务提供商认为“缺乏经济可行性”，农村地区建立的有限基础设施进一步扩大了城乡数字鸿沟。这是指出,服务质量已经改善塔连接到网格和提高安全性和执行。改善网络连接的建议包括dotUG的开发管理政策，旨在协调UG国家代码顶级域（ccTLD）的管理政策框架的管理[9]。在政策中，需要建立一个非营利组织来管理dotUG资源。政府还正在建立一个国家主干基础设施（NBI）。 NBI旨在提供无限制地访问数据连接和高速互联网，降低政府部门和机构的成本。到目前为止NBI覆盖的地区的地图在[10]中给出。
4.2.4 安全
尽管所讨论的所有参数都是任何AWS的部署过程的基础，但我们从调查中注意到安全性是一个重要参数。为了避免破坏行为，大多数电台安装在地区或警察总部。一个例子是Kamuli地铁站安装在区总部。
关于安全的一般假设是城镇附近有更多的安全中心和市政当局，而不是更远。 因此，使用的标准之一是在市中心安装气象站。
联合国正在与学校等组织建立伙伴关系对气象站的维护。这样，气象站的安全将被保证和破坏行为减少。正在计划为气象站周围的人们举办宣传讲习班。重要的是，人们对使用气象站的敏感性，并考虑在可能的情况下接受维护。
4.2.5 土地政策
当设置气象站时，必须考虑土地政策。 大部分土地是私有的，给予业主的权利，如出售，拆迁和建设等等。 如果建筑物在气象站旁边建造，它们会干扰
参数如风速。 此外，土地所有者可能搬迁气象站。
鉴于这种背景，重要的是选择放置新的网站，气象站是根据联合国安盟的土地所有权。
4.3影响
WAIMEA-ICT项目将使许多部门受益，包括农业，运输和建筑，旅游和野生动物相关活动等。AWS在全天候和恶劣环境下运行，与手动气象站不同，后者需要持续的人工干预。aws收集数据以数字格式因此提供可靠性、准确性和及时交付的数据。人工气象站数据容易出错,这可能是期间推出的手工记录在纸上,传输或处理。无误差数据产生准确的天气预报，帮助农民适应不断变化的环境，从而获得更好的产量。 在成本方面，数字数据易于分析，传输便宜，运营成本降低，因为不需要观察员。
5 建议位置
我们使用上述密度策略的组合来得出新气象站的位置。在考虑在选择的气候区中的操作气象站时，已经选择城镇中心用于放置站，同时考虑气候区中的气象站的数量。图3显示了已经存在的气象站旁边的建议位置。建议的位置是三角形标记。
图3拟建和现有的气象站
6建议
鉴于气象站已经到位，需要提高其密度，以便具有有效和准确的天气预报。此外，还需要探索向目标受众传播这些天气预报的更便宜和更有效的手段。这需要更多的自动化气象站，维护成本更低，初始成本更低。政府和电信公司之间还应加强讨论，以便获得更便宜的互联网连接。尽管有自动化，我们还建议培养一支经过良好培训的骨干员工。AWS还应根据手动装置进行校准，以便在试运行阶段进行简单比较。
7 总结
及时准确的天气预报在几乎所有生活领域都发挥着重要作用，特别是在东非的农业领域。然而，我们的调查结果显示，在乌干达有一个稀疏的气象站网络。我们建议改进气象站密度，包括低成本的建议自动气象站（AWS）。与所有合作伙伴（MAK，DIT，UoJ和UoB）合作建立的AWS旨在实惠且强大，因此为东非国家气象服务提供高效的天气信息管理的潜在好处。
文献参考：
[1] African Development Bank Group, Agriculture Sector Strategy, 2010
[2] Uganda Bureau of Statistics, Statistical abstract, 2014
[3] Ministry of Finance, Planning and Economic Development, “Millennium Development Goals Report for Uganda
[4] A. Corner, “Hidden Heat, Communicating climate change in Uganda:Challenges and Opportunities”
http://psych
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