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空港気象観測所は、航空および気象業務、天気予報、気候学を支援するために設計された自動化されたセンサー群です。自動化された空港気象観測所は、米国とカナダにおける気象観測の中核を担う存在となっており、その効率性とコスト削減効果から、世界中でますます普及が進んでいます。
米国には、微妙ながらも重要な違いを持つ自動気象観測所がいくつか存在する。これらには、自動気象観測システム（AWOS）と自動地上観測システム（ASOS）が含まれる。
自動気象観測システム( AWOS ) ユニットは、主に州政府や地方自治体、その他の非連邦機関によって運用、保守、管理されており、FAA の非連邦 AWOS プログラムの下で認証されています。[ 2 ] FAA は、230 の FAA 所有 AWOS および以前の自動気象センサー システム (AWSS) システムを 2017 年に AWOS-C 構成にアップグレードしました。[ 3 ] AWOS-C は、FAA が所有する最新の AWOS 施設であり、METAR /SPECI 形式の航空気象レポートを生成できます。AWOS-C は、機能的には ASOS と同等です。[ 4 ]アラスカにある FAA 所有の AWOS-C ユニットは通常 AWOS-C IIIP ユニットに分類され、その他のすべての AWOS-C ユニットは通常 AWOS III P/T ユニットに分類されます。[ 5 ]
AWOSシステムは、さまざまな方法で気象データを配信します。
以下のAWOS構成は、測定するパラメータの観点から以下に定義されています。 [ 6 ]
また、AWOS AV（AWOS Aパラメータに視程を加えたもの）などのカスタム構成も可能です。非認証センサーをAWOSシステムに接続することはできますが、それらのセンサーから得られた気象データは、音声メッセージにおいて「助言」として明確に識別する必要があり、METAR観測値に含めてはなりません。
2022年5月22日現在、FAA認証を受けた非連邦AWOSシステムを提供しているメーカーは以下のとおりです。[ 7 ]
自動地上観測システム（ASOS）は、米国では国立気象局（NWS）、連邦航空局（FAA）、国防総省（DOD）が協力して運用・管理している。長年の研究開発を経て、ASOSの配備は1991年に開始され、2004年に完了した。
これらのシステムは通常1時間ごとに報告を行いますが、気象条件が急激に変化して航空運航の基準値を超えた場合には、特別な観測結果も報告します。通常、AWOS-IIIのすべてのパラメータを報告するほか、華氏温度と露点、現在の気象状況、着氷、雷、海面気圧、降水量なども報告する機能を備えています。
ASOSは航空ニーズを満たすだけでなく、米国における主要な気候観測ネットワークとしての役割も担っており、第一級の気候観測所ネットワークを構成しています。そのため、ASOSのすべての観測所が空港に設置されているわけではありません。例えば、ニューヨーク市のセントラルパークにあるベルヴェデーレ城に設置されているものや、マサチューセッツ州ボストン近郊のブルーヒル天文台に設置されているものもあります。
FAAは、すべての自動気象センサーシステム（AWSS ）ユニットをAWOS III P/Tユニットに変換しました。米国国家空域システム（NAS）にはAWSSシステムは残っていません。[ 3 ]
空港の自動気象観測所は、さまざまな高度な機器を使用して気象を観測します。
古い空港の自動気象観測所の大部分は、風速と風向を測定するために機械式の風向計とカップシステムを備えています。このシステムはシンプルな構造で、風が風向計の基部を回る3つの水平回転カップを回転させ、風速を推定します。一方、上部の風向計は、風に対する抵抗が最小となるように回転し、風の吹いてくる方向を指すことで風向を示します。
新世代のセンサーは、音波を用いて風速と風向を測定します。測定は、超音波パルスが一方のトランスデューサーからもう一方のトランスデューサーへ伝わるのにかかる時間に基づいており、この時間は風速など様々な要因によって変化します。伝搬時間は、複数の（通常は2組または3組の）トランスデューサーヘッドについて、両方向で測定されます。センサーはこれらの結果に基づいて、風速と風向を算出します。機械式センサーと比較して、超音波センサーは可動部品がない、高度な自己診断機能を備えている、メンテナンスの手間が少ないなど、多くの利点があります。
NWS（米国国立気象局）とFAA（連邦航空局）のASOS（航空気象観測システム）ステーション、および新規AWOS（航空気象観測システム）設置施設のほとんどは、現在超音波風速計を装備している。
他のすべての測定は地上から3～9フィート（0.91～2.74メートル）の高さで行われますが、風速と風向は30フィート（9.1メートル）の高さで測定されます。
視界を判断するために、空港の自動気象観測所では、次の2種類のセンサーのいずれかを使用します。
前方散乱センサーは、センサーの一端から受信機に向かって赤外線ビームを照射しますが、このビームは受信機への直線から一定の角度だけずれています。空気中の粒子によって散乱され、受信機で受信される光の量によって消光係数が決定されます。この消光係数は、アラルドの法則またはコシュミダーの法則を用いて視程に変換されます。
透過率計では、可視光線が送信機から受信ヘッドまで伝送されます。消光係数は、空気中で失われる光の量から算出されます。
また、透過率計と前方散乱センサーをある程度組み合わせたセンサーも存在する。
前方散乱センサーは、価格が安く、サイズが小さく、メンテナンスの手間が少ないため、より普及しています。しかし、透過率計は低視程時の精度が高く、故障時にも実際の視程よりも低い値を報告するというフェイルセーフ機能があるため、一部の空港では依然として使用されています。
現在のセンサーは広範囲の視界を報告できる。航空用途においては、報告された値は以下のいずれかのスケールで最も近いステップに切り捨てられる。
空港の自動気象観測所は、発光ダイオード気象識別装置（LEDWI）を使用して、降水があるかどうか、またどのような種類の降水があるかを判断します。LEDWIセンサーは、センサーの赤外線ビーム（直径約50ミリメートル）を通過する降水のシンチレーションパターンを測定し、粒子サイズと落下速度のパターン分析から、降水が雨か雪かを判断します。[ 10 ]降水があると判断されたが、パターンが雨か雪か明確に識別できない場合は、不明な降水が報告されます。空港の自動気象観測所は、雹、氷粒、およびその他のさまざまな中間形態の降水をまだ報告できません。
空港の自動気象観測所には、特定の視界障害を検出するための独立したセンサーはありません。代わりに、視界が 7マイル未満に低下すると、システムは報告された温度と露点を使用して視界障害を判断します。相対湿度が低い場合 (つまり、温度と露点の差が大きい場合)、もやが報告されます。相対湿度が高い場合(つまり、温度と露点の差が小さい場合)、正確な視界に応じて、霧または靄が報告されます。霧は、視界が0.5 マイル (0.80 km)より大きく7 マイル (11 km)未満の場合に報告されます。温度が氷点下の場合[ 11 ] [ 12 ]、湿度が高く、視界が 0.5 マイル以下の場合、着氷霧が報告されます。[ 13 ]
空港の自動気象観測所では、上向きレーザービームシーロメーターを使用して雲の量と高さを検出します。レーザーは上向きに照射され、反射光が観測所に戻ってくるまでの時間によって雲底の高さが計算されます。検出範囲が限られているため（レーザーは真上の雲しか検出できません）、システムコンピュータは時間平均の雲量と雲底を計算し、外部のユーザーに報告します。急速に変化する雲量による危険性を補償するために、平均化は30分間の平均化期間の最初の10分間に重み付けされます。シーロメーターの測定範囲は、モデルによって最大25,000フィート（7,600メートル）です。 [ 14 ]現在のところ、この高さより上の雲は自動観測所では検出できません。
空港の自動気象観測所では、連続運転用に設計された温度/露点センサー（温湿度計）が使用されており、メンテナンス時を除き、通常は常時稼働している。
温度測定は露点測定に比べて簡単です。電気抵抗が温度によって変化するという原理に基づき、白金線抵抗温度計が周囲の空気温度を測定します。現在のASOS温度計はHO-1088という型番ですが、一部の旧型システムでは依然としてHO-83が使用されています。
対照的に、露点測定はかなり複雑です。ASOSシステムに搭載されているオリジナルの露点センサーは、鏡の表面に微細な結露膜が形成されるまで冷却された冷却鏡を使用しています。この状態での鏡の温度は露点温度に等しくなります。湿度計は、小型赤外線ダイオードからの光線を45度の角度で鏡の表面に照射することで露点を測定します。2つのフォトトランジスタが取り付けられており、鏡が透明なとき（直接）には高い反射光を測定し、目に見える結露で鏡が曇っているとき（間接）には散乱光を測定します。鏡に結露が形成されると、直接トランジスタが受ける光が少なくなり、間接トランジスタが受ける光が多くなるため、鏡の表面の曇りの度合いが増します。これらのフォトトランジスタからの出力は、熱電対の逆の動作に非常によく似た電子ヒートポンプである鏡冷却モジュールを制御し、加熱または冷却効果を生み出します。センサーが最初に作動したとき、鏡は透明です。鏡面温度が露点温度まで低下すると、鏡面に結露が発生します。電子回路は、鏡面温度を露点温度に維持するために、パワーアンプへの信号レベルを継続的に安定化しようとします。空気の露点が変化したり、回路がノイズによって乱されたりした場合、ループは露点温度に再安定化し、連続動作を維持するために必要な補正を行います。
冷却ミラーセンサーの問題により、NWS ASOSサイトでは現在、静電容量のみで湿度を測定するVaisalaのDTS1センサーを使用しています。このセンサーは、小型ヒーターを組み込んだ固体静電容量式相対湿度素子に基づいており、検出素子が常に周囲温度より高くなるため、露や霜の発生が防止されます。センサーは、測定された相対湿度と加熱された静電容量素子の測定温度に基づく計算により、露点を直接報告します。[ 15 ]
旧型のAWOSシステムでは塩化リチウム露点センサーが使用されていました。現在のAWOSシステムでは静電容量式相対湿度センサーが使用され、そこから露点が計算されます。[ 16 ]
気圧センサーからのデータは、 QNH高度計の設定値を計算するために使用されます。パイロットはこの値に基づいて高度を判断します。地形やその他の障害物との安全な分離を確保するためには、気圧センサーに高い精度と信頼性が求められます。
ほとんどの航空気象観測所では、2つ（AWOSに必要な数）または3つの独立した圧力変換器を使用しています。これらの変換器は、関連するチューブや外部ポートを共有する場合としない場合があります（風や突風の影響を最小限に抑えるように設計されています）。報告された圧力が事前に設定された最大値を超えて異なる場合、圧力値は破棄され、高度計の設定値は報告されないか、「欠落」として報告されます。
高度計の設定値は、気圧、地点標高、センサー標高、および（オプションで）気温に基づいて計算されます。
高度計の設定値は、水銀柱インチ（0.01インチHg刻み）またはヘクトパスカルの整数値（切り捨て）で報告されます。
空港の自動気象観測所で使用されていた降水量測定装置の最初のものは、加熱式転倒マス雨量計でした。この装置の上部は、開口部のある直径1フィート（0.30m ）の集水器で構成されています。集水器は、雪や雹などの凍結した降水を溶かすために加熱され、水を2つのチャンバーを持つ回転式容器（バケツと呼ばれる）に集めます。降水は漏斗を通ってバケツの一方のチャンバーに流れ込み、 0.01インチ（0.25mm ）（18.5グラム）の水が溜まるまで続きます。この重さによってバケツは回転軸を中心に傾き、溜まった水を排出し、もう一方のチャンバーを漏斗の下に移動させます。この傾きによってスイッチ（リードスイッチまたは水銀スイッチ）が作動し、0.01インチ（0.25mm ）の降水ごとに1回の電気パルスが送信されます。
加熱式転倒マスでは凍結降水（特に雪）の測定に問題があるため、全天候型降水量計（AWPAG）が開発されました。このセンサーは基本的に重量計で、降水は収集器内に継続的に蓄積され、重量が増加するにつれて降水量が記録されます。AWPAGは、一部のNWS ASOSユニットにのみ搭載されています。[ 17 ]
空港の自動気象観測所は、振動棒の共振周波数を利用して着氷性の雨を検知します。この共振周波数は、氷、霜、着氷性の霧、着氷性の霧雨、樹氷、または湿った雪の付着量（質量）が増加するにつれて低下します。
着氷性降雨を報告するために、システムは着氷性降雨センサーの出力とLEDWIからのデータを組み合わせて使用します。システムが着氷性降雨を報告するには、LEDWIが未知の降水または降雨の明確な兆候を示す必要があります。LEDWIが降水なしまたは雪を報告した場合、システムは着氷性降雨センサーからの入力を無視します。このセンサーは、あらゆる気象条件における着氷を検知して報告するように設計されています。
米国内の多くの自動空港気象観測所は、自動雷検知報告システム（ALDARS）を介して雷を検知するために、国立雷検知ネットワーク（NLDN ）を使用しています。NLDNは、全国に106個のセンサーを使用して落雷を三角測量します。検知グリッドからのデータはALDARSに送られ、ALDARSは各自動空港観測所にメッセージを送信して、落雷の近さを知らせます。観測所から5マイル（8.0 km）以内の落雷は、観測所での雷雨（TS）の報告につながります。観測所から5マイル（8.0 km ）以上10マイル（16 km）未満の落雷は、観測所付近での雷雨（VCTS）の報告につながります。観測所から10マイル（16 km）以上30マイル（48 km）未満の落雷は、遠方の落雷（LTG DSNT）の報告のみにつながります。[ 18 ]
しかし、現在では一部の観測所は外部サービスを必要とせず、その場所で実際に落雷を測定するための独自の雷センサーを備えています。この雷雨センサーは、落雷によって発生する光の閃光と瞬間的な電界の変化の両方を検出することで機能します。これら両方が数ミリ秒以内に検出されると、観測所は落雷の可能性を記録します。最初の落雷から15分以内に2回目の落雷の可能性が検出されると、観測所は雷雨を記録します。[ 19 ]
データ配信は通常、各空港に設置された自動VHF航空無線周波数（108～137MHz ）を介して行われ、自動気象観測データが放送されます。これは多くの場合、自動ターミナル情報サービス（ATIS）を介して行われます。ほとんどの自動気象観測所には、電話またはモデムを介してリアルタイムの観測データを取得するための専用電話番号も用意されています。
米国では、FAA（連邦航空局）が運営するコンピュータシステムであるAWOS/ASOSデータ収集システム（ADAS）が、遠隔でシステムをポーリングし、観測データにアクセスして、METAR形式で世界中に電子的に配信している。
現在、空港の自動気象観測所では、以下のような様々な気象状況を報告することができません。
これらの現象の多くは航空機に危険をもたらす可能性があり、また全てが気象学界にとって関心の高いものであるため、利用者の多い空港のほとんどには、自動気象観測所の観測を補完したり、追加情報を提供したりするパートタイムまたはフルタイムの人間による観測員が配置されています。自動観測所がこれらの現象の多くを検出できるようにするための研究が現在も続けられています。
自動観測所も機械的な故障に見舞われることがあり、修理や交換が必要となる場合があります。これは、自然災害や人為的な損傷、機械的な摩耗、冬季の厳しい着氷などが原因となります。システム停止時には、自動観測所からの欠落したデータや代表性に欠けるデータを補うために、人間の観測者が配置されることがよくあります。自然災害、機械的な摩耗、着氷の影響を受けにくい、より堅牢なシステムの開発に向けた研究も継続的に行われています。
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