地面氣象觀測儀器
正文
放在百葉箱中的地面氣象觀測儀器溫度測量儀器 常用的有玻璃溫度表、雙金屬片溫度計、金屬電阻溫度表和熱敏電阻溫度表等。
玻璃溫度表 利用測溫液體在玻璃毛細管中熱脹冷縮的特性製成，常用的液體有水銀和酒精兩種。通常使用的有：乾濕球溫度表、 最高溫度表、 最低溫度表和1887年德國R.阿斯曼創製的阿斯曼乾濕表(圖1)。最高溫度表的結構與體溫表類似,在接近球部處設有一玻璃針，使毛細管變狹。當溫度上升時，球部水銀膨脹，擠過狹管而上升；溫度下降時、狹管處的摩擦力阻止水銀柱下降，因此可測得最高溫度。最低溫度表，一般用酒精作測溫液，在毛細管內設一游標，溫度下降時液面的表面張力帶動游標下降,而溫度上升時,管壁的摩擦力使游標停而不動，因而可測得最低溫度。 雙金屬片溫度計 是自動連續記錄氣溫變化的儀器。感應元件由膨脹係數相差較大而彈性模量相近的兩塊金屬片（常用的有殷鋼和無磁鋼）焊接而成。這種雙金屬片隨溫度的變形率接近線性，所以可用來測溫。自記系統由同感應元件相聯的自記筆和鏇轉的自記鍾構成。
金屬電阻溫度表 利用金屬電阻隨溫度變化的原則製成的溫度表。常用的金屬絲有鉑、鎳和銅三種，阻值在幾十歐到一百歐之間。其中鉑電阻絲的穩定性最好，可用它製作標準溫度表。電阻溫度表可以用於遙測。
熱敏電阻溫度表 其感應元件由幾種金屬氧化物混合焙燒而成。可為棒狀、球狀或片狀。其阻值可達幾十千歐，電阻的溫度係數大，儀器的靈敏度高於金屬電阻溫度表，被廣泛套用於遙測。熱敏電阻的外表必須絕緣，防止在高濕時漏電。
溫差電偶溫度表 利用溫差電現象製成。溫差電現象是指在兩種不同導體所組成的封閉迴路中，若導線連線處的溫度不同就會產生電流的一種現象。溫差電偶溫度表由於構造簡單，分度便利，常用於梯度觀測及空氣、土壤和水溫的測定。目前在日射儀器及小氣候觀測中也被廣泛套用。
石英晶體溫度表 選擇石英晶體某種切片平面的方向，使石英晶體薄片具有振盪頻率和溫度成線性關係的特性，用這種切型的石英晶體作為測溫元件製成的溫度表。它的優點是：可以直接數字輸出，有較高的解析度（可達10-3°C）。
測量大氣溫度時，感應元件需遮蔽，以防止各種形式輻射的影響，如百葉箱和阿斯曼乾濕表外管等。同時，防輻射設備必須保持良好的通風，儘量減小對自然狀況的干擾。
氣壓測量儀器 常用的有水銀氣壓表和空盒氣壓表兩種。
水銀氣壓表 將一支一端封閉的玻璃管抽成真空，注滿水銀，再將開口一端插入水銀槽中，以水銀槽平面到管內水銀柱頂的高度來測量大氣壓力。水銀柱高度必須以溫度為0°C、重力加速度為9.80665米/秒2的情況下所具有的高度為標準。當測量氣壓時，溫度和重力加速度與上述情況不符，則必須對由此引起的偏差加以訂正。1810年，法國J.福丁發明福丁式水銀氣壓表，氣壓表的玻璃管外配有測量水銀柱高度的銅管標尺(圖2)。 水銀氣壓表測量精度較高，性能穩定，常作為標準氣壓表。 空盒氣壓表 由扁平的金屬膜片空盒組構成，盒內的氣壓較低。利用彈性應力與大氣壓力相平衡的原理，以它形變的位移測定氣壓。其優點是便於攜帶和安裝。但由於金屬膜片的彈性係數隨溫度變化，須採取溫度補償措施；空盒形變存在彈性滯後，在一定的氣壓範圍內，升壓和降壓的形變曲線不重合。上述兩個因素使空盒氣壓表的測量精度低於水銀氣壓表。空盒氣壓計套用空盒氣壓表的原理製成，它是一種能自動記錄的氣壓表。
微壓計 是一種較敏感的氣壓計(圖3),它能覺察出比0.05百帕還小得多的氣壓變化。自記鐘的走紙速度約1～2小時轉一周。微壓計的空盒開口，盒內空氣始終與外界大氣相通。整個空盒組裝在一個可密封的金屬圓筒內，觀測的起始時刻，打開金屬圓筒的截門,使空盒內外的氣壓相等,氣壓計指零（或滿刻度），然後關上截門，此後，儀器的指示值表示為各時刻的氣壓同初始值之差。它是一種研究短時間氣壓細微變化的儀器。 濕度測量儀器 常用的有乾濕球溫度表、毛髮濕度表（計）、露點儀和電學濕度片。
乾濕球溫度表 乾濕表最早由德國E.F.奧古斯特發明（1825）。由測定空氣溫度和濕度的一對並列裝置的、形狀完全相同的溫度表組成。一支測量氣溫,稱乾球;另一支在球部包紮一層保持浸透蒸餾水的脫脂紗布，稱濕球。由於水分在未飽和濕空氣中蒸發時吸收感溫元件的熱量，濕球溫度將低於幹球溫度。空氣中的水汽壓e 可按下式計算：
e =ew-Ap(T-Tw)
其中T和Tw分別為乾、濕球溫度,ew為相應於濕球溫度的飽和水汽壓，P 為大氣壓力。A為乾濕表係數,它是濕球直徑和通風速度的函式。因此給儀器以恆定的人工通風可提高測量精度。乾濕球溫度表不適於低溫（在-10°C以下）測濕。
毛發濕度表 脫脂的人發、牛的腸衣等一類物質在潮濕時伸長，乾燥時縮短，利用它們的這種特性可以作成濕度表和濕度自記儀。缺點是：它們在低濕時，時間常數太大，元件的穩定性也較差。
露點儀 直接測定空氣露點溫度(見露)的儀器。在一根銅棒的頂端放置一個薄的小銅鏡，銅鏡背面有測量鏡面溫度的元件。銅棒同時受冷、熱源的控制，使鏡面溫度在露點附近變動，當鏡面上可觀察到露滴或冰晶時隱時現時，這時測溫元件所指示的溫度的平均值即為露點（零下結冰時為霜點）溫度。露點儀的原理簡單，但須要光潔度很高的鏡面，精度很高的控溫系統，以及靈敏度很高的露滴（或冰晶）的光學探測系統。使用時必須使吸入樣本空氣的管道保持清潔，否則管道內的雜質將吸收或放出水分，造成測量誤差。
電阻式濕度片 利用吸濕膜片隨濕度變化而改變其導電性能的原理製成。常用的有氯化鋰濕度片。氯化鋰是一種離子鹽，本身的性質穩定，其溶液的飽和水汽壓低於同溫度水的飽和水汽壓。當空氣的水汽壓高於氯化鋰的飽和水汽壓時,它將吸收水分增加自身的電導率;反之，則放出水分降低電導率。測定氯化鋰的電阻值可確定相對濕度。其缺陷是溫度係數大，使用壽命有限。
薄膜測濕電容 以高分子聚合物為介質的電容元件。利用聚合物吸收空氣中的水汽而改變元件電容量的特性製成的薄膜測濕電容，製作工藝精巧，性能優良，已在無線電探空儀和一些自動氣象站上用作測濕元件。
風的測量儀器 風向測量儀器 風向標（圖4）是各種測風儀器中用以指示風向的最主要的部件，分為頭部、水平桿和尾翼三部分。在風力的作用下，風向標繞鉛直軸鏇轉，使風尾擺向下風方向，頭部指向風的來向。風向標感應的風向必須傳遞到地面的指示儀表上，以電觸點式最為簡單，但一般只能作到每一個方位(22.5°)有一個觸點。 精確的方法有自整角機和光電碼盤。 風速測量儀器 ①風杯風速計。它是最常見的一種風速計。 轉杯式風速計最早由英國 J.T.R.魯賓孫發明(1846)，當時是四杯,後來改用三杯。三個互成120度固定在架上的拋物形或半球形的空杯都順一面，整個架子連同風杯裝在一個可以自由轉動的軸上。在風力的作用下風杯繞軸鏇轉，其轉速正比於風速。轉速可以用電觸點、測速發電機或光電計數器等記錄。②螺鏇槳式風速計。它是一組三葉或四葉螺鏇槳繞水平軸鏇轉的風速計。螺鏇槳裝在一個風標的前部，使其鏇轉平面始終正對風的來向，它的轉速正比於風速。③熱線風速計。一根被電流加熱的金屬絲,流動的空氣使它散熱,利用散熱速率和風速的平方根成線性關係,再通過電子線路線性化(以便於刻度和讀數),即可製成熱線風速計。熱線風速計分旁熱式和直熱式兩種。旁熱式的熱線一般為錳銅絲，其電阻溫度係數近於零，它的表面另置有測溫元件。直熱式的熱線多為鉑絲，在測量風速的同時可以直接測定熱線本身的溫度。熱線風速計在小風速時靈敏度較高，適用於對小風速測量。它的時間常數只有百分之幾秒，是大氣湍流和農業氣象測量的重要工具。④聲學風速表。在聲波傳播方向的風速分量將增加（或減低）聲波傳播速度，利用這種特性製作的聲學風速表可用來測量風速分量。聲學風速表至少有兩對感應元件，每對包括發聲器和接收器各一個。使兩個發聲器的聲波傳播方向相反，如果一組聲波順著風速分量傳播，另一組恰好逆風傳播，則兩個接收器收到聲脈衝的時間差值將與風速分量成正比。如果同時在水平和鉛直方向各裝上兩對元件，就可以分別計算出水平風速、風向和鉛直風速。由於超音波具有抗干擾、方向性好的優點，聲學風速表發射的聲波頻率多在超音波段。
達因風向風速計 是一種測定瞬時風向風速並作連續記錄的儀器,由英國W.H.達因所設計(1892),故名。其風向由風向標的裝置測定，風速由以下裝置測定：風速的感應部分有兩個開口，感應風的動壓力與大氣靜壓力之和的開口稱總壓口，基本上只感應大氣靜壓力的開口稱靜壓口。總壓口位於風向標風尾翼橫桿的前端，由於風向標隨風擺動，風尾始終處於下風方向，因而總壓口就始終對著氣流的來向；靜壓口是一組小孔，位於風標垂直軸的外層套管上。總壓口和靜壓口分別通過導管和浮筒式微壓計相連，浮筒內艙和總壓管連通，浮筒外和靜壓管連通，這樣，浮筒所受的壓力差只與風的動壓力有關（圖5）。由於氣流的動壓力和風速的平方成正比，為保持浮筒在受風壓作用後，浮升的高度和風速成正比，浮筒內壁的曲線形狀必需經過專門的設計。 輻射測量儀器 輻射能的測量 輻射主要有太陽直接輻射，大氣散射，地面反射輻射，地面和大氣的紅外熱輻射，以及淨輻射（見輻射差額）。常用的測量儀器有：
① 絕對日射表（計）。它是測量在太陽入射方向垂直平面上的太陽直接輻射強度的儀器，測量精度較高，且儀器常數可在實驗室內測定。因此可用來確定其他類型儀器的儀器常數。根據世界氣象組織的決議，從1981年1月1日起將美國的ACR310型和PACRADⅢ型，比利時的CROM型，以及瑞士的PMO2型四種絕對日射計，作為日射計標尺的標準。這幾種類型日射計的工作原理相似，以美國的PACRADⅢ型絕對日射計（圖6）為例：接受太陽輻射的主要部分是吸收係數十分接近於1.0000的探測黑體空腔的錐角部分，在探測腔體後面的補償空腔，以人工加熱法保持和探測空腔具有相同的溫度，使探測腔體的熱量完全不向後傳遞。測量空腔和熱匯的溫差就可以測得太陽輻射強度。這類儀器的測量精度較高，誤差低於1％。 ② 直接日射表。它是用來測量太陽直接輻射強度的儀器。該儀器的遮光套筒前的開口對感應面的視角為10度。接受太陽輻射的感應面是位於套筒底部的一塊塗黑的錳銅薄片，它的背面緊貼熱電堆的正極，負極則貼在遮光筒內壁。熱電堆的電動勢正比於太陽輻射。比例係數可與絕對日射計對比確定。
③ 天空輻射表。它是測定水平面上的太陽輻射、大氣散射輻射和地面反射輻射的儀器 (圖7)。儀器的感應部分由黑片和白片相間組成3×3厘米2的方格陣。輻射強度正比於黑白片下熱電堆的電動勢。感應面上有一個半球形防風保護玻璃罩。儀器前上方可伸出一塊對感應平面視角為10度的遮光板。支起遮光板遮去陽光，儀器只能測到天空散射輻射；除去遮光板則能測到水平面上太陽輻射和散射輻射的總和。反轉儀器，使感應平面向下，則能測到地面對太陽輻射和散射輻射的反射輻射。 ④ 淨輻射儀。它是用來測量地表面吸收和支出輻射之差的儀器，使用最普遍的是聚乙烯防風薄膜式淨輻射儀（圖8）。儀器有上、下兩片感應黑片,向上的吸收地面輻射收入項,向下的吸收地表面輻射支出項。兩塊感應面由絕熱材料隔開，由熱電堆測量它們的溫差，淨輻射強度正比於溫差電動勢。
測定日照時數儀器 ①暗筒式日照計。儀器上有一小孔,陽光透過小孔射入筒內,在塗有感光藥劑的日照紙上留下感光痕跡，利用痕跡線可計算出日照的時數。②聚焦式日照計。它是利用太陽光經玻璃球聚焦後燒灼日照紙留下的焦痕來記錄日照時數的儀器。暗筒式日照計製造較簡單，記錄誤差小，是台站常用的儀器。
降水量測量儀器 主要有雨量器和雨量計兩類。
雨量器 測量在某一段時間內的液體和固體降水總量的儀器。一般為直徑20厘米的圓筒，為保持筒口的形狀和面積,筒質必須堅硬。為防止雨水濺入,筒口呈內直外斜的刀刃形。雨量器有帶漏斗和不帶漏斗的兩種。筒內置有儲水瓶。降雪季節取出儲水瓶，換上不帶漏斗的筒口，雪花可直接儲入雨量筒底。
雨量計 可連續測量和記錄液體降水量的自記儀器。常用的有虹吸式和翻斗式兩種。
① 虹吸式雨量計（圖9）。當雨水經漏斗進入測量筒後,筒內的浮子隨水位升高,當筒內貯滿10（或20）毫米雨量時，在短時間內發生一次虹吸，將筒內的存水一次排出，使浮子重新從零位開始記錄。浮筒上所帶自記筆尖可在鍾筒上畫出降雨量隨時間累積的過程。 ② 翻斗式雨量計。其測量器是兩個三角形的翻斗，每次只有其中的一個翻斗正對漏斗口。 當翻斗盛滿0.2毫米降水時，由於重心外移而翻倒，將盛水倒出，同時使第二個翻斗移到漏斗口下，由翻斗交替次數和時間的記錄可得降水資料。翻斗式雨量計可用於自動氣象站。
能見度測量儀器 20世紀60年代前，氣象台站常用目測方法，即由人眼觀測目標物能從背景中分辨出來的最遠距離，測定大氣能見度。70年代以來常採用能見度儀進行測量，主要儀器有兩種類型：
① 透射型。包括一個光發射源，以及幾個接收器。把接收器安裝在不同的距離處，以接收到的光源亮度與發射源參考亮度的比值的變化來計算大氣透明度和能見度。也可將光發射源和一個接收器裝在一起，而在不同距離上安裝反射靶。接收器分別測量來自不同反射靶的光源亮度，由此求得大氣能見度。
② 散射型。認為大氣消光主要是由氣體分子、微滴和微粒等的散射作用造成的，因此可以通過測量相對於光發射器光軸的不同方向上的散射光強來計算能見度。根據光發射器光軸同接收器光軸的角度關係，又可分做後向散射儀、前向散射儀和總散射儀幾種。
參考書目
WMO，Guide to Meteorological Instruments andObserving Practices，4th ed.，WMO-No.8，1971.
W.E.K.Middleton，A.F.Spilhaus， MeteorologicalInstruments,3rd ed.,Univ.of Toronto Press,Canada，1953.
