气象历史及技术

一、大气温度1、 气温观测仪器气温系以温度计量测之，指在距地面1.25-2.00公尺间流动，而不受太阳直达辐射影响之空气温度而言。气温观测仪器的历史有关气温观测仪器之史料如下：1592年：荷兰人C.DrebbelvonAlkmar与意大利人GalileoGalilei同时发明空气温度计。1620年：荷兰人C.DrebbelvonAlkmar发明酒精温度计。1643年：德国人Kircher发明水银温度计。1665年：荷兰人Huygens作温度计温标，订水之冰点及沸点。1714年：德国人G.D.Fahrenheit制作水银温度计，订华氏温标。1730年：法国人Reaumur制订列氏温标。1742年：瑞典人AndersCelsius制订摄氏温标。1794年：英国人DanielRutherford发明最高最低温度计。1887年：德国人R.Assmann发明通风乾湿计。第二次世界大战以后，气象仪器发展神速，法国巴黎Richard公司依照Bourdon氏发明之巴塘管原理而制作自记温度计，近年因仪器自动化而使用白金电阻温度计，在特殊用途上，尚有光学温度计之发明。2、 气温观测仪器气温观测仪器之简介如下：双管温度计(SheathedThermometer)使用时间：自设站迄今用途：测量气温构造及原理：原理与单管温度计相同，构造则略有差异，即利用毛细管连接于圆形感应部，毛细管再固定于刻度板上。感应部连接外套管，外套管内填入乾燥空气，使不致因冷热而使水汽凝结于管壁，影响读数，外套管上端再与以封闭。双管温度计之好处在于刻度板因不与外界潮湿空气接触，所以刻度不致模糊，而内部之乾燥空气亦可隔绝辐射热之影响。黑(白)球温度计(GlobeThermometer)使用时间：用途：自设站至民国四十年代构造及原理：用玻璃制温度计，将感温球部涂成黑(白)色封入玻璃制之套管内，玻璃套管球部作成球形，直径约5.8公分，刻度部分作成圆筒形，内径较温度计约大一倍，温度计插入后，用铜片在靠近球部及顶端各作一处支撑，然后除外管内侧抽成真空后封闭，测量辐射时与白球温度计同时使用，利用二者之差求得辐射量。海水温度计(MarineThermometer)使用时间：自设站至民国三十年代用途：测量海水温度用构造及原理：温度计以水银作为感温液，最小刻度为0.2°C，测定范围-15°C〜+45°C。温度计刻度部分以不锈钢套固定，感应部则插入以皮革制成之蓄水桶内，不锈钢套上端有一钩环，可以系上铁链或绳索。使用时，将铁链及温度计放入所需测量深度之海水中，俟皮革内之海水与其环境之海水温度均匀时，拉起温度表，即可读出该层海水之温度。二、大气湿度1、 湿度观测仪器湿度系大气中水份含量多少之表示。依照世界气象组织技术规范有六种表示方法，即水汽混合比、比湿、水汽压、绝对湿度、相对湿度及露点等。湿度观测仪器的历史有关湿度观测仪器之史料如下：公元15世纪：德国人NicolausdeCusa发明湿度计。1650年：Tuscana国大侯FerdinandII发明凝结湿度计。1769年：德国人Lambert制作湿度计。1783年：瑞士人H.B.Saussure发明毛发湿度计。1799年：法国人Leslie首先用乾湿球之示差温度计(DifferentialThermometer)量测湿度。1815年：法国人Gay-Lussac求得乾湿计量测湿度之公式。1819年：法国人HenriVictorRegnault制造凝结湿度计。1854年：法国人H.V.Regnault制成露点计。1887年：德国人R.Assmann发明通风乾湿计。1938年：美国人Dumore开始研究电动湿度计。湿度观测仪器发展至今，约可归纳为乾湿计测定法、毛发测定法、电阻测定法及露点或霜点测定法等仪器。2、 湿度观测仪器湿度观测仪器之简介如下：毛发湿度计使用时间：自设站迄今用途：测量大气中湿度用构造及原理：以一束脱脂处理后之毛发，上端固定在金属架上，下端连接桓杆和指针，杆上有可伸缩之小铜锤，使毛发伸直，顶端有一小螺丝，为调整指针之位置用，为使指针轴减少摆动，可装置游丝一个予以控制。毛发有很多细孔，当大气中湿度增加时，细孔吸湿而伸长，湿度减小时，细孔放出水汽而收缩，其变量带动指针，即可知湿度。有些毛发湿度计刻度板有三排，上排为湿数，下排为相对湿度，将气温减去湿数即为露点温度。温度计亦有二种刻度，右方刻度为左面温度相当之最大水汽张力，最大水汽张力乘以相对湿度即得绝对湿度。氯化锂露点仪此仪系用镍照做成的测温电阻体，封入不鳞钢制之保护管内，保护管外侧包上铁弗龙绝缘片，表面再用玻璃纤维胶带缠绕起来。其中以2条传导线成螺旋型卷绕，使用时以3.8%之氯化锂液涂于导线上，导线上通以25VAC电压，氯化锂液与外界环境湿度平衡时，白金电阻测温体测镍之温度是为露点温度。在湿度实验室中时，通风速控制在1±0.4m/s，比实际正常作业略小，温度控制在25r范围，量测结果如图六所示。原理与单管温度计相同，构造则略有差异，即利用毛细管连接于圆型感应部，毛细管再固定于刻度板上。感应部连接外套管，外套管内填入乾燥空气，使不致因冷热而使水汽凝结于管壁，影响读数，外套管上端再与以封闭。双管温度计之好处在于刻度板因不与外界潮湿空气接触，所以刻度不致模糊，而内部之乾燥空气亦可隔绝辐射热之影响。三、风向风速在古代，人们就知道利用风能开放出来风车、帆船等，风能作为清洁无污染，可持续发展的能源一直是开放利用的重点，现在很多地方都有风力发电站，要想更好的利用风能，我们得测量出风速和风向，我们可以利用风速风向传感器来测量风速和风向，有一种风速风向传感器的基于流量传［1］感器制成的。首先，通过流量传感器降风速大小转换为电压信号，其值与来流风速的大小成一种函数关系，再由A/D转换芯片和运算放大器将这两个模拟信号转换为数字信号，由单片机为主控单元的发射机读入并进行处理，然后，单片机把处理完的数据包通过无线模块发送给接受机，接收机以无线模块进行接收，接收机分析采集到数据，进行记录、保存、显示。风速风向仪用于测量瞬时风速风向和平均风速风向，具有显示、自动、实时时钟、超限报警和数据通讯等功能。风速风向仪由风速传感器和风向传感器、气象数据采集仪、计算机气象软件三部分组成。风速传感器的风杯采用碳纤维材料，强度高，起动好，符合国家气象计量标准；气象数据采集仪采集并记录风速风向测量数据，采用汉字液晶数据显示，人机界面友好，具有设定参数掉电保护和风速风向历史数据掉电保护功能，可靠性高。气象数据采集仪与计算机之间的通讯方式有有线和GPRS无线通讯2种方式，采用GPRS无线通讯方式可选用GPRS无线数据通讯终端。该风速风向仪具有技术先进，测量精度高，数据容量大，遥测距离远，人机界面友好，可靠性高的优点，广泛用于气象、海洋、环境、机场、港口、工农业及交通等领域。1、热式风速该方式是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化，由此测试风速。不能得出风向的信息。除携带容易方便外，成本性能比高，作为风速计的标准产品广泛地被采用。热式风速计的素子有使用白金线、电热偶、半导体的，但我公司使用白金卷线。白金线的材质在物质上最稳定。因此，长期安定性、以及在温度补偿方面都具有优势。工作原理风向部分风向部分由保护风向度盘的回弹顶杆所支撑。整体结构由风向标，风向轴及风向度盘等组成，装在风向度盘上的磁棒与风向度盘组成磁罗盘用来确定风向方位。当下拉锁定旋钮并向右旋转定位时，回弹顶杆将风向度盘放下，使锥形宝石轴承与轴尖相接触，此时风向度盘将自动定北。风向示值由风向指针在风向度盘上的稳定位置来确定。当左旋转锁定旋钮并使其向上回弹复位时，回弹顶杆将风向度盘顶起并定位在仪器上部，并使锥形宝石轴承与轴尖相分离，以保护风向度盘及轴承与轴尖不受损坏。（注：当仪器使用完毕后必须及时回复此状态）风速部分风速的传感器采用的是传统的二杯旋转架结构。它将风速变成旋转架的转速。为了减小启动风速，采用特殊材料的轻质风杯和宝石轴承支撑。通过固定在旋转架上的装置经传感器检测后将信号传送到主机内进行测算。风速计内的单片机对风传感器的输出信号进行采样，校正，计算，最后由仪器输出瞬时风速/一分钟平均风速/瞬时风级/一分钟平均风级/平均风级对应的浪高5个参数。测得的参数在仪器的液晶显示器上采用数字直接显示出来。为了减少仪器的功耗，仪器中的传感器和单片机都采取了一系列降低功耗的专门措施。为了保证数据的可靠，当电源电压太低时，显示器下部电池标记显示缺电，提示用户电源电压太低数据已不可靠，需要及时更换电池。2、超声波风速风向仪超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。用户可根据需要选择风速单位、输出频率及输出格式。也可根据需要选择加热装置（在冰冷环境下推荐使用）或模拟输出。可以与电脑、数据采集器或其它具有RS485或模拟输出相符合的采集设备连用。如果需要，也可以多台组成一个网络进行使用。传输方式：有线方式，GPRS无线数传输四、 降水量观测仪器翻斗式雨量传感器是一种水文、气象仪器，用以测量自然界降雨量，同时将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要。可用于气象台（站）、水文站、农林、国防、野外测报站等有关部门，配合我公司自主研发生产的雨量记录仪来测量降水量、降水强度、降水时间等。可为防洪、供水调度、电站水库水情管理提供原始数据。工作原理：承水口收集的雨水，经过上筒（漏斗），注入计量翻斗一一翻斗是用工程塑料注射成型的用中间隔板分成两个等容积的三角斗室。它是一个机械双稳态结构，当一个斗室接水时，另一个斗室处于等待状态。当所接雨水容积达到预定值0.4mm时，由于重力作用使自己翻倒，处于等待状态，另一个斗室处于接水工作状态。当其接水量达到预定值时，又自己翻倒，处于等待状态。在翻斗侧壁上装有磁钢，它随翻斗翻动时从干式舌簧管旁扫描，使干式舌簧管通断。即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便接通一次送出一个开关信号（脉冲信号）传输方式：有线方式，GPRS无线数传输五、 能见度仪1、 能见度观测仪器的分类目前，世界上普遍应用的能见度观测仪主要有透射式和散射式两种.透射仪因需要基线，占地范围大，不适用于海岸台站、灯塔自动气象站及船舶上.但其具有自检能力，低能见度下性能好等优点而适用于民航系统；散射仪以其体积小和低廉的价格而广泛应用于码头、航空、高速公路等系统。2、 能见度观测仪的工作原理2.1透射仪透射仪是一种通过测量大气透明度来计算能见度的仪器2.2散射仪透射仪测量的是衰减系数，而散射仪则直接测量来自一个小的采样容积的散射光强.通过散射光强来有效地计算消光系数是建立在以下3个假设的基础上的：①假定大气是均质的，即大气是均匀分布的;②假定大气消光系数R等于大气中雾、霾、雪和雨的散射，图1FD12P结构图，即假定分子的吸收、散射或分子内部交互光学效应为零③假定散射仪测量的散射光强正比于散射系数.在一般情况下，选择适当的角度，散射信号近似正比于散射系数。根据散射角度的不同，散射仪又可分为3种：前向散射仪、后向散射仪和总散射仪.下面重点讨论前向散射仪。前向散射仪以其体积小、性能价格比高而得到广泛应用目前普遍应用的前向散射仪可分为单光路和双光路两种.（2）双光路前向散射仪美国Qualimitrics公司生产了一种采用双光路测量系统测量能见度的仪器VS8364,它的最显著特点是采用独特的双光路对称设计对采样中的大气消光系数进行测量，这样可以避免传统的传感器由于使用环境的影响而降低性能的问题VS8364也是以支架为结构基础,其系统包括：支架、两红外发射组件、两硅光电探测组件及控制器4个部分（图略）.目前，国内的机场、码头、气象等部门都已引进FD12P,运行情况比较稳定，中远距离的能见度观测精度较高.这种前向散射测量体制，发挥了散射型传感器体积小的优点，又克服了光学污染和光源老化