[科普中国]-气象仪器

简介

气象仪器，是用于气象预报、气象监测等气象服务领域的专业设备。可以分类为地面气象观测仪器、高空气象探测仪器两大类。1主要有自动气象站、自动雨量站、风速风向仪、风向袋、百叶箱、温湿度记录仪、传感器、风向标、风速报警仪、风能测风仪、气象中心软件、GPRS无线传输模块等。

地面气象观测仪器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。

有关气温观测仪器之史料如下：

1592年：荷兰人C. Drebbel von Alkmar与意大利人Galileo Galilei同时发明空气温度计。

1620年：荷兰人C. Drebbel von Alkmar 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Anders Celsius 制订摄氏温标。

1794年：英国人Daniel Rutherford 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。

气温观测仪器的简介

(1)双管温度计

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。

(2)黑(白)球温度计

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。

(3)海水温度计

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 ℃，测定范围 -15℃ ～ +45℃。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。

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。

有关湿度观测仪器之史料如下：

公元15世纪：德国人Nicolaus de Cusa 发明湿度计。

1650年：Tuscana国大侯Ferdinand II 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Henri Victor Regnault 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。

湿度观测仪器之简介如下：

(1)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，下端连接槓杆和指针，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。

(2)氯化锂露点仪

此仪系用镍照做成的测温电阻体，封入不銹钢制之保护管内，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 25℃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。

气压观测仪器气压乃静止时大气之压力。

在地面上，气压即单位面积气柱之垂直重量，亦即单位面积所受力之大小（P=f/A）。气压之量测始于公元1643年，当时意大利人Evangeliste Torricelli氏深信空气有重量而量测之，因此发明水银气压计。

有关气压观测仪器之史料如下：

1643年：意大利人Evangeliste Torricelli 氏发明水银气压计。

1648年：法国人Pascal 氏观测气压与高度变化。

1810年：法国人Fortin 氏发明福丁式水银气压计。

法国巴黎Richard公司制成自记式。

1847年：意大利人Vidie 氏发明空盒气压计。

1877年：德国人A. Sprung氏发明史普龙式自记水银气压计。

气压仪器经多年之研究与改进，而有水银式气压计（Mercurial Barometer）、空盒或弹力式气压计（Aneroid or Elastic Barometer）、电阻式气压计（Resistance Barometer）、电容式气压计Capacitor's Barometer）及微压计（Micro Barograph）等。

气压观测仪器之简介如下：

(1)电阻式气压仪(Aneroid Resistance Barograph)

使用时间：民国六十至七十年代

用途：遥测大气压力用

构造及原理：

遥测电阻式气压仪之构造与空盒气压计相似，均以空盒受大气压力而产生物理量变化，唯将指针或记录笔尖改为可变电阻器之刷棒，在一可变电阻器之间，随气压变化而滑动，而使通过之电流或电压发生变化，再以变换器使其输出信号改变为气压数值，以数字显示或以类比信号记录。

(2)电容式气压仪(Capacitor Barometer)

使用时间：民国六十年代迄今

用途：遥测大气压力用

构造及原理：

其原理与圆筒振动式气压仪之类似，系利用大气压力挤压电容器而使其电流或电压改变的方法，而测得气压变化。此仪亦由感应器、变换器及显示或记录器构成。

(3)唧筒式水银气压计(Piston Mercury Barometer)

使用时间：自民国七十年代迄今

用途：校正大气压力量测仪器

构造及原理：

其构造及原理与福丁式水银气压计相同，即不同者在水银槽之构造，唧筒式气压计之水银槽上下端均以不锈钢封闭，水银槽顶端开一管口，连接橡皮管到压力槽，其压力随压力槽之变化而变化。

(4)山岳用福丁式水银气压计(Mountain Mercury Barometer)

使用时间：自设站迄今仍使用

用途：测量高山地区大气压力

构造及原理：

其构造及原理与一般平地用福丁式气压计相同，但其安装方式可用三脚架支撑。

(5)虹吸式水银气压计(Siphon Mercury Barometer)

使用时间：民国四十年至五十年代

用途：气压仪检定用

构造及原理：

用一端封闭，管径同样大小之玻璃管，由开口部抽取管内空气至真空后，填入水银而成。测定时除其开口部打开，大气压力由开口部挤压，使另一端水银柱上升，其上升高度随大气压力大小而异，读取上下二端水银柱顶之高度差，即得气压。开口部亦可连接于检定压力槽，作为槽内压力之标准，以检定其他气压测器。

(6)圆筒振动式气压仪(Thin-walled Resonator Barometer)

使用时间：民国七十年代迄今

用途：遥测大气压力用

构造及原理：

圆筒振动式气压仪系由先端密闭薄膜圆筒之共振频率数之压力变化，以测空气压之仪器，其构造系由感应器、变换器，计算器及显示器等构成。感应器之构造为将薄膜圆筒共振器之外侧抽成真空，内侧则加压力，因此圆筒之共振频率即发生变化，测出其共振频率即可求得气压值。圆筒共振器之一端附有四片转换器，二片为驱动用，另二片则为侦测用，以侦测共振频率，并以此二组共振频率控制温度变化所造成之误差。

(7)史普龙式水银气压仪(Sprung 's Mercury Barometer)

使用时间：自设站起至民国六十年代

用途：自动记录大气压力

构造及原理：

此仪由Moreland氏在1670年发明，德国人A. Sprung氏加以改良。此种仪器之测压原理为气压计水银管下端插入水银槽之水银中，但并不固定，水银管之上端密闭真空，上有一吊环，悬挂在天秤一端之挂钩上，使之自然垂下，保持垂直。气压经水银槽中之水银以支持水银管中水银柱之高度另方面水银管顶之平面上也从外面接受气压之作用，但没有从管内而来之作用压力，因此水银管顶受气压压下之力以天秤他端之重量使之平衡，所以天秤随大气压力大小而移动，即可测得气压之变化。

风向风速观测仪器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。

降水观测仪器1、指示灯：正常指示灯：当液晶屏关及其它指示灯都不工作时，该指示灯闪。

翻斗指示灯：翻斗动作一下，该指示灯亮一下。

电池指示灯：当电池电压低于3.0V，该指示灯闪

2、液晶显示，按键切换液晶显示。显示内容有：日期时间、2小时雨量、今日雨量、昨日雨量、年累积雨量。

3、数据通讯，RS-232接口与计算机相连，通过自动雨量站监测软件可读出历史雨量信息及存储器时间、雨量存储器型号（即分辨力）、日分界、电池电压、波特率、本分钟雨量、当前两小时雨量、今日雨量、昨日雨量、年累积雨量等信息。

4、数据存储，雨量存储器内部有125KB的存储空间用于存储雨量信息，并且系统采用循环存储，当存储空间存满时，覆盖最早的数据，重复存储。例：某测量点年降雨量为3000mm，使用0.5mm型翻斗雨量计及数据采集器可存储最近十年的历史雨量信息。

土壤温度土壤温度系指地表土壤各深度之温度，主要系供农业气象使用。一般分为地表、5、10、20、30、50、100、200、300、500公分等各层深度。在30公分以上之深度，大致都用曲管地温计，50公分以下深度者，则用铁管地温计量测。

日照、日射观测仪器日照系指某地实际所受日光照射之时间，是为该地之日照时数。日射则指太阳辐射能中，近紫外线至近红外线（ 300 - 4000 nm）间所有直射、散射及反射等光波之总称。日照、日射观测仪器的历史

有关日照、日射观测仪器之史料如下：1837年：法国人Pouillet设计日射计并定义「太阳常数」。

1838年：英国人Jordan 设计约旦日照计。

1854年：德国人J.F. Campbell 发明康培日照计。

1897年：英国人 G.G. Stokes 改良康培日照计之缺失而成现今使用之康培司托克日照计。

1903年：美国人Abbot发明绝对日射计。

1909年：美国人Abbot发明银盘日射计。

日照计尚有马文及佛斯德日照计，但使用较不普遍。近年来为求资料更准确，新开发的频率式日照计，甚为准确。唯部分国家之气象单位在最近将来将以直达日射计来观测日数照时，以符合世界气象组织之定义。

自记温湿度仪自记温湿度仪（Thermo-hygrograph）

使用时间：民国六十年代迄今

用途：连续量测气温及湿度

构造及原理：

以双金片为气温量测之感应部，以脱脂毛发为湿度量测之感应部。气温升降时，双金片随之变形，其变量以传动部机械放大，记录于自记时钟之上层记录纸上。湿度变化时，毛发亦随之伸缩，其伸缩量亦以传动部机械放大，同样记录在下层记录纸上。虽然很早就在市面贩售，但因单机之记录纸放大倍率较大，容易读数，所以至本局自动气象测报系统启用后，才被作为备品使用。

百叶箱1、几何尺寸、形状和原木质大号百叶箱相近。

2、材料选用导热系数低、热容量小、防腐、抗裂、反辐射力强的玻璃钢制造，玻璃钢百叶箱在阴雨、酸 雨、潮湿环境下不腐烂，在干旱烈日下不开裂、寿命长。

3、结构上采用了倒“v”型整体框架层叠式固紧结构，坚固不会松动，既能保证箱内外气体的正常交换， 又能有效的防雨雪吹入箱内。上盖板改为倒“漏斗式”通风盖，在晴朗无风和外界环境急剧变化的情况下，箱体内外的气体能迅速交换，内外环境很快趋于一致，克服了木质百叶箱滞后的缺点，使观测资料更准确、更有代表性。

4、木质百叶箱因各地木质差异大，造成性能和资料的代表性不一致，LQX-BB型玻璃钢百叶箱可以克服因材料造成的误差。

5、造型美观大方，表面雪白光洁，无须刷漆护理，使用寿命在十五年以上。性能价格比高，经济实惠。

6、支架采用玻璃钢材料制作，牢固、轻便、美观。

蒸发皿蒸发皿（Evaporation pan）

用途：量测蒸发量

说 明：

自土壤表面或自由水面因蒸发而失去之水量，称为蒸发量，之以水深亳米（mm）为单位。蒸发量之观测设备很多，所得结果不尽相同，120公分口径之蒸发皿，为配合雨量杯之规格量测，仍继续使误差亦难评估。因此世界气象组织乃规定使用用20公分者，目前二者均使用，以作比较。20公分口径蒸发皿多为铜或不锈钢材料作成，直径20公分，深约10公分，开口处尖锐如刃，形同雨量器。器外套一向外弯曲同材质之栅网，以防鸟类窃饮器内之水。观测时先以雨量量杯量入定量软水，至一定时间（通常为一天），将水倒入量杯量之，二者差额即为蒸发量。

干湿计干湿计（Psychrometer）

用途：量测大气中之湿度

构造及原理：

使用 2 支温度计，其中一支感温球部包上白色脱脂之纱布，系一棉线至水盂中，水盂盛入蒸馏水，使水盂之蒸馏水经棉线至纱布处，浸湿感温球部，是为湿球。大气中湿度大时，球部之湿气与大气之湿气平衡，温度保持恒定，若大气湿度降低时，湿球之水气蒸散而吸热，使温度下降。另一支温度计则未浸湿，是为乾球。因此以二者之温度差，可用 Ferrel 氏之研究公式求得当时之湿度。

银盘日射计（Silver-disk pyrheliometer ）

使用时间：民国三十年代至五十年代

用途：量测太阳光线垂直面所受之直达日射量

构造及原理：

木制圆筒底部有一表面漆黑之银制圆板，是为银盘。侧面有一曲管温度计，其感应部安置在银盘下方，圆筒内及银盘上面有数个光圈板，以约制进入筒内之阳光，同时避免风吹入筒内，并防止筒内产生对流。圆筒上面有白色圆板一枚，黑色圆板二枚活动快门。此圆筒架设在赤道仪式之架上，安装于四季不受障碍物影响之空旷之水泥台上，赤道仪与子午线面平行，温度计调在北边读数，圆筒开口则对准太阳。观测时从圆筒盖及活动快门盖住时开始，每经一定时间开关活动快门，并分别读取银盘之温度，而日射量即由日射引起之银盘升温及仪器常数求得。

全天日射计全天日射计（Pyranometer）

用途：量测全天日射量用

构造及原理：

日射感应部在半球形玻璃罩下面，外部以圆形铸铁槽盛装，感应器系以锰（ Mangaan）及康铜（ Constantan）作成之多数热电对连接而成，上面涂上黑色，半球形玻璃罩边以白色盖子罩住，以防辐射热影响测值。感应部受到太阳照射时，随温度差而产生热起电力，再以电位差计测之，即可求得全天日射量。全天日射计安装时，应选四周空旷场所为宜。

太阳电池式日照计（Solar-cell sunshine recorder）

使用时间：民国七十年代迄今（逐步汰换中）

用途：量测日照时数用

构造及原理：

太阳电池式日照计，其感应部以三个太阳电池构成，分别装置于三角柱之二侧及顶端，二侧之太阳电池各自对准东西向，以接受太阳直射光，顶端之太阳电池则接受漫射光。为保护太阳电池乾燥及性能，外面套紧硬质玻璃罩，罩内填入惰性气体，使玻璃内侧不致产生雾翳，影响测值，下端装置于角度调整臂上，可随各地方之纬度调整其仰角。安装时，应注意三角柱过顶点垂直底边之直线，必须与子午线面平行。太阳电池在210W.m*-2时，会产生20mV之直流电压，因此量测20mV以上直流电压之持续时间，即可求得日照时数。

最低温度计最低温度计（Minimum thermometer）

使用时间：自设站迄今

用途：量测最低温度用

构造及原理：

最低温度计以酒精为感温液，形如一般温度计。唯管顶上有一膨胀室，储存微量空气，藉其所生之压力，以减低酒精之蒸发。管孔切面为圆形，管径较一般水银温度计为大，管内有一指标，可上下滑动，指标用黑色或青色玻璃制成，两端成球状，中间之轴甚小，以减少摩擦。酒精柱之顶端因酒精之表面张力及附著力之作用，成一新月形凹面。温度上升时，酒精膨胀绕指标而上升，指标停留不动；温度下降时，酒精柱冷缩，其凹面接触指标右端后，将其向左拖曳而行，故酒精柱顶端所示者为当时之气温，指标右端所示者为此一段时间内出现之最低气温。最低温度计球部有些作成叉形，其用意在于增大对空气之接触面积。

高空气象探测仪探空仪探空仪（Rawinsonde）

用途：探测大气中各高度之重力位（压力）、温度、湿度、风向、风速等要素。

构造及原理：

探空仪分为发射机及接收机二大部分。发射机内有压力、温度、湿度 ( 即P.T.U ）等感应部，亦有探测臭氧层之专用探空仪，内加装臭氧感应器。发射机携在填充氢气之汽球上，以每分钟 350公尺之速度上升，测得各高度之压力、温度、湿度资料，依序发出信号，由接收机接收，而风向及风速之量测则由汽球之移动水平角及仰角，加以计算，移动方向即为风向，移动速度即为风速。接收机接受之信号，储存在 PC 电脑中，并加以整理，可自动绘制斜温图，印出特性层及日报表，自动编制气象电码，直接传送到气象预报中心使用。本局现有板桥、花莲、永康、东沙岛及南沙岛等探空站，（永康不定期观测，东沙及南沙委托海军观测），除南沙岛外，各站均使用同型之接收系统，第一套系统在民国七十三年启用，为当时最新之全自动探空系统。

天气雷达天气雷达是专门用于大气探测的雷达。属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一。常规雷达装置大体上由定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等部分组成。

应用气象观测是大气环境监测的重要内容,它为大气污染趋势分析与大气环境评估、提出控制污染方案、研究大气污染规律和开展大气物理科学研究提供了科学的依据.而气象观测必须依赖于气象仪器.由此可知,气象仪器在大气环境监测中的重要作用。2