氣象歷史及技術(shù)

一、大氣溫度1、 氣溫觀測儀器氣溫系以溫度計量測之，指在距地面1.25-2.00公尺間流動，而不受太陽直達輻射影響之空氣溫度而言。氣溫觀測儀器的歷史有關(guān)氣溫觀測儀器之史料如下：1592年：荷蘭人C.DrebbelvonAlkmar與意大利人GalileoGalilei同時發(fā)明空氣溫度計。1620年：荷蘭人C.DrebbelvonAlkmar發(fā)明酒精溫度計。1643年：德國人Kircher發(fā)明水銀溫度計。1665年：荷蘭人Huygens作溫度計溫標，訂水之冰點及沸點。1714年：德國人G.D.Fahrenheit制作水銀溫度計，訂華氏溫標。1730年：法國人Reaumur制訂列氏溫標。1742年：瑞典人AndersCelsius制訂攝氏溫標。1794年：英國人DanielRutherford發(fā)明最高最低溫度計。1887年：德國人R.Assmann發(fā)明通風乾濕計。第二次世界大戰(zhàn)以后，氣象儀器發(fā)展神速，法國巴黎Richard公司依照Bourdon氏發(fā)明之巴塘管原理而制作自記溫度計，近年因儀器自動化而使用白金電阻溫度計，在特殊用途上，尚有光學(xué)溫度計之發(fā)明。2、 氣溫觀測儀器氣溫觀測儀器之簡介如下：雙管溫度計(SheathedThermometer)使用時間：自設(shè)站迄今用途：測量氣溫構(gòu)造及原理：原理與單管溫度計相同，構(gòu)造則略有差異，即利用毛細管連接于圓形感應(yīng)部，毛細管再固定于刻度板上。感應(yīng)部連接外套管，外套管內(nèi)填入乾燥空氣，使不致因冷熱而使水汽凝結(jié)于管壁，影響讀數(shù)，外套管上端再與以封閉。雙管溫度計之好處在于刻度板因不與外界潮濕空氣接觸，所以刻度不致模糊，而內(nèi)部之乾燥空氣亦可隔絕輻射熱之影響。黑(白)球溫度計(GlobeThermometer)使用時間：用途：自設(shè)站至民國四十年代構(gòu)造及原理：用玻璃制溫度計，將感溫球部涂成黑(白)色封入玻璃制之套管內(nèi)，玻璃套管球部作成球形，直徑約5.8公分，刻度部分作成圓筒形，內(nèi)徑較溫度計約大一倍，溫度計插入后，用銅片在靠近球部及頂端各作一處支撐，然后除外管內(nèi)側(cè)抽成真空后封閉，測量輻射時與白球溫度計同時使用，利用二者之差求得輻射量。海水溫度計(MarineThermometer)使用時間：自設(shè)站至民國三十年代用途：測量海水溫度用構(gòu)造及原理：溫度計以水銀作為感溫液，最小刻度為0.2°C，測定范圍-15°C?+45°C。溫度計刻度部分以不銹鋼套固定，感應(yīng)部則插入以皮革制成之蓄水桶內(nèi)，不銹鋼套上端有一鉤環(huán)，可以系上鐵鏈或繩索。使用時，將鐵鏈及溫度計放入所需測量深度之海水中，俟皮革內(nèi)之海水與其環(huán)境之海水溫度均勻時，拉起溫度表，即可讀出該層海水之溫度。二、大氣濕度1、 濕度觀測儀器濕度系大氣中水份含量多少之表示。依照世界氣象組織技術(shù)規(guī)范有六種表示方法，即水汽混合比、比濕、水汽壓、絕對濕度、相對濕度及露點等。濕度觀測儀器的歷史有關(guān)濕度觀測儀器之史料如下：公元15世紀：德國人NicolausdeCusa發(fā)明濕度計。1650年：Tuscana國大侯FerdinandII發(fā)明凝結(jié)濕度計。1769年：德國人Lambert制作濕度計。1783年：瑞士人H.B.Saussure發(fā)明毛發(fā)濕度計。1799年：法國人Leslie首先用乾濕球之示差溫度計(DifferentialThermometer)量測濕度。1815年：法國人Gay-Lussac求得乾濕計量測濕度之公式。1819年：法國人HenriVictorRegnault制造凝結(jié)濕度計。1854年：法國人H.V.Regnault制成露點計。1887年：德國人R.Assmann發(fā)明通風乾濕計。1938年：美國人Dumore開始研究電動濕度計。濕度觀測儀器發(fā)展至今，約可歸納為乾濕計測定法、毛發(fā)測定法、電阻測定法及露點或霜點測定法等儀器。2、 濕度觀測儀器濕度觀測儀器之簡介如下：毛發(fā)濕度計使用時間：自設(shè)站迄今用途：測量大氣中濕度用構(gòu)造及原理：以一束脫脂處理后之毛發(fā)，上端固定在金屬架上，下端連接桓桿和指針，桿上有可伸縮之小銅錘，使毛發(fā)伸直，頂端有一小螺絲，為調(diào)整指針之位置用，為使指針軸減少擺動，可裝置游絲一個予以控制。毛發(fā)有很多細孔，當大氣中濕度增加時，細孔吸濕而伸長，濕度減小時，細孔放出水汽而收縮，其變量帶動指針，即可知濕度。有些毛發(fā)濕度計刻度板有三排，上排為濕數(shù)，下排為相對濕度，將氣溫減去濕數(shù)即為露點溫度。溫度計亦有二種刻度，右方刻度為左面溫度相當之最大水汽張力，最大水汽張力乘以相對濕度即得絕對濕度。氯化鋰露點儀此儀系用鎳照做成的測溫電阻體，封入不鱗鋼制之保護管內(nèi)，保護管外側(cè)包上鐵弗龍絕緣片，表面再用玻璃纖維膠帶纏繞起來。其中以2條傳導(dǎo)線成螺旋型卷繞，使用時以3.8%之氯化鋰液涂于導(dǎo)線上，導(dǎo)線上通以25VAC電壓，氯化鋰液與外界環(huán)境濕度平衡時，白金電阻測溫體測鎳之溫度是為露點溫度。在濕度實驗室中時，通風速控制在1±0.4m/s，比實際正常作業(yè)略小，溫度控制在25r范圍，量測結(jié)果如圖六所示。原理與單管溫度計相同，構(gòu)造則略有差異，即利用毛細管連接于圓型感應(yīng)部，毛細管再固定于刻度板上。感應(yīng)部連接外套管，外套管內(nèi)填入乾燥空氣，使不致因冷熱而使水汽凝結(jié)于管壁，影響讀數(shù)，外套管上端再與以封閉。雙管溫度計之好處在于刻度板因不與外界潮濕空氣接觸，所以刻度不致模糊，而內(nèi)部之乾燥空氣亦可隔絕輻射熱之影響。三、風向風速在古代，人們就知道利用風能開放出來風車、帆船等，風能作為清潔無污染，可持續(xù)發(fā)展的能源一直是開放利用的重點，現(xiàn)在很多地方都有風力發(fā)電站，要想更好的利用風能，我們得測量出風速和風向，我們可以利用風速風向傳感器來測量風速和風向，有一種風速風向傳感器的基于流量傳［1］感器制成的。首先，通過流量傳感器降風速大小轉(zhuǎn)換為電壓信號，其值與來流風速的大小成一種函數(shù)關(guān)系，再由A/D轉(zhuǎn)換芯片和運算放大器將這兩個模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機為主控單元的發(fā)射機讀入并進行處理，然后，單片機把處理完的數(shù)據(jù)包通過無線模塊發(fā)送給接受機，接收機以無線模塊進行接收，接收機分析采集到數(shù)據(jù)，進行記錄、保存、顯示。風速風向儀用于測量瞬時風速風向和平均風速風向，具有顯示、自動、實時時鐘、超限報警和數(shù)據(jù)通訊等功能。風速風向儀由風速傳感器和風向傳感器、氣象數(shù)據(jù)采集儀、計算機氣象軟件三部分組成。風速傳感器的風杯采用碳纖維材料，強度高，起動好，符合國家氣象計量標準；氣象數(shù)據(jù)采集儀采集并記錄風速風向測量數(shù)據(jù)，采用漢字液晶數(shù)據(jù)顯示，人機界面友好，具有設(shè)定參數(shù)掉電保護和風速風向歷史數(shù)據(jù)掉電保護功能，可靠性高。氣象數(shù)據(jù)采集儀與計算機之間的通訊方式有有線和GPRS無線通訊2種方式，采用GPRS無線通訊方式可選用GPRS無線數(shù)據(jù)通訊終端。該風速風向儀具有技術(shù)先進，測量精度高，數(shù)據(jù)容量大，遙測距離遠，人機界面友好，可靠性高的優(yōu)點，廣泛用于氣象、海洋、環(huán)境、機場、港口、工農(nóng)業(yè)及交通等領(lǐng)域。1、熱式風速該方式是測試處于通電狀態(tài)下傳感器因風而冷卻時產(chǎn)生的電阻變化，由此測試風速。不能得出風向的信息。除攜帶容易方便外，成本性能比高，作為風速計的標準產(chǎn)品廣泛地被采用。熱式風速計的素子有使用白金線、電熱偶、半導(dǎo)體的，但我公司使用白金卷線。白金線的材質(zhì)在物質(zhì)上最穩(wěn)定。因此，長期安定性、以及在溫度補償方面都具有優(yōu)勢。工作原理風向部分風向部分由保護風向度盤的回彈頂桿所支撐。整體結(jié)構(gòu)由風向標，風向軸及風向度盤等組成，裝在風向度盤上的磁棒與風向度盤組成磁羅盤用來確定風向方位。當下拉鎖定旋鈕并向右旋轉(zhuǎn)定位時，回彈頂桿將風向度盤放下，使錐形寶石軸承與軸尖相接觸，此時風向度盤將自動定北。風向示值由風向指針在風向度盤上的穩(wěn)定位置來確定。當左旋轉(zhuǎn)鎖定旋鈕并使其向上回彈復(fù)位時，回彈頂桿將風向度盤頂起并定位在儀器上部，并使錐形寶石軸承與軸尖相分離，以保護風向度盤及軸承與軸尖不受損壞。（注：當儀器使用完畢后必須及時回復(fù)此狀態(tài)）風速部分風速的傳感器采用的是傳統(tǒng)的二杯旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)。它將風速變成旋轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速。為了減小啟動風速，采用特殊材料的輕質(zhì)風杯和寶石軸承支撐。通過固定在旋轉(zhuǎn)架上的裝置經(jīng)傳感器檢測后將信號傳送到主機內(nèi)進行測算。風速計內(nèi)的單片機對風傳感器的輸出信號進行采樣，校正，計算，最后由儀器輸出瞬時風速/一分鐘平均風速/瞬時風級/一分鐘平均風級/平均風級對應(yīng)的浪高5個參數(shù)。測得的參數(shù)在儀器的液晶顯示器上采用數(shù)字直接顯示出來。為了減少儀器的功耗，儀器中的傳感器和單片機都采取了一系列降低功耗的專門措施。為了保證數(shù)據(jù)的可靠，當電源電壓太低時，顯示器下部電池標記顯示缺電，提示用戶電源電壓太低數(shù)據(jù)已不可靠，需要及時更換電池。2、超聲波風速風向儀超聲波風速風向儀的工作原理是利用超聲波時差法來實現(xiàn)風速的測量。聲音在空氣中的傳播速度，會和風向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風向相反，它的速度會變慢。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速函數(shù)對應(yīng)。通過計算即可得到精確的風速和風向。由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；風速儀檢測兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計。用戶可根據(jù)需要選擇風速單位、輸出頻率及輸出格式。也可根據(jù)需要選擇加熱裝置（在冰冷環(huán)境下推薦使用）或模擬輸出?？梢耘c電腦、數(shù)據(jù)采集器或其它具有RS485或模擬輸出相符合的采集設(shè)備連用。如果需要，也可以多臺組成一個網(wǎng)絡(luò)進行使用。傳輸方式：有線方式，GPRS無線數(shù)傳輸四、 降水量觀測儀器翻斗式雨量傳感器是一種水文、氣象儀器，用以測量自然界降雨量，同時將降雨量轉(zhuǎn)換為以開關(guān)量形式表示的數(shù)字信息量輸出，以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示等的需要?？捎糜跉庀笈_（站）、水文站、農(nóng)林、國防、野外測報站等有關(guān)部門，配合我公司自主研發(fā)生產(chǎn)的雨量記錄儀來測量降水量、降水強度、降水時間等?？蔀榉篮?、供水調(diào)度、電站水庫水情管理提供原始數(shù)據(jù)。工作原理：承水口收集的雨水，經(jīng)過上筒（漏斗），注入計量翻斗一一翻斗是用工程塑料注射成型的用中間隔板分成兩個等容積的三角斗室。它是一個機械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當一個斗室接水時，另一個斗室處于等待狀態(tài)。當所接雨水容積達到預(yù)定值0.4mm時，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態(tài)，另一個斗室處于接水工作狀態(tài)。當其接水量達到預(yù)定值時，又自己翻倒，處于等待狀態(tài)。在翻斗側(cè)壁上裝有磁鋼，它隨翻斗翻動時從干式舌簧管旁掃描，使干式舌簧管通斷。即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便接通一次送出一個開關(guān)信號（脈沖信號）傳輸方式：有線方式，GPRS無線數(shù)傳輸五、 能見度儀1、 能見度觀測儀器的分類目前，世界上普遍應(yīng)用的能見度觀測儀主要有透射式和散射式兩種.透射儀因需要基線，占地范圍大，不適用于海岸臺站、燈塔自動氣象站及船舶上.但其具有自檢能力，低能見度下性能好等優(yōu)點而適用于民航系統(tǒng)；散射儀以其體積小和低廉的價格而廣泛應(yīng)用于碼頭、航空、高速公路等系統(tǒng)。2、 能見度觀測儀的工作原理2.1透射儀透射儀是一種通過測量大氣透明度來計算能見度的儀器2.2散射儀透射儀測量的是衰減系數(shù)，而散射儀則直接測量來自一個小的采樣容積的散射光強.通過散射光強來有效地計算消光系數(shù)是建立在以下3個假設(shè)的基礎(chǔ)上的：①假定大氣是均質(zhì)的，即大氣是均勻分布的;②假定大氣消光系數(shù)R等于大氣中霧、霾、雪和雨的散射，圖1FD12P結(jié)構(gòu)圖，即假定分子的吸收、散射或分子內(nèi)部交互光學(xué)效應(yīng)為零③假定散射儀測量的散射光強正比于散射系數(shù).在一般情況下，選擇適當?shù)慕嵌?，散射信號近似正比于散射系?shù)。根據(jù)散射角度的不同，散射儀又可分為3種：前向散射儀、后向散射儀和總散射儀.下面重點討論前向散射儀。前向散射儀以其體積小、性能價格比高而得到廣泛應(yīng)用目前普遍應(yīng)用的前向散射儀可分為單光路和雙光路兩種.（2）雙光路前向散射儀美國Qualimitrics公司生產(chǎn)了一種采用雙光路測量系統(tǒng)測量能見度的儀器VS8364,它的最顯著特點是采用獨特的雙光路對稱設(shè)計對采樣中的大氣消光系數(shù)進行測量，這樣可以避免傳統(tǒng)的傳感器由于使用環(huán)境的影響而降低性能的問題VS8364也是以支架為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),其系統(tǒng)包括：支架、兩紅外發(fā)射組件、兩硅光電探測組件及控制器4個部分（圖略）.目前，國內(nèi)的機場、碼頭、氣象等部門都已引進FD12P,運行情況比較穩(wěn)定，中遠距離的能見度觀測精度較高.這種前向散射測量體制，發(fā)揮了散射型傳感器體積小的優(yōu)點，又克服了光學(xué)污染和光源老化