气象观测仪器的前世今生

  观测数据是气象业务得以开展的基石。早在西汉时，屋顶常见的凤凰装饰品便是古人研制的风向仪，风来了吹动凤凰，人们就可根据凤凰转动的方向来测定风向；《史记》中还曾提到一种把土和炭分别挂在天平两侧，观测挂炭一端天平升降的仪器，天气若干燥炭就轻，天气若潮湿炭就重。可不要小觑古代这些简单的观测模型，正是这些气象观测雏形的建立，才有了现代化完美观测仪器的诞生。如今，人工观测逐步被自动观测所取代，常规气象要素实现自动化观测，观测数据实现分钟级采集，也更稳定、准确。下面就简要介绍一下常见气象仪器及其从人工观测时代到自动观测时代的演变：

  在西方人发明的温度计尚未传入中国的古代，中国人是如何测知温度高低的？从史料来看，中国人很早就确立了寒、冷、温、热的“温度”概念，先秦时期观察“瓶中之冰”来预测未来气温趋势等。《吕氏春秋》：“见瓶水之冰，而知天下之寒”。也即瓶子中装上水，如果水结冰了，气温即低于零下，进入寒冬了；如果冰融化，则气温回升。这种瓶子称“冰瓶”，也叫“水瓶”，可谓是中国最原始的一种温度计，被视为现代温度计的雏形。

  气温是在观测场中离地面1.5米高的百叶箱中的温度表（一般指的就是玻璃温度表）上测得的，百叶箱内左边是干球温度表，右边是湿球温度表，中间的是毛发湿度表，横向的两只温度表分别用来测量最高温度和最低温度。由于温度表在百叶箱中保持了良好的通风性并避免了阳光直接照射，因而具备比较好的代表性。

  随着自动气象站的应用，外观保持原样的百叶箱，里面的东西早已变了样，温度传感器代替了玻璃温度表。现在我们所用的铂电阻气温传感器采用PT-100铂电阻作为感应元件，其阻值随气温变化而变化，根据测出电阻值，经变换计算处理可变成温度示值。当温度传感器连接了采集器后，就能实时采集气温数据并传输至业务软件中。

  我们通常说的空气中水分含量是表示空气中水汽含量和潮湿程度的物理量，在地面观测中，专指相对湿度，用%RH表示。

  “悬羽与炭”，这是古人利用木炭吸收水分的原理、首先发明的测量空气中水分含量的一种方法。在《史记·天官书》中曾提到一种把土和炭分别挂在天平两侧，以观测挂炭一端天平升降的仪器。这实际上的意思就是原始的“湿度计”。原理是：天气干燥了，炭就轻，天平就倾向于土；天气潮湿了，炭就重，天平就倾向于炭。也就是古人说的“燥故炭轻，湿故炭重”。

  我国是最早发明测湿仪器的国家。东汉王充在《论衡·变动篇》中曾经谈到，琴弦变松，天就要下雨。琴弦变松，是天变潮湿、弦线伸长所造成的，表示空气中水分含量较大。可见，古代的弦琴也可当作原始的空气中水分含量测量仪器。现代毛发湿度计中的“毛发”，实际上的意思就是古代琴弦的微缩。

  干湿球温度表用来测量空气温度和湿度仪器。它由两只型号完全一样的温度表组成，垂直悬挂在百叶箱温度表支架两侧的环内，球部向下，东面的干球温度表用来测量气温，西面的湿球温度表球部包扎一条纱布，纱布的下部浸到一个带盖的水杯内，杯口距球部3cm，杯中盛蒸馏水（只允许用医用蒸馏水），供湿润湿球纱布用。湿度是根据热力学原理由干球温度表与湿球温度表的温度差值计算得出。但是干湿球温度表不能在低温（-10°C以下）环境下测湿，因此在极寒的天气中，测湿只能靠中间的毛发湿度表了。

  毛发湿度表是根据脱脂人发能随空气中水分含量大小而改变长度的特性，用人发制成的测定空气相对湿度的仪器。湿度计是自动记录相对湿度连续变化的仪器，它由感应部分（脱脂人发），传动机械（杠杆曲臂），自记部分（自记钟、纸、笔）组成。

  随着观测自动化的推进，湿度传感器代替了湿球温度表。当湿度传感器连接数据采集器后，就能实时采集湿度数据。温湿度传感器采用高分子薄膜电容作为湿敏电容。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生明显的变化，使其电容量也发生明显的变化，其电容变化量与相对湿度具有比例关系。

  降水是指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的水，降水观测包括降水量和降水强度的观测。降水量指某一时段内未经蒸发、渗透、流失而在水面上积累的深度，以毫米为单位。

  最早的测雨器记载见于南宋数学家秦九韶所著的《数书九章》（1247年）。该书第二章为“天时类”，收录了有关降水量计算的四个例子，分别是“天池测雨”“圆罂测雨”“峻积验雪”和“竹器验雪”。其中“天池测雨”所描述的“天池盆”已经和现代气象观测所使用的雨量筒非常接近了，而方法上则采取“平地得雨之数”来度量雨水，堪称世界上最早的雨量计算方式，为后来的雨量测定奠定了理论基础。

  与现代测雨工具最接近的当属“乾隆测雨台”了，它以黄铜制造，为圆筒型，筒高一尺五寸，圆径七寸，置于测台之上，用于量雨，测台正面书有“测雨台”三个大字，旁边则是“清乾隆庚寅五月造”的字样。

  人工观测时代，雨量器由雨量筒和与之配套的量杯组成雨量筒用来承接降水物，它包括承水器、储水瓶和外筒。我国采用直径为20厘米的正圆形承水器，为保持筒口的形状和面积，筒质必须坚硬。为防止雨水溅入，筒口呈内直外斜的刀刃形。量杯为一特制的有刻度的专用量杯，其口径和刻度与雨量筒口径成特殊的比例关系。量杯有100分度，每1分度定于雨量筒内水深0.1毫米。测量时,将雨量筒中的雨水倒在量杯中,根据杯上的刻度就可知道当天的降雨量了。

  自动观测让观测员再也用不着在寒冷的天气中打开箱体观测气温数据、维护被积雪覆盖的箱体，降低观测人员工作量的同时，也提高了设备的常规使用的寿命和数据的准确性。

  自动观测让观测员再也用不着在寒冷的天气中打开箱体观测气温数据、维护被积雪覆盖的箱体，降低观测人员工作量的同时，也提高了设备的常规使用的寿命和数据的准确性。

  自动观测时代，主要用的是翻斗式雨量传感器，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。以SL3-1型雨量传感器为例，该传感器主要由承水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗等组成。当有降雨出现时，雨水首先在承水口汇集后，再流入上翻斗。当雨水积累到一定量时上翻斗翻转，水进入汇集漏斗，汇集漏斗通过节流管将水注入计量翻斗，当计量翻斗承受的降水量为0.1毫米时它就把降水倾倒进计数翻斗，使计数翻斗翻转一次。这样，降水量每次达到0.1毫米时，采集器就自动记录0.1毫米的降水量。自动观测解决了人工观测降雨量时没办法避免蒸发造成读数误差大以及每日观测次数受限的问题，同时能任意时次叠加计算雨量。

  地面气象观测自动化改革的逐步推进，使我们的各类气象观测仪器大“变脸”，从人工观测到自动观测，观测员不用在寒冷的天气中打开百叶箱观测数据、维护被积雪覆盖的箱体，也不需要担心由于自身的观测习惯和误差而影响数据质量，只需确保各类观测仪器设施无故障、网络畅通、业务软件正常运行即可，大幅度的降低观测人员工作量的同时，也提升了地面气象观测质量和台站的综合业务能力，自动观测完成了气象要素数据的自动化采集、分析和传输，获取的气象数据信息也具有较强的可用性和准确性，为气象预报预警服务提供精细化、可靠的数据支撑。