大气科学之气象观测==地面气象观测

　　观测场内仪器安装的原则可以用以下二十四个字表示：保持距离，互不影响；北高南低，东西成行；靠近小路，便于观测。各种仪器安置的高度见下表：



　　地面气象观测分为定时观测和不定时观测两类。定时观测是气象台站的基本观测，主要目的是为天气预报提供依据，积累资料，了解一个地方的气候变化规律，为经济建设服务。一般地说，一天内观测次数越多，越能反映一个地方气象要素的变化。但为了节约人力、物力，可以在一天中选择适当的有代表性的时间来进行。气象工作者经过统计发现，每天选择适当时间观测4次与观测24次（1次/每小时）的日平均值非常接近。因此国家气象局规定，“国家基本气象站”每天必须进行2点、8点、14点、20点这4个时次定时观测，昼夜要守班；“国家一般气象站”每天只进行8点、14点、20点3次观测，夜间不必守班。

　　建立地面气象观测是一项非常重要的工作，它是整个气象工作的基础，是气象台站掌握当地天气实况，索取气象资料的主要手段。在我国，从平原到山区，从沙漠到海岛，已经建立起了数千个气象台站，把全国这些气象台站的气象资料收集在一起，就可以了解中国范围内的天气、气候状况。

气温的测量A

气温是衡量空气冷热程度的物理量，表示空气分子运动的平均动能的大小。我们通常用摄氏温标（t）来表示，也有用华氏温标（F）表示的，理论研究工作中常用绝对温度（T）表示，其换算关系为：
　　　　　　　　t = 5*( F─32 ) /9　　　　　　　　t = T ─ 273.15

　　地面气温一般指距地面1.25—2.0米处的大气温度。测量时，为了防止太阳辐射对观测值的影响，测温仪器必须放在百叶箱或防辐射罩内，并且还要满足测量元件有良好的通风条件。

　　测量气温的仪器常用的有以下几种：

　　（1）玻璃温度计：
　　感应部分是一个充满液体的玻璃球或柱，与感应部分相连的示度部分是一端封闭、粗细均匀的玻璃毛细管，测温液体通常用水银、酒精或甲苯等。由于玻璃球内液体的热胀系数远大于玻璃，毛细管中的液柱会随温度变化而升降。常用的玻璃温度计有最高温度表，最低温度表和干湿球温度表。

a） 最高温度表：是专门用来测定一定时间间隔的最高温度的，它的构造是在球部底处置一根玻璃针，直伸到毛细管口，使毛细管口变狭。温度上升时，水银膨胀，压力增大，迫使水银挤过狭管上升。温度下降时，因无足够压力使水银挤过狭管回到球部，水银柱就在狭管处断裂，于是狭管以上这段水银柱的顶端，就保持在过去一段时间内温度表曾感受到的最高温度示度上，因而可测得最高温度。



b） 最低温度表：是专门用来测定一定时间间隔的最低温度的，它用酒精作测温液，在毛细管内放一枚游标，温度上升时，酒精膨胀可越过游标上升，而游标本身由于顶端对管壁有足够的摩擦力，能维持在原处不动。温度下降时，酒精柱收缩到与游标顶端相接触时，由于酒精液面的表面张力比游标对管壁的摩擦力要大，使游标不致突破酒精柱顶而借液面的表面张力带动游标下滑。也就是说，游标只能降低，不能升高。所以，游标离球部较远一端的示度，就是一定时间间隔内曾经出现过的最低温度。



c） 干湿球温度表：也就是普通的温度表，它的测温液体为水银，用普通的温度表可以测定任一时刻的气温变化。阿斯曼通风干湿球温度表是德国人R·阿斯曼1887年所创，两支棒状温度表放置在防辐射性能极好的通风管道内，机械或电动通风速度为2.5米/秒。仪器测量精度高，使用方便，常用作野外测量气温和湿度。

气温的测量B

（2） 金属温度计：
　　是能够自动记录气温连续变化的仪器。感应元件是双金属片，由膨胀系数相差较大的两片金属焊接成，将其一端固定，另一端随温度变化而发生位移，位移量与气温接近线性关系。自记系统由自记钟，自记笔组成，自记笔与放大杠杆相连并受感应元件操纵。

（3） 金属电阻温度表：
　　利用金属丝的电阻正比于温度变化的原理制成。常用的金属丝有铂丝、铜丝、铁丝等三种，阻值在几十到一百欧之间，其中铂丝稳定性最好，可用来作标准温度表。电阻温度表适用于遥测。

（4）热敏电阻温度表：
　　感应元件由几种金属氧化物混合烧结成的导体电阻，电阻值通常几十千欧，其电阻温度系数大，灵敏度高于金属电阻温度表，但稳定性稍差，广泛应用于高空遥测。

（5）温差电偶温度表：
　　利用温差电现象制成，将A和B两个物理和化学性质不同金属导体，连接成一个闭合回路，称为热电偶。测量时，将热电偶一个接点置于恒温条件（如冰水溶液中）称参考端，另一个接点放在欲测物体上称工作端，两个接点的温度不同，就会产生温差电动势，电动势正比于两接点的温度差。气象常用的铜-康铜热电偶温差电动势只有几十微伏，所以，为了提高测温灵敏度，常将几十对热电偶串接起来组成热电堆。热电偶温度表可用于遥测，在日射仪器和小气候观测中被广泛应用。

气压的测量1

气压是大气压强的简称，其数值等于单位面积上从地面直至大气顶的垂直气柱的重量。国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕，气象部门采用百帕作为气压单位。历史上也曾用毫巴（即千分之一巴）和毫米水银柱作为气压单位，其换算关系如下：
　　　　　1百帕=1毫巴=3/4毫米水银柱

气象站气压表高度处测到的大气压强，称为本站气压，属于地方气候资料之一。由于各测站海拔高度不同，本站气压不便于比较，为了绘制地面天气图，需要将本站气压换算到相当于海平面高度上的气压值，我们称之为海平面气压。

　　目前气象台站普遍使用的测量气压的仪器有水银气压表和空盒气压表两种。

（1） 动槽式水银气压表：

　　用一端封闭并抽成真空的玻璃管，倒插在水银槽中，当水银柱压强与大气压强相平衡时，用水银槽平面到水银柱顶的高度来测定大气压强。水银柱的高度必须以温度为0℃，重力加速度为9.80665平方米/秒的情况下所具有的高度为准。当测量气压时，温度和重力加速度与上述情况不符，则必须对由此引起的偏差加以订正，气象观测称为本站气压订正。水银气压表测量精度较高，性能稳定，常作为标准测压仪器。

气压的测量2

（2）空盒气压表：

　　用金属或非金属材料制成扁圆形的空盒。或串接成空盒组。盒内常留有少量气体。在大气压力作用下，空盒变形，其中心位移量可表示气压的变化。但因为气压引起的位移非常微小，无法直接用肉眼观察，常规的空盒气压表（计）采用机械杠杆放大数十倍后通过指针（或自记笔尖）在刻度上的位置读取气压值，借助自记钟连续记录气压随时间的变化。此外，也有将空盒的位移输出转换成电参量输出，例如空盒中心位移带动电容器的一个极片位移、或带动电感衔铁位移、或带动电阻器滑动触点位移，就可成为变电容方式、变电感方式和变电阻方式输出，以便实现对气压进行遥测。用空盒制作的测压仪器具有重量轻，便于携带和安装的优点，但由于金属膜片的弹性系数随温度变化，需采取温度补偿措施，空盒形变存在弹性滞后，以上两因素使空盒测压精度低于水银气压表。

（3）振动筒式压力传感器：

　　感应元件是用高导磁率、高弹性的金属制成薄壁圆筒。一端封闭，另一端固定在基座上。振动筒的外侧是用保护筒构成的真空腔；内侧与自由大气相通，并有两个线圈骨架，分别装上激振线圈和拾振线圈。观测时，接上电源后，激振线圈和振动筒相互作用下产生固有振动频率。此频率随气压的增大而升高，拾振线圈检测振动频率的变化，从而指示气压的变化。这种感应元件测压精度高，其输出是电参量（频率或周期），便于对气压实行遥测。

湿度的测量

湿度表示空气中水汽的含量或干湿程度，在气象观测中常用水汽压、相对湿度和露点温度三种物理量表示。

1） 水汽压（e）：是水汽在大气总压力中的分压力。它表示了空气中水汽的绝对含量的大小，以毫巴为单位。空气吸收水汽有一定限量，达到了限量就不再吸收，这个限量叫“饱和点”。空气中水汽达到饱和点时的水汽压，称为饱和水汽压（或称最大水汽张力）。饱和水汽压是温度的函数，随温度升高而增大。在同一温度下，纯冰面上的饱和水汽压要小于纯水面上的饱和水汽压。

2） 相对湿度（rh）：湿空气中实际水汽压e与同温度下饱和水汽压E的百分比，即
　　rh =（e/E）* 100%
相对湿度的大小能直接表示空气距离饱和的相对程度。空气完全干燥时，相对湿度为零。相对湿度越小，表示当时空气越干燥。当相对湿度接近于100%时，表示空气很潮湿，越接近于饱和。

3） 露点（或霜点）温度：指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。　

湿度的测量2

　　测定湿度的仪器常用的有干湿球温度表，毛发湿度表（计）和电阻式湿度片等。

a） 干湿球温度表：用一对并列装置的、形状完全相同的温度表，一支测气温，称干球温度表，另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，称湿球温度表。当空气未饱和时，湿球因表面蒸发需要消耗热量，从而使湿球温度下降。与此同时，湿球又从流经湿球的空气中不断取得热量补给。当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空气中获得的热量相平衡时，湿球温度就不再继续下降，从而出现一个干湿球温度差。干湿球温度差值的大小，主要与当时的空气湿度有关。空气湿度越小，湿球表面的水分蒸发越快，湿球温度降得越多，干湿球的温差就越大；反之，空气湿度越大，湿球表面的水分蒸发越慢，湿球温度降得越少，干湿球的温差就越小。当然，干湿球的温差的大小还与其他一些因素有关，如湿球附近的通风速度、气压、湿球大小、湿球润湿方式等有关。可以根据干湿球温度值，并将一些其它因素考虑在内，从理论上推算出当时的空气湿度来。干湿球温度表是当前测湿的主要仪器，但不适用于低温（-10℃以下）使用。

b） 发湿度表（计）：利用脱脂人发（或牛的肠衣）具有空气潮湿时伸长，干燥时缩短的特性，制成毛发湿度表或湿度自记仪器，它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温低于-10℃时使用。

c） 电阻式湿度片：利用吸湿膜片随湿度变化改变其电阻值的原理，常用的有碳膜湿敏电阻和氯化锂湿度片两种。前者用高分子聚合物和导电材料碳黑，加上粘合剂配成一定比例的胶状液体，涂覆到基片上组成的电阻片；后者是在基片上涂上一层氯化锂酒精溶液，当空气湿度变化时，氯化锂溶液浓度随之改变从而也改变了测湿膜片的电阻。这类元件测湿精度较干湿表低，主要用在无线电探空仪和遥测设备中。

d） 薄膜湿敏电容：是以高分子聚合物为介质的电容器，因吸收（或释放）水汽而改变电容值。它制作精巧，性能优良，常用在探空仪和遥测中。

e） 露点仪：能直接测出露点温度的仪器。使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。

地面风的测量

风是空气流动时产生的一种自然现象。空气流动有上下流动和左右流动，上下流动为垂直运动，也叫对流；左右流动为水平运动，也就是风。风是一个矢量，用风向和风速表示。地面风指离地平面10─12米高的风。风向指风吹来的方向，一般用16个方位或360°表示。以360°表示时，由北起按顺时针方向度量。风速指单位时间内空气的水平位移，常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。1805年英国人F·蒲福根据风对地面（或海面）物体的影响，提出风力等级表，几经修改后得下表。目测风时，根据风力等级表中各级风的特征，即可估计出相应的风速。

地面风的测量2

（1） 风向测量仪器：风向标是一种应用最广泛的测量风向仪器的主要部件，由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下，尾翼产生旋转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向。风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上，以触点式最为简单，风向标带动触点，接通代表风向的灯泡或记录笔电磁铁，作出风向的指示或记录，但它的分辨只能做到一个方位（22.5°）。精确的方法有自整角机和光电码盘。

（2） 风速测量仪器：a）风杯风速表是应用最广泛的一种风速表，由三个（或四个）半球形或抛物形空杯，都顺一面均匀分布在一水平支架上，支架与转轴相连。在风力作用下，风杯绕转轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。b）桨叶式风速表是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由三叶式四叶螺旋桨，装在形似飞机机身的流线形风向标前部，风向标使叶片旋转平面始络对准风的来向。c）热力式风速表是被电流加热的细金属丝或微型球体电阻，放置在气流中，其散热率与风速的平方根成线性关系。通常在使加热电流不变时，测出被加热物体的温度，就能推算出风速。热力式风速表感应速度快，时间常数只有百分之几秒，在小风速时灵敏度较高，宜应用于室内和野外的大气湍流实验，也是农业气象测量的重要工具。