從毛發濕度儀到“送上云端”

從毛發濕度儀到“送上云端”
——地面觀測儀升級換代記

　　毛發濕度表——人工觀測時代的寵兒

　　“我國的地面氣象觀測正在從人工器測觀測時代過渡到準自動化觀測時代，并且正在向全自動化觀測時代邁進。”中國氣象局氣象探測中心地面與高空觀測室副主任王柏林告訴記者。

　　在人工觀測時代，觀云測天的儀器相對簡單，主要包括毛發濕度表、虹吸式雨量計以及電接風向風速計等。

　　在木結構的儀器之中，一根固定長度的頭發被拉得筆直。“毛發濕度表是根據脫脂人發隨空氣濕度大小而改變長度的特性，用人發制成的測定空氣相對濕度的儀器。”王柏林說，人們發現頭發和空氣濕度有較好的對應關系，在不同的濕度條件之下，頭發的長度會發生細微的變化，如在即將下雨時，濕度接近飽和，頭發就會悄然伸長。不過毛發濕度表還是存在著10%左右的誤差。

　　人工測量風向風速的儀器叫做電接風向風速計，“駐扎”在十米風桿上。風杯和風向標會在自然風的作用之下發生偏轉，通過傳感器將信號傳送到指示器上，而自記紙會將兩類數據記錄下來。這種簡單的觀測儀器也會出現誤差。第一種誤差的來源是控制風速和風向標的軸承，如果安裝時間較長，軸承的禁錮程度就會較強，對于風的響應比較遲鈍，此外，記錄風向風速的表筆也可能出現跳筆，導致漏記。

　　由于測量儀器相對落后，無形中增加了觀測員的人工操作工作量。

　　當然，在人工觀測時代，專業人員的“一雙慧眼”對于觀云測天的意義不可小覷。此時，觀測員通過他們的“火眼金睛”關注著云、能（能見度）、天（天氣現象）的變幻，這也是那時觀云識天的主要依據。

圖為目前使用的能見度觀測儀。

　　濕敏電容——準自動化時代的杰作

　　目前，我國正處于從準自動化到全自動化觀測的過渡期，儀器自動觀測已成地面觀測主流。測量濕度的濕敏電容、測量溫度的鉑電阻等均是這一時期的代表作。

　　濕敏電容是用有機高分子膜作介質的一種小型電容器，當大氣中的水汽透過上電極進入介電層，介電層吸收水汽后，會導致電容器的電容量發生變化。電容量的變化正比于相對濕度。由于儀器更加精密，算法更科學，其誤差也從毛發濕度表時代的10%左右降低到了4%左右。

　　在準自動化時代，原本應當由觀測員負責的觀云測天工作也被儀器“搶占”。舉例而言，原本由觀測員完成的觀云識天已經由一種特殊的攝像鏡頭所取代。這一鏡頭一般被安裝在近地面位置上，直視天空，按照指令定時拍攝照片。軟件自動通過圖像識別的方式，計算出云和天之間的比例，從而測算出云量；而計算云高是通過激光測距方式進行的。激光云高儀將一束激光打入天空，當激光遇到云層，就會被反射下來，通過激光的傳播速度和傳播時間，軟件便可以輸出云層距離地面的高度。

　　能見度觀測的進步也是代表準自動化時代觀測科學性的“佳作”。在人工觀測時代，觀測員通過目視固定設置于離臺站不同距離的物體來判斷能見度的大小，而在準自動化時代，能見度儀則承擔起這一職責，它利用氣溶膠粒子對于光線的散射作用，通過判定顆粒物的多少以及直徑大小，計算出能見度的值。

　　此時,觀測陣地也在悄然前移。以往，人工觀測只能在2423個國家級站點進行，在準自動化時代，觀測站點可擴展到約55000個區域性站點，甚至可到達無人區。“以往只能依靠安裝在沿海的設備獲取臺風的資料，而今，觀測儀器可以被安裝在沿海省份的無人島甚至于海面的浮標之上。”王柏林告訴記者，雖然衛星可以識別臺風的個頭大小及移動方向，但地面觀測儀卻可以直接“觸摸”臺風“身體”，獲悉臺風過境之時，風速風向、相對濕度以及氣壓有多大，這些資料對于預測臺風的強度乃至發展趨勢彌足珍貴。

　　“在當下，觀測人員的職責也從以往主要負責天氣現象觀測和記錄轉變為主要承擔儀器的維護和維修工作，并保證觀測數據的完整性。“王柏林說。

　　開放兼容——全自動化觀測時代的風潮

　　到2020年，我國將努力實現地面氣象觀測的全面自動化，此時的儀器質量又將有質的飛躍。王柏林向記者透露，“以天氣現象儀為例，它原本是通過放置于地面上的一個儀器，承接雨雪冰霜，并且通過其反光率的不同，判斷在其上覆蓋物的差別。這種方式的弊端在于其會受到天氣現象左右（包括太陽輻射量的多寡、白晝與黑夜的區別等等）。未來，氣象部門將會嘗試地表傳感器測量方法，即在地下安裝傳感器，向上放射光束，通過不同光束的敏感性識別地面覆蓋物的類型。”王柏林還提出，目前觀云測天技術路線也存在欠缺之處，譬如，目前測量云量和云狀的設視角范圍有限，未來，中國氣象局氣象探測中心將嘗試使用云雷達技術，對云天進行360度“無死角”掃描，獲取更精確的信息。

　　“利用社會力量，擴充觀測點也是未來我們努力的方向之一。”王柏林說，目前，加上區域觀測站，我們僅有5萬多個站點，難以捕捉到小尺度天氣系統，未來，隨著氣象行業開放度進一步擴大，我們將有望吸引更多的志愿者，甚至行業力量加入，于無形之中增加觀測的站點和資料，并借助信息云將這些氣象部門之外的觀測數據送上“云端”，為預報人員提供更加豐富和精準的實況信息。　(中國氣象報)