從毛發(fā)濕度儀到“送上云端”

從毛發(fā)濕度儀到“送上云端”
——地面觀測儀升級換代記

　　毛發(fā)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(zhǔn)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(fā)濕度表、虹吸式雨量計以及電接風(fēng)向風(fēng)速計等。

　　在木結(jié)構(gòu)的儀器之中，一根固定長度的頭發(fā)被拉得筆直。“毛發(fā)濕度表是根據(jù)脫脂人發(fā)隨空氣濕度大小而改變長度的特性，用人發(fā)制成的測定空氣相對濕度的儀器。”王柏林說，人們發(fā)現(xiàn)頭發(fā)和空氣濕度有較好的對應(yīng)關(guān)系，在不同的濕度條件之下，頭發(fā)的長度會發(fā)生細微的變化，如在即將下雨時，濕度接近飽和，頭發(fā)就會悄然伸長。不過毛發(fā)濕度表還是存在著10%左右的誤差。

　　人工測量風(fēng)向風(fēng)速的儀器叫做電接風(fēng)向風(fēng)速計，“駐扎”在十米風(fēng)桿上。風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)會在自然風(fēng)的作用之下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過傳感器將信號傳送到指示器上，而自記紙會將兩類數(shù)據(jù)記錄下來。這種簡單的觀測儀器也會出現(xiàn)誤差。第一種誤差的來源是控制風(fēng)速和風(fēng)向標(biāo)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(fēng)的響應(yīng)比較遲鈍，此外，記錄風(fēng)向風(fēng)速的表筆也可能出現(xiàn)跳筆，導(dǎo)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(dāng)然，在人工觀測時代，專業(yè)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(guān)注著云、能（能見度）、天（天氣現(xiàn)象）的變幻，這也是那時觀云識天的主要依據(jù)。

圖為目前使用的能見度觀測儀。

　　濕敏電容——準(zhǔn)自動化時代的杰作

　　目前，我國正處于從準(zhǔn)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(zhì)的一種小型電容器，當(dāng)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(dǎo)致電容器的電容量發(fā)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(xué)，其誤差也從毛發(fā)濕度表時代的10%左右降低到了4%左右。

　　在準(zhǔn)自動化時代，原本應(yīng)當(dāng)由觀測員負責(zé)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(jīng)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(dāng)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(zhǔn)自動化時代觀測科學(xué)性的“佳作”。在人工觀測時代，觀測員通過目視固定設(shè)置于離臺站不同距離的物體來判斷能見度的大小，而在準(zhǔn)自動化時代，能見度儀則承擔(dān)起這一職責(zé)，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(zhǔn)自動化時代，觀測站點可擴展到約55000個區(qū)域性站點，甚至可到達無人區(qū)。“以往只能依靠安裝在沿海的設(shè)備獲取臺風(fēng)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(biāo)之上。”王柏林告訴記者，雖然衛(wèi)星可以識別臺風(fēng)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(fēng)“身體”，獲悉臺風(fēng)過境之時，風(fēng)速風(fēng)向、相對濕度以及氣壓有多大，這些資料對于預(yù)測臺風(fēng)的強度乃至發(fā)展趨勢彌足珍貴。

　　“在當(dāng)下，觀測人員的職責(zé)也從以往主要負責(zé)天氣現(xiàn)象觀測和記錄轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕袚?dān)儀器的維護和維修工作，并保證觀測數(shù)據(jù)的完整性。“王柏林說。

　　開放兼容——全自動化觀測時代的風(fēng)潮

　　到2020年，我國將努力實現(xiàn)地面氣象觀測的全面自動化，此時的儀器質(zhì)量又將有質(zhì)的飛躍。王柏林向記者透露，“以天氣現(xiàn)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(xiàn)象左右（包括太陽輻射量的多寡、白晝與黑夜的區(qū)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(shù)路線也存在欠缺之處，譬如，目前測量云量和云狀的設(shè)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(shù)，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(qū)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(tǒng)，未來，隨著氣象行業(yè)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(yè)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(shù)據(jù)送上“云端”，為預(yù)報人員提供更加豐富和精準(zhǔn)的實況信息。　(中國氣象報)