氣象儀器

氣象儀器，是用於氣象預報、氣象監測等氣象服務領域的專業設備。可以分類為地面氣象觀測儀器、高空氣象探測儀器兩大類。主要有自動氣象站、自動雨量站、風速風向儀、風向袋、百葉箱、溫濕度記錄儀、感測器、風向標、風速報警儀、風能測風儀、氣象中心軟體、GPRS無線傳輸模組等。

基本介紹

• 中文名：氣象儀器
• 外文名：meteorological instrument
• 用於：氣象預報、氣象監測
• 主要設備：自動氣象站、自動雨量站等
• 氣壓釋義：單位面積氣柱之垂直重量
• 測始於：公元1643年
• 國籍：義大利人

簡介

氣象儀器，是用於氣象預報、氣象監測等氣象服務領域的專業設備。可以分類為地面氣象觀測儀器、高空氣象探測儀器兩大類。主要有自動氣象站、自動雨量站、風速風向儀、風向袋、百葉箱、溫濕度記錄儀、感測器、風向標、風速報警儀、風能測風儀、氣象中心軟體、GPRS無線傳輸模組等。

地面氣象觀測儀器

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。

有關氣溫觀測儀器之史料如下：

1592年：荷蘭人C. Drebbel von Alkmar與義大利人Galileo Galilei同時發明空氣溫度計。

1620年：荷蘭人C. Drebbel von Alkmar 發明酒精溫度計。

溫度感測器

1643年：德國人Kircher 發明水銀溫度計。

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 製作水銀溫度計，訂華氏溫標。

1730年：法國人Reaumur 制訂列氏溫標。

1742年：瑞典人Anders Celsius 制訂攝氏溫標。

1794年：英國人Daniel Rutherford 發明最高最低溫度計。

1887年：德國人R. Assmann 發明通風乾濕計。

第二次世界大戰以後，氣象儀器發展神速，法國巴黎Richard公司依照 Bourdon氏發明之巴塘管原理而製作自記溫度計，近年因儀器自動化而使用白金電阻溫度計，在特殊用途上，尚有光學溫度計之發明。

氣溫觀測儀器的簡介

(1)雙管溫度計

使用時間：自設站迄今

用途：測量氣溫

構造及原理：

原理與單管溫度計相同，構造則略有差異，即利用毛細管連線於圓形感應部，毛細管再固定於刻度板上。感應部連線外套管，外套管內填入乾燥空氣，使不致因冷熱而使水汽凝結於管壁，影響讀數，外套管上端再與以封閉。雙管溫度計之好處在於刻度板因不與外界潮濕空氣接觸，所以刻度不致模糊，而內部之乾燥空氣亦可隔絕輻射熱之影響。

(2)黑(白)球溫度計

使用時間：

用途：自設站至1950年代

構造及原理：

用玻璃制溫度計，將感溫球部塗成黑 (白)色封入玻璃制之套管內，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，內徑較溫度計約大一倍，溫度計插入後，用銅片在靠近球部及頂端各作一處支撐，然後除外管內側抽成真空後封閉，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。

(3)海水溫度計

使用時間：自設站至民國三十年代

用途：測量海水溫度用

構造及原理：

溫度計以水銀作為感溫液，最小刻度為0.2 ℃，測定範圍 -15℃ ～ +45℃。溫度計刻度部分以不鏽鋼套固定，感應部則插入以皮革製成之蓄水桶內，不鏽鋼套上端有一鉤環，可以繫上鐵鏈或繩索。使用時，將鐵鏈及溫度計放入所需測量深度之海水中，俟皮革內之海水與其環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。

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規範有六種表示方法，即水汽混合比、比濕、水汽壓、絕對濕度、相對濕度及露點等。

有關濕度觀測儀器之史料如下：

公元15世紀：德國人Nicolaus de Cusa 發明濕度計。

1650年：Tuscana國大侯Ferdinand II 發明凝結濕度計。1769年：德國人Lambert 製作濕度計。

濕度感測器

1783年：瑞士人H.B. Saussure 發明毛髮濕度計。

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Henri Victor Regnault 製造凝結濕度計。

1854年：法國人H.V. Regnault 製成露點計。

1887年：德國人R. Assmann 發明通風乾濕計。

1938年：美國人 Dumore 開始研究電動濕度計。

濕度觀測儀器發展至今，約可歸納為乾濕計測定法、毛髮測定法、電阻測定法及露點或霜點測定法等儀器。

濕度觀測儀器之簡介如下：

(1)毛髮濕度計

使用時間：自設站迄今

用途：測量大氣中濕度用

構造及原理：

以一束脫脂處理後之毛髮，上端固定在金屬架上，下端連線槓桿和指針，桿上有可伸縮之小銅錘，使毛髮伸直，頂端有一小螺絲，為調整指針之位置用，為使指針軸減少擺動，可裝置遊絲一個予以控制。毛髮有很多細孔，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，其變數帶動指針，即可知濕度。

有些毛髮濕度計刻度板有三排，上排為濕數，下排為相對濕度，將氣溫減去濕數即為露點溫度。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。

(2)氯化鋰露點儀

此儀系用鎳照做成的測溫電阻體，封入不銹鋼製之保護管內，保護管外側包上鐵弗龍絕緣片，表面再用玻璃纖維膠帶纏繞起來。其中以 2 條傳導線成螺旋型卷繞，使用時以3.8%之氯化鋰液塗於導線上，導線上通以25VAC電壓，氯化鋰液與外界環境濕度平衡時，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，比實際正常作業略小，溫度控制在 25℃範圍，量測結果如圖六所示。原理與單管溫度計相同，構造則略有差異，即利用毛細管連線於圓型感應部，毛細管再固定於刻度板上。感應部連線外套管，外套管內填入乾燥空氣，使不致因冷熱而使水汽凝結於管壁，影響讀數，外套管上端再與以封閉。雙管溫度計之好處在於刻度板因不與外界潮濕空氣接觸，所以刻度不致模糊，而內部之乾燥空氣亦可隔絕輻射熱之影響。

氣壓觀測儀器

氣壓乃靜止時大氣之壓力。

在地面上，氣壓即單位面積氣柱之垂直重量，亦即單位面積所受力之大小（P=f/A）。氣壓之量測始於公元1643年，當時義大利人Evangeliste Torricelli氏深信空氣有重量而量測之，因此發明水銀氣壓計。

有關氣壓觀測儀器之史料如下：

1643年：義大利人Evangeliste Torricelli 氏發明水銀氣壓計。

1648年：法國人Pascal 氏觀測氣壓與高度變化。

1810年：法國人Fortin 氏發明福丁式水銀氣壓計。

法國巴黎Richard公司製成自記式。

1847年：義大利人Vidie 氏發明空盒氣壓計。

1877年：德國人A. Sprung氏發明史普龍式自記水銀氣壓計。

氣壓儀器經多年之研究與改進，而有水銀式氣壓計（Mercurial Barometer）、空盒或彈力式氣壓計（Aneroid or Elastic Barometer）、電阻式氣壓計（Resistance Barometer）、電容式氣壓計Capacitor's Barometer）及微壓計（Micro Barograph）等。

氣壓觀測儀器之簡介如下：

(1)電阻式氣壓儀(Aneroid Resistance Barograph)

使用時間：1970至1980年代

用途：遙測大氣壓力用

構造及原理：

遙測電阻式氣壓儀之構造與空盒氣壓計相似，均以空盒受大氣壓力而產生物理量變化，唯將指針或記錄筆尖改為可變電阻器之刷棒，在一可變電阻器之間，隨氣壓變化而滑動，而使通過之電流或電壓發生變化，再以變換器使其輸出信號改變為氣壓數值，以數字顯示或以類比信號記錄。

(2)電容式氣壓儀(Capacitor Barometer)

使用時間：1970年代迄今

用途：遙測大氣壓力用

構造及原理：

其原理與圓筒振動式氣壓儀之類似，系利用大氣壓力擠壓電容器而使其電流或電壓改變的方法，而測得氣壓變化。此儀亦由感應器、變換器及顯示或記錄器構成。

(3)唧筒式水銀氣壓計(Piston Mercury Barometer)

使用時間：自1980年代迄今

用途：校正大氣壓力量測儀器

構造及原理：

其構造及原理與福丁式水銀氣壓計相同，即不同者在水銀槽之構造，唧筒式氣壓計之水銀槽上下端均以不鏽鋼封閉，水銀槽頂端開一管口，連線橡皮管到壓力槽，其壓力隨壓力槽之變化而變化。

(4)山嶽用福丁式水銀氣壓計(Mountain Mercury Barometer)

使用時間：自設站迄今仍使用

用途：測量高山地區大氣壓力

構造及原理：

其構造及原理與一般平地用福丁式氣壓計相同，但其安裝方式可用三腳架支撐。

(5)虹吸式水銀氣壓計(Siphon Mercury Barometer)

使用時間：1950年至1960年代

用途：氣壓儀檢定用

構造及原理：

用一端封閉，管徑同樣大小之玻璃管，由開口部抽取管內空氣至真空後，填入水銀而成。測定時除其開口部打開，大氣壓力由開口部擠壓，使另一端水銀柱上升，其上升高度隨大氣壓力大小而異，讀取上下二端水銀柱頂之高度差，即得氣壓。開口部亦可連線於檢定壓力槽，作為槽內壓力之標準，以檢定其他氣壓測器。

(6)圓筒振動式氣壓儀(Thin-walled Resonator Barometer)

使用時間：1980年代迄今

用途：遙測大氣壓力用

構造及原理：

圓筒振動式氣壓儀系由先端密閉薄膜圓筒之共振頻率數之壓力變化，以測空氣壓之儀器，其構造系由感應器、變換器，計算器及顯示器等構成。感應器之構造為將薄膜圓筒共振器之外側抽成真空，內側則加壓力，因此圓筒之共振頻率即發生變化，測出其共振頻率即可求得氣壓值。圓筒共振器之一端附有四片轉換器，二片為驅動用，另二片則為偵測用，以偵測共振頻率，並以此二組共振頻率控制溫度變化所造成之誤差。

(7)史普龍式水銀氣壓儀(Sprung 's Mercury Barometer)

使用時間：自設站起至1970年代

用途：自動記錄大氣壓力

構造及原理：

此儀由Moreland氏在1670年發明，德國人A. Sprung氏加以改良。此種儀器之測壓原理為氣壓計水銀管下端插入水銀槽之水銀中，但並不固定，水銀管之上端密閉真空，上有一吊環，懸掛在天秤一端之掛鈎上，使之自然垂下，保持垂直。氣壓經水銀槽中之水銀以支持水銀管中水銀柱之高度另方面水銀管頂之平面上也從外面接受氣壓之作用，但沒有從管內而來之作用壓力，因此水銀管頂受氣壓壓下之力以天秤他端之重量使之平衡，所以天秤隨大氣壓力大小而移動，即可測得氣壓之變化。

風向風速觀測儀器

風速風向儀用於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、超限報警和數據通訊等功能。風速風向儀由風速感測器和風向感測器、氣象數據採集儀、計算機氣象軟體三部分組成。 風速感測器的風杯採用碳纖維材料，強度高，起動好，符合國家氣象計量標準；氣象數據採集儀採集並記錄風速風向測量數據，採用漢字液晶數據顯示，人機界面友好，具有設定參數掉電保護和風速風向歷史數據掉電保護功能，可靠性高。氣象數據採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，採用GPRS 無線通訊方式可選用GPRS 無線數據通訊終端。該風速風向儀具有技術先進，測量精度高，數據容量大，遙測距離遠，人機界面友好，可靠性高的優點，廣泛用於氣象、海洋、環境、機場、港口、工農業及交通等領域。

風速風向儀

降水觀測儀器

1、指示燈：正常指示燈：當液晶屏關及其它指示燈都不工作時，該指示燈閃。

翻斗指示燈：翻斗動作一下，該指示燈亮一下。

電池指示燈：當電池電壓低於3.0V，該指示燈閃

2、液晶顯示，按鍵切換液晶顯示。顯示內容有：日期時間、2小時雨量、今日雨量、昨日雨量、年累積雨量。

3、數據通訊，RS-232接口與計算機相連，通過自動雨量站監測軟體可讀出歷史雨量信息及存儲器時間、雨量存儲器型號（即分辨力）、日分界、電池電壓、波特率、本分鐘雨量、當前兩小時雨量、今日雨量、昨日雨量、年累積雨量等信息。

4、數據存儲，雨量存儲器內部有125KB的存儲空間用於存儲雨量信息，並且系統採用循環存儲，當存儲空間存滿時，覆蓋最早的數據，重複存儲。例：某測量點年降雨量為3000mm，使用0.5mm型翻斗雨量計及數據採集器可存儲最近十年的歷史雨量信息。

自動雨量站

土壤溫度

土壤溫度系指地表土壤各深度之溫度，主要系供農業氣象使用。一般分為地表、5、10、20、30、50、100、200、300、500公分等各層深度。在30公分以上之深度，大致都用曲管地溫計，50公分以下深度者，則用鐵管地溫計量測。

土壤溫度感測器

日照、日射觀測儀器

日照系指某地實際所受日光照射之時間，是為該地之日照時數。日射則指太陽輻射能中，近紫外線至近紅外線（ 300 - 4000 nm）間所有直射、散射及反射等光波之總稱。日照、日射觀測儀器的歷史

有關日照、日射觀測儀器之史料如下：1837年：法國人Pouillet設計日射計並定義「太陽常數」。

1838年：英國人Jordan 設計約旦日照計。

1854年：德國人J.F. Campbell 發明康培日照計。

1897年：英國人 G.G. Stokes 改良康培日照計之缺失而成現今使用之康培司托克日照計。

1903年：美國人Abbot發明絕對日射計。

1909年：美國人Abbot發明銀盤日射計。

日照計尚有馬文及佛斯德日照計，但使用較不普遍。近年來為求資料更準確，新開發的頻率式日照計，甚為準確。唯部分國家之氣象單位在最近將來將以直達日射計來觀測日數照時，以符合世界氣象組織之定義。

自記溫濕度儀

自記溫濕度儀（Thermo-hygrograph）

溫濕度儀

使用時間：1970年代迄今

用途：連續量測氣溫及濕度

構造及原理：

以雙金片為氣溫量測之感應部，以脫脂毛髮為濕度量測之感應部。氣溫升降時，雙金片隨之變形，其變數以傳動部機械放大，記錄於自記時鐘之上層記錄紙上。濕度變化時，毛髮亦隨之伸縮，其伸縮量亦以傳動部機械放大，同樣記錄在下層記錄紙上。雖然很早就在市面販售，但因單機之記錄紙放大倍率較大，容易讀數，所以至本局自動氣象測報系統啟用後，才被作為備品使用。

百葉箱

1、幾何尺寸、形狀和原木質大號百葉箱相近。

2、材料選用導熱係數低、熱容量小、防腐、抗裂、反輻射力強的玻璃鋼製造，玻璃鋼百葉箱在陰雨、酸 雨、潮濕環境下不腐爛，在乾旱烈日下不開裂、壽命長。

3、結構上採用了倒“v”型整體框架層疊式固緊結構，堅固不會鬆動，既能保證箱內外氣體的正常交換， 又能有效的防雨雪吹入箱內。上蓋板改為倒“漏斗式”通風蓋，在晴朗無風和外界環境急劇變化的情況下，箱體內外的氣體能迅速交換，內外環境很快趨於一致，克服了木質百葉箱滯後的缺點，使觀測資料更準確、更有代表性。

4、木質百葉箱因各地木質差異大，造成性能和資料的代表性不一致，LQX-BB型玻璃鋼百葉箱可以克服因材料造成的誤差。

5、造型美觀大方，表面雪白光潔，無須刷漆護理，使用壽命在十五年以上。性能價格比高，經濟實惠。

6、支架採用玻璃鋼材料製作，牢固、輕便、美觀。

百葉箱

蒸發皿

蒸發皿（Evaporation pan）

用途：量測蒸發量

說 明：

自土壤表面或自由水面因蒸發而失去之水量，稱為蒸發量，之以水深亳米（mm）為單位。蒸發量之觀測設備很多，所得結果不盡相同，120公分口徑之蒸發皿，為配合雨量杯之規格量測，仍繼續使誤差亦難評估。因此世界氣象組織乃規定使用用20公分者，目前二者均使用，以作比較。20公分口徑蒸發皿多為銅或不鏽鋼材料作成，直徑20公分，深約10公分，開口處尖銳如刃，形同雨量器。器外套一向外彎曲同材質之柵網，以防鳥類竊飲器內之水。觀測時先以雨量量杯量入定量軟水，至一定時間（通常為一天），將水倒入量杯量之，二者差額即為蒸發量。

乾濕計

乾濕計（Psychrometer）

用途：量測大氣中之濕度

構造及原理：

使用 2 支溫度計，其中一支感溫球部包上白色脫脂之紗布，系一棉線至水盂中，水盂盛入蒸餾水，使水盂之蒸餾水經棉線至紗布處，浸濕感溫球部，是為濕球。大氣中濕度大時，球部之濕氣與大氣之濕氣平衡，溫度保持恆定，若大氣濕度降低時，濕球之水氣蒸散而吸熱，使溫度下降。另一支溫度計則未浸濕，是為乾球。因此以二者之溫度差，可用 Ferrel 氏之研究公式求得當時之濕度。

銀盤日射計

（Silver-disk pyrheliometer ）

使用時間：1940年代至1960年代

用途：量測太陽光線垂直面所受之直達日射量

構造及原理：

木製圓筒底部有一表面漆黑之銀制圓板，是為銀盤。側面有一曲管溫度計，其感應部安置在銀盤下方，圓筒內及銀盤上面有數個光圈板，以約制進入筒內之陽光，同時避免風吹入筒內，並防止筒內產生對流。圓筒上面有白色圓板一枚，黑色圓板二枚活動快門。此圓筒架設在赤道儀式之架上，安裝於四季不受障礙物影響之空曠之水泥台上，赤道儀與子午線面平行，溫度計調在北邊讀數，圓筒開口則對準太陽。觀測時從圓筒蓋及活動快門蓋住時開始，每經一定時間開關活動快門，並分別讀取銀盤之溫度，而日射量即由日射引起之銀盤升溫及儀器常數求得。

全天日射計

全天日射計（Pyranometer）

用途：量測全天日射量用

構造及原理：

日射感應部在半球形玻璃罩下面，外部以圓形鑄鐵槽盛裝，感應器系以錳（ Mangaan）及康銅（ Constantan）作成之多數熱電對連線而成，上面塗上黑色，半球形玻璃罩邊以白色蓋子罩住，以防輻射熱影響測值。感應部受到太陽照射時，隨溫度差而產生熱起電力，再以電位差計測之，即可求得全天日射量。全天日射計安裝時，應選四周空曠場所為宜。

太陽電池式日照計

（Solar-cell sunshine recorder）

使用時間：1980年代迄今（逐步汰換中）

用途：量測日照時數用

構造及原理：

太陽電池式日照計，其感應部以三個太陽電池構成，分別裝置於三角柱之二側及頂端，二側之太陽電池各自對準東西向，以接受太陽直射光，頂端之太陽電池則接受漫射光。為保護太陽電池乾燥及性能，外面套緊硬質玻璃罩，罩內填入惰性氣體，使玻璃內側不致產生霧翳，影響測值，下端裝置於角度調整臂上，可隨各地方之緯度調整其仰角。安裝時，應注意三角柱過頂點垂直底邊之直線，必須與子午線面平行。太陽電池在210W.m*-2時，會產生20mV之直流電壓，因此量測20mV以上直流電壓之持續時間，即可求得日照時數。

最低溫度計

最低溫度計（Minimum thermometer）

使用時間：自設站迄今

用途：量測最低溫度用

構造及原理：

最低溫度計以酒精為感溫液，形如一般溫度計。唯管頂上有一膨脹室，儲存微量空氣，藉其所生之壓力，以減低酒精之蒸發。管孔切面為圓形，管徑較一般水銀溫度計為大，管內有一指標，可上下滑動，指標用黑色或青色玻璃製成，兩端成球狀，中間之軸甚小，以減少摩擦。酒精柱之頂端因酒精之表面張力及附著力之作用，成一新月形凹面。溫度上升時，酒精膨脹繞指標而上升，指標停留不動；溫度下降時，酒精柱冷縮，其凹面接觸指標右端後，將其向左拖曳而行，故酒精柱頂端所示者為當時之氣溫，指標右端所示者為此一段時間內出現之最低氣溫。最低溫度計球部有些作成叉形，其用意在於增大對空氣之接觸面積。

高空氣象探測儀

探空儀

探空儀（Rawinsonde）

用途：探測大氣中各高度之重力位（壓力）、溫度、濕度、風向、風速等要素。

構造及原理：

探空儀分為發射機及接收機二大部分。發射機內有壓力、溫度、濕度 ( 即P.T.U ）等感應部，亦有探測臭氧層之專用探空儀，內加裝臭氧感應器。發射機攜在填充氫氣之汽球上，以每分鐘 350公尺之速度上升，測得各高度之壓力、溫度、濕度資料，依序發出信號，由接收機接收，而風向及風速之量測則由汽球之移動水平角及仰角，加以計算，移動方向即為風向，移動速度即為風速。接收機接受之信號，儲存在 PC 電腦中，並加以整理，可自動繪製斜溫圖，印出特性層及日報表，自動編制氣象電碼，直接傳送到氣象預報中心使用。本局現有板橋、花蓮、永康、東沙島及南沙島等探空站，（永康不定期觀測，東沙及南沙委託海軍觀測），除南沙島外，各站均使用同型之接收系統，第一套系統在1984年啟用，為當時最新之全自動探空系統。

天氣雷達

天氣雷達是專門用於大氣探測的雷達。屬於主動式微波大氣遙感設備。與無線電探空儀配套使用的高空風測風雷達，只是一種對位移氣球定位的專門設備，一般不算作此類雷達。氣象雷達是用於警戒和預報中、小尺度天氣系統（如颱風和暴雨雲系）的主要探測工具之一。常規雷達裝置大體上由定向天線、發射機、接收機、天線控制器、顯示器和照相裝置、電子計算機和圖象傳輸等部分組成。

套用

氣象觀測是大氣環境監測的重要內容,它為大氣污染趨勢分析與大氣環境評估、提出控制污染方案、研究大氣污染規律和開展大氣物理科學研究提供了科學的依據.而氣象觀測必須依賴於氣象儀器.由此可知,氣象儀器在大氣環境監測中的重要作用。