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2020/04/06
雨水蹺蹺板?淺談降水觀測儀器

「雨水連綿是豐年,農夫不用力耕田」

「春寒雨若泉,冬寒雨四散」

「立春落雨透清明」

農夫自古就是靠天吃飯,由於農作物生長需要雨水滋潤,因此臺灣民間有許多諺語跟雨水有關,這些諺語都顯示雨水對農業的重要性。降水的觀測是中央氣象局的法定業務之一,也是民眾關切的天氣預報項目。那麼,氣象局是用什麼方式來記錄降雨量呢?接下來讓我們簡單介紹一下氣象局的降水觀測儀器。

降水量與降雨量的定義

降水(Precipitation)包括下雨(Rain)、下雪(Snow)、凍雨(Sleet)、冰雹(Hail)和霰(Drizzle)。降水量是指在一定時間內落在地面上的降水,假設沒有蒸發、流失或滲透等減損情況下,於平面上所儲積量的深度,記錄降水量的單位通常為毫米。由於臺灣地處亞熱帶地區,所以臺灣地區的降水形式一般是下雨;下雨是指從大氣降下直徑大於0.5公釐、下降速度大於3m/sec的水滴,降雨量是以雨量計內累積的高度作為記量標準。

降雨量的大小對我們的日常生活有著不同的影響,為了讓一般民眾了解居住地區在發生不同等級雨量時可能出現的天氣現象或災情,氣象局針對不同雨量大小作等級劃分,希望民眾在面臨較大雨量發生時能夠提高警覺,避免災害發生。目前中央氣象局對大雨及豪雨的定義分別如下:

  1. 大雨(Heavy Rain):指24小時的累積雨量達到80毫米以上,或時雨量達40毫米以上之降雨現象。
  2. 豪雨(Extremely Heavy Rain):指24小時累積雨量達200毫米以上,或3小時累積雨量達100毫米以上之降雨現象。若24小時累積雨量達350毫米以上稱之為大豪雨(Torrential Rain)。24小時累積雨量達500毫米以上稱之為超大豪雨(Extremely Torrential Rain)。

主要降水觀測儀器之歷史

降水的觀測大約從西元一世紀左右,於現今以色列的Palestine地區開始,當時所使用的降水觀測儀器比較簡單,最早期只是用雨量器觀測,雨量器是一個直筒型容器,用來收集降水並量測深度。

德國氣象學家Gustav Johann Georg Hellmann利用虹吸原理,製作成虹吸式自記雨量儀,故虹吸式雨量儀亦稱Hellmann式雨量儀。虹吸式雨量儀的特點是能連續記錄降水量及降水時數,從降水紀錄上還可以了解降水強度。

西元1889年,德國人Adolf Wichard Friedrich Sprung與機械師Fuess設計最方便使用的傾斗式雨量儀,雖然隨科技發展在結構上略有修改,但直至今日傾斗式雨量儀仍是氣象觀測自動化必備的降水觀測儀器。

常見的雨量儀

一般降水觀測常用的儀器為捕集型(Catch Type)雨量儀,捕集型雨量儀的結構主要有兩個部分:一部分是由承雨器與漏斗等所組成的雨水捕集設備;另一部分則是容雨器或計量傾斗以及記錄裝置,用來記錄降雨量跟時間歷程的關係。捕集型雨量儀利用漏斗跟承雨器收集雨水,然後計算雨量,依照體積或重量的計量方式,可以將捕集型雨量儀分為浮筒式(Level Measurement Rain Gauge)、傾斗式(Tipping Bucket Rain Gauge)、衡重式(Weighting Rain Gauge)、與虹吸式(Siphon Pluviograph)。

隨著科技發展的進步,如今也發展出非捕集型的雨量儀,包括有光學式雨量儀(Optical Disdrometer)、撞擊式雨量儀(Impact Disdrometer)以及微波雷達(Microwave Radar Disdrometer)來觀測降水現象。

虹吸式雨量儀是常見的雨量儀之一。

虹吸式雨量儀

傾斗式雨量儀

目前國內外氣象單位使用最廣泛,也是中央氣象局最主要的降水觀測儀器是傾斗式雨量儀。傾斗式雨量儀的結構由漏斗、強雨緩衝漏斗、輕金屬製成之兩個盛水斗以及脈動開關等組成。傾斗式雨量儀運作的原理主要是:雨水進入集水器,經過金屬網過濾砂石雜物後,流入強雨緩衝漏斗,再流入盛水斗中。當盛水斗內的積水量達到一定容量或是重量時,傾斗便失去平衡而傾倒;每次盛水斗傾倒時,都會使開關接通電路向記錄器輸送一個脈衝信號,記錄器於是控制自記筆記錄雨量,同時另一個盛水斗便移至承雨口下繼續盛水,兩個盛水斗像蹺蹺板一樣來回輪流盛水,如此反覆就可將降雨過程記錄下來。

傾斗式雨量計是運利用蹺蹺板原理運行,為目前最廣泛使用的測量雨量儀器。

傾斗式雨量儀

傾斗式雨量儀的誤差與校正

任何雨量儀測量的雨量都會跟實際降雨量有所不同,這是由於儀器本身測量時有損失,或是觀測記錄時的誤差,這些因素都會造成測量的降雨量有誤差。

傾斗式雨量儀的誤差主要來自本身設計上的影響:當雨水在計量傾斗內達到標稱容量後開始翻傾、一直到另一個傾斗完全接替盛水之前,雨水在這短暫的時間內仍會持續注入翻傾中的傾斗,導致翻傾的傾斗每次實際裝載的雨水超出了標稱容量,所以傾斗式雨量儀記錄的數值因而低於實際降雨量。這樣的量測誤差,不但與雨量儀的解析度有關,也跟降雨的強度有關:當計量傾斗的標稱容量越小時,雖然對降雨量的解析度越大(能記錄到更小單位的降雨量),但與實際降雨之間的誤差會比解析度小的雨量儀更為明顯;此外當雨勢越大時,降雨量的測量值會越偏離實際降雨量。

如果雨量儀的測量值與標準值相差過大時,儀器就需要重新校對。目前氣象局儀校中心是以定量方法校正雨量儀,先用已知容量的純水模擬降雨在雨量儀上,再將所量測的總雨量與標準值比較,其誤差應於±3%以內,若結果超出允許誤差的話,雨量儀就需要調整重校。由於雨量儀是以機械結構組成,每一節點都需要相互配合且運作正常才可得到正確的量測值,因此在儀器校正上要較多的經驗及時間來做校正調整。

降水資料的準確性仰賴雨量儀的正確使用,因此根據所使用的場合選擇適當解析度的傾斗式雨量儀、正確安裝雨量儀、透過校正使雨量儀誤差落在標準範圍內、平時妥善使用並維護儀器、以及故障時即時排除與修復,都能幫助氣象觀測人員在觀測降水時,獲得更精準的降雨數據。

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