[科普中國]-天文氣象

簡介

采用全國地面氣象站1951～2008年的氣象資料年值和月值數(shù)據(jù)集,系統(tǒng)分析云量、氣溫、濕度、風(fēng)速、水汽壓和降水量等天文選址氣象要素氣候態(tài)的長年變化、季節(jié)變化和日變化特征.根據(jù)對全國天文氣候的區(qū)域劃分,挑選出21個地區(qū)代表臺站.統(tǒng)計(jì)比較各氣象要素變化特征,總結(jié)出各地區(qū)天文氣象條件的時(shí)變特性,進(jìn)一步論證其地域分布特征,從而為進(jìn)行地基望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的全國范圍選址調(diào)查提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1

氣象資料與考察要素選用中國氣象局國家氣象信息中心氣象資料室整編的, 中國地面 756 個基本、基準(zhǔn)氣象站(不包括臺灣省), 1961~2008 年氣候資料年值數(shù)據(jù)集和月值數(shù)據(jù)集, 并從中剔除時(shí)間序列小于 10 年的臺站 18 個, 以及近 20 年來沒有觀測的臺站 11 個, 保留 727 個序列較長數(shù)據(jù)較完整的臺站進(jìn)行分析. 由于地面風(fēng)速情況復(fù)雜, 為了得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果, 采用中國地面2425 個基本、基準(zhǔn)氣象站和一般氣象站的氣候資料年值數(shù)據(jù)集. 基本站是國家天氣氣候站網(wǎng)中的主體,根據(jù)全國氣候分析和天氣預(yù)報(bào)的需要設(shè)置, 擔(dān)負(fù)區(qū)域或國家氣象信息交換任務(wù). 基準(zhǔn)站是國家氣候站網(wǎng)的骨干, 是根據(jù)國家氣候區(qū)劃及全球氣候觀測系統(tǒng)的要求, 為獲取具有充分代表性的長期、連續(xù)氣候資料而設(shè)置[9]. 對于云量、空氣溫度和濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等常規(guī)氣象要素, 所有站點(diǎn)均為必測項(xiàng)目, 數(shù)據(jù)采集和觀測精度一致. 圖 1 給出了中國 756 個地面基本、基準(zhǔn)氣象站的分布情況. 由圖可見, 我國東部地區(qū)站點(diǎn)分布密集、均勻; 西部站點(diǎn)稀疏, 尤其是青藏高原地區(qū), 受地形環(huán)境的影響, 相當(dāng)大的范圍內(nèi)沒有設(shè)立氣象臺站, 因此這部分地區(qū)在分析可信度方面稍遜于東部。2

中國古代天文氣象儀器中國古代氣象學(xué)中有很豐富的天象記錄，這是通過天文氣象儀器進(jìn)行觀測所取得的。天文氣象儀器是人類感覺的延伸，亦是研究日、月、星、辰、云、雨、風(fēng)、雷的重要工具和手段。天文氣象儀器的研制，是天文氣象學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。我國古代天文氣象儀器有很多，比如圭表、晷儀、日晷、漏壺、更香、秤漏、渾象、假天等等。

圭表和日晷很早以前，先民發(fā)現(xiàn)影子的變化有一定規(guī)律。于是便在平地上直立一根竿子或石柱來觀察影子的變化，逐漸形成圭與表，用來度量太陽照射表時(shí)所投影子長短。周朝時(shí)先民已能立表定向，實(shí)際上或可推至更早時(shí)期。 圭表初期形式為木桿或?yàn)槭?，可以用來定方向、?jié)氣、時(shí)刻、地域等。以表影長度確定節(jié)氣，是圭表在歷法制定中的主要工作內(nèi)容之一。 圭表逐漸發(fā)展成日晷，又稱“日規(guī)”，是我國古代利用日影測得時(shí)刻的一種計(jì)時(shí)儀器。通常由銅制的指針和石制的圓盤組成。銅制的指針叫做“晷針”，垂直地穿過圓盤中心，起著圭表中 立竿 的 作 用，因 此，晷 針 又 叫“表”。石制的圓盤叫做“晷面”，當(dāng)太陽光照在日晷上時(shí)，晷針的影子就會投向晷面，太陽由東向西移動，投向晷面的晷針影子也慢慢地移動。于是，移動著的晷針影子就好像是現(xiàn)代鐘表的指針，晷面則是鐘表的表面，以此來顯示時(shí)刻。

相風(fēng)烏和銅鳳凰我國風(fēng)向器的發(fā)明很早，商朝時(shí)，人們已利用旗上的飄帶來觀測風(fēng)向，同時(shí)已有四面風(fēng)的概念。秦朝宮中的觀臺上有相風(fēng)銅烏，漢朝承襲下來，漢初稱為清臺，后來改為靈臺，相風(fēng)銅烏一直使用。在漢、魏、晉這些朝代，相風(fēng)烏不僅是宮廷用具，也流傳到郡縣、藩國和民間。晉代皇帝出行，有人舉著相風(fēng)烏走在儀仗隊(duì)的前頭。 漢代的風(fēng)向器也稱“銅鳳凰”或“鐵鸞”，工藝逐漸成熟，儀器狀態(tài)穩(wěn)定。漢代建章宮的鳳凰闕上裝了兩個銅鳳凰，銅鳳凰的下面有轉(zhuǎn)樞。風(fēng)來的時(shí)候，銅鳳凰的頭會向著風(fēng)，好像要飛的樣子，它類似于的風(fēng)向標(biāo)。當(dāng)時(shí)尚未見有風(fēng)級的區(qū)分，但是漢代的銅鳳凰和相風(fēng)烏實(shí)可認(rèn)為是近世風(fēng)速計(jì)的最早雛形。 觀測風(fēng)不單要觀測風(fēng)向，也觀測風(fēng)力大小。這是因?yàn)轱L(fēng)力大往往具有破壞性。在唐代，已經(jīng)開始利用地面物體受風(fēng)影響所表現(xiàn)的破壞程度來表示風(fēng)力大小，根據(jù)《乙巳占》，當(dāng)時(shí)把風(fēng)力分為 8 級，再加上“無風(fēng)”和“和風(fēng)”兩個級，可合為 10 級，比近代國際上著名的蒲福風(fēng)力表早很多年。 相風(fēng)烏及各種測風(fēng)儀器不僅用于我國陸地，也廣泛用于江河和海上水路交通，還可能遠(yuǎn)播國外。歐洲人最早的候風(fēng)雞，是豎在教堂上的“圣彼得天雞”，出現(xiàn)于公元 12 世紀(jì)。3

測濕儀器我國是最早發(fā)明測濕儀器的國家。古代典籍中早有記載。在《史記》中曾提到把土和炭分別掛在天平兩側(cè)，以觀測掛炭一端天平升降的儀器?！痘茨献印分兄赋?，這個儀器的掛炭一端升降的意義為：天氣干燥了，炭就輕；天氣潮濕了，炭就重。這算是我國最早的測量濕度的儀器。 除了上面天平式的測濕儀器外，還有其他形式。漢代就有人利用琴弦感應(yīng)濕度的原理預(yù)測晴雨。東漢王充在《論衡》中曾經(jīng)談到，琴弦變松，天就要下雨。琴弦變松，是天變潮濕、弦線伸長所造成的。清康熙年間，西方來華傳教士南懷仁曾用小鹿的筋做成一個弦線溫度表，以驗(yàn)空氣干濕。黃履莊也研制成功了“驗(yàn)燥濕器”，利用弦線隨濕度伸縮的原理測量溫度，這是毛發(fā)濕度計(jì)的前身。元末明初婁元禮在《田家五行》一書中也說：如果質(zhì)量很好的干潔弦線忽然自動變松、變寬了，那是因?yàn)榍俅渤睗竦木壒?；出現(xiàn)這種現(xiàn)象，預(yù)示著天將陰雨。3

量雨器和降雪觀測我國古代對雨水觀測十分重視。甲骨卜辭中，對雨已經(jīng)有“大雨”“猛雨”“疾雨”“足雨”“多雨”“毛毛雨”等記載。雨下的是否及時(shí)，以及雨量的分配和多少，直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這就迫使我國古代國家統(tǒng)治階級重視上報(bào)雨量。在秦代，我國已經(jīng)有“報(bào)雨澤”制度。1975 年考古發(fā)現(xiàn)《秦律十八種》的竹簡，其中《田律》里規(guī)定，凡下得及時(shí)而且有利于谷物抽穗的雨，雨后應(yīng)書面分別報(bào)告有抽穗谷物和未種谷物的受雨田畝數(shù)。東漢政府也曾經(jīng)要求所轄各郡國在從立春到立秋整個作物生長期間，向中央報(bào)告雨水情況。明代從洪武年間（公元 14 世紀(jì)后半葉）開始，就很重視測雨，要求全國州縣的負(fù)責(zé)官吏按月向中央上報(bào)雨水情況。 南宋秦九韶不但是一位偉大的數(shù)學(xué)家，而且是一位農(nóng)業(yè)氣象學(xué)家，精密測算一地雨量、雨水深、雪量、雪深方法。他在《數(shù)書九章》序文中明確說：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的豐收與否，和雨量、雪量很有關(guān)系，所以其觀測很重要?！稊?shù)學(xué)九章》卷四中列有 4 道有關(guān)降水的算題，分別為“天池測雨”“圓罌測雨”“峻積驗(yàn)雪”“竹器驗(yàn)雪”，這四道題所問的，都是降水折算成平地的雨深或雪厚是多少。從這里可以看出，當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)知道平地的降水量才有代表性。在宋代，每一省、每一都會城市皆有測雨器的設(shè)置，而且以尺、寸、分寸為雨量的單位，以測定雨量的多少，推算某地點(diǎn)的降水量和某地區(qū)的面積降水量。 這些精巧的氣象儀器，展現(xiàn)了我國古代科學(xué)家和勞動人民的聰明才智，反映了我國古代氣象學(xué)的較高成就，其中有很多智慧和知識值得后人學(xué)習(xí)和研究。3