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工程挑战题
制作您自己的雨量计

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在管理农业和用作其他用途的淡水供应的过程中,测量降雨量是一个很重要的环节。此 SEED 工程挑战题是设计和制作一个能尽可能准确地测量降雨量的雨量计。阅读有关这一雨量计的简短历史,然后亲自制作一个雨量计。

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测量降雨量:简短的历史
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雨量计
它是由美国气象局指定的“官方”雨量计。

测量降雨量:简短的历史

人类测量降雨量已有数千年的历史。已知最早的记录是于大约公元前 500 年在希腊测量的。大约一个世纪后,印度统治者将碗赐予其统治的村庄,来作为一种官方工具,测量农民可能收获的庄稼产量。然后,使用这些降雨量测量值确定农民的土地税收量。

标准雨量计

最常用的雨量计是在 100 多年前发明的,它目前由官方预报员使用,此外,飞机场也使用这种雨量计。雨量计由一个带有漏斗的大圆柱体组成,其内部有一个较小的量管。美国气象局指定的“官方”雨量计是一个 50 厘米高的圆柱体,并配有一个直径 20 厘米的漏斗。将水收集在量管中,此量管的面积刚好是漏斗顶部横截面的十分之一。结果就是在量管中所收集的水的高度刚好是在圆柱体中所收集高度的 10 倍。例如,一厘米降雨量的十分之一将充满量管的一厘米。将量管中水的高度夸大可使气象学家更准确地测量降雨量。插入量管中的特殊卷尺的刻度已将此夸大考虑在内。

标准雨量计可以测量最多 5 厘米(1.97 英寸)的降雨量。如果降雨量超过 5 厘米,水将溢出到量管外的圆柱体中。要获得总降雨量,观测者可以将装满 5 厘米水的量管倒空,然后将圆柱体中的水小心地倒进现在没有水的量管中。将此测量结果加上 5 厘米就可以得到最终的降雨量。

机械鼓
记录雨量计的机械鼓。
图片来自于 Lambrecht GmbH

了解降雨时间

上面描述的雨量计是非常准确的,但只有将水倒空才能进行测量。可能需要一天倒空一次,也可能需要一天倒空多次。一种记录下雨时间的方法是使用机械鼓记录器。在收集水的圆柱体中,有一个浮标与一只记录笔相连。如果圆柱体中的水位上升,则浮标会上升,记录笔会在图表上记录高度的变化。将图表连接到旋转速度很慢的带有发条装置的鼓上。当圆柱体充满水时,它会通过虹吸管自动将水清空到下面一个较大的收集容器中。出现这种情况时,记录笔会从最高位置下降到图表的零线位置处,如果继续下雨,则会再次开始记录上升的线条。必须定期更换图表,通常每周或每月更换一次,此时也可以测量收集罐的容量。

 

图表
图表是根据记录雨量计的机械鼓绘制的

翻斗式雨量计

翻斗
商业翻斗式雨量计。
图片来自于 Lambrecht GmbH

1622 年,英国设计师 Sir Christopher Wren 设计了第一个翻斗式雨量计。在降雨量达到某一特定的值后,此设备会在纸带上打孔。直到现在,这种翻斗式雨量计仍在广泛使用,但在记录降雨量和降雨时间时,该雨量计使用电子测量设备代替了纸带。

翻斗式雨量计记录在两个专门设计的翻斗中,其中一个翻倒的时间;当落到翻斗中的水达到某一数量(通常为 0.1 厘米或 0.1 英寸)时,翻斗就会翻倒。一个翻斗翻倒后,另一个翻斗会快速移动到相应的位置,以使雨水落到其中。翻斗每翻倒一次,就会将电子信号发送给与时钟相连的记录器。在大多数翻斗式雨量计中,水都是从底部排出的,因此不需要手动清空。实际上,不需要有任何人留守在气象站,就可以使用此设备确定某个时间段内的降雨量。除了解某个时间段内的降雨量外,了解其降雨强度也是很有帮助的。例如,一天 5 厘米的降雨量可能会安全地排放掉,但如果一小时的降雨量就达到 5 厘米,则很可能会导致山洪暴发。

图表



图表是根据翻斗式雨量计每天的平均降雨量绘制的。

 

翻斗式雨量计非常适合于测量小到中雨的降雨量。在下很小的阵雨时,翻斗中收集的雨量可能不足以使其倾倒,在翻斗中落入更多的雨水之前,已经收集的雨水可能会蒸发掉。在下特大雨(比如雷雨)时,雨水可能会在翻斗清空时继续落到翻斗里,而此时另外一个翻斗还未移动到位。结果会导致翻斗式雨量计对降雨量估计不足。此外,翻倒机械装置经常会被(通常是蜘蛛网)堵住,从而导致测量出现问题。此外,冰雹、雪、鸟巢、昆虫、蜘蛛网和树叶都可能会堵住漏斗,从而导致雨水溢出。因此,通常的做法是并排放置两个单独的雨量计,以便快速发现错误并加以解决。

秤重式雨量计

另一种雨量计就是秤重式雨量计。它由上面刻有刻度的容器组成。调整容器刻度,并测量所收集雨水的重量。

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