[個人寫作]從雨量計到現代雨量預報－安宅正路

圖片：雨量收集測試容器(參考康軒版國小三年級自然教材做設置)以及歌德式晴雨計(氣壓計，賽先生科學工廠產品，在十九世紀晴雨計曾作為航海預估降雨即將發生的重要儀器)。

圖片：雨量收集測試容器(參考康軒版國小三年級自然教材做設置，由於沒有下雨，因此改以人工澆水做測試)。原則上只有透明並且口徑保持一致的容器比較適合做為雨量器。

作者：嚴融怡

現今，在台灣國小三年級自然與生活科技課程所給小朋友操作測試的雨量收集容器其實主要依循了十五世紀以來，雨量收集測量的幾個重要基準，包括雨量收集容器必須是上下口徑一致(截面積保持一致)的平底直筒容器；這樣才能夠達到雨水高度收集一致，並且每一段單位時間收集雨水不受容器大小變化影響的情形。必須在空曠的地方收集雨水，比較不會被樹幹或枝葉所遮蔽影響量值。以及理想狀態當中，一塊面積不大的局部地區即使放在空地上的各個容器截面積不一樣，但是收集到的雨水高度會是相同的。(這一部分其實在真實的天氣情形仍有可能受到各種天候的干擾，包括收集雨水如果正好是在局部性雷陣雨雨區的邊界地帶，那就有可能收集到不一樣的雨水高度。或是遭遇到大風，也可能影響各個雨量收集容器所對於雨水的收集。

雖然世界上針對雨量的觀測可能可以追溯自上古時期，例如公元前1000年周朝初年的『小史掌邦國之志』當中，就曾計載各地旱澇的大致情況。約於公元前七世紀齊國的管仲以地下水位量測來作為旱澇的準則。公元前五世紀，已出現古希臘針對降雨的觀察紀錄。以及公元前三世紀，秦始皇下令制定要求全國各地上報雨澤的制度。但直到1247年，宋代數學家秦九韶，才開始研究雨量的計算。在他所撰寫的《數書九章》當中，列舉了「天池測雨」和「圓翟測雨」等方法。「圓瞿」和「天池」雖然都是當時已經出現的量雨工具。但這些量雨容器比較類似普通的盛水容器，其中保存至今的古代圓瞿看起來很像是一個甕形的容器，其實設計十分不完善，但仍可以算是雨量器的雛形。秦九韶在計算雨量時也首次使用了平均的概念，將所測的雨水換算成平地雨量，這是很有概念的想法，也是最早進行雨量計算法的研發者。但我們現今所習慣使用的高度量值，則要等到十五世紀。古代中國雖然從秦朝以來，具有長期上報雨澤的觀測傳統和雨量計算的理論。但是，一般日行的測雨用具卻比較接近日常使用的容器，而沒有真正適合的專用雨量器。這一點，在明朝時期開始有了重要的改變。明朝時期，李氏朝鮮引進了中國上雨澤和測雨量的方法，並由當時酷愛度量量測的朝鮮世宗大王下令研製雨量器。公元1441年，朝鮮發明了可能是世界上最早的圓筒形雨量器(和我們現今所使用的雨量器類似，只是不是透明的)。朝鮮《世宗實錄》卷九三，卷九六上。記有當年申報製作雨量器的文件。這是一個長二尺、徑八寸的鐵質雨量器，並被安置在書雲觀台上受雨，隔年(1441年)推廣普及朝鮮全國並且統一規格。這也是世界上最早採用統一規格雨量器的降水監測網。不過根據部分文獻指出，明朝正統七年（1442年，也就是同一年）中國也出現了相似的標準銅製雨量器，也因此圓筒形雨量器到底是由朝鮮人所研發後傳回中國，或是由中國所研發再傳至朝鮮，這方面仍有爭議。但可以知道的是朝鮮的雨量器至今仍然完好保存在博物館當中。而中國的明朝後來卻因為長年戰亂，有不少古代器物現今仍然需要持續做找尋和研究。然而，無論如何，我們仍然要肯定古代中國在雨澤制度上所對於世界雨量研究的重要早期貢獻。

圖片：格里農雨量測定儀 Udomètre de Grignon (gravure publiée en 1877)(圖片引自維基共享資源)，在這個測定儀的規格當中沿用了1722年霍斯利的設計。和今日類似的配置：包括一組漏斗與量筒。密閉的漏斗設計可以減少雨量採收時的潑濺損失。

圖片：以虎克定律聞名於世的羅伯特‧虎克(Robert Hooke)也是最早的翻斗式雨量計的合作設計者之一。

歐洲在古希臘羅馬時期結束後，由於歷經了很長的中世紀黑暗時期。因此雨量計的發展也因而受到延滯。但是在文藝復興至科學啟蒙時代的發展卻相當迅速。1662年，克里斯托弗·雷恩(Christopher Wren)與羅伯特·虎克( Robert Hooke)合作，在英國創製了世界上第一個翻斗式雨量計( 或譯為傾斗式雨量計，tipping-bucket rain gauge)。虎克還設計了一個帶有漏斗的手動壓力表，在整個1695年進行了測量。翻斗式雨量計直至現今仍為重要的雨量計類型，它是利用重力原理，當計量傾斗裝載標稱容量(Nominal volume)的雨水後，藉由本身重量所發生的力矩翻倒自動排水，並以另一側之傾斗繼續接替盛裝雨量。在雨量計發展的早期，其實仍有不少的設計是採用容積測量的方式。但是現代雨量計的定型(完全以高度作觀測)主要是誕生於1722年，由英國人霍斯利(Rev. Mr. Horsley, Widdrington Northumberland)所設計製造。測量者可藉由量筒上的刻度，直接觀察雨量的高度變化，而省去了稱量雨水容積的不便。此後雨量計的發展持續而多元。現今氣象學上的降雨資訊大致包括了降雨量、降雨強度、降雨時間與空間分布歷程等主要的關鍵數據。

十八、十九世紀時期，科學家透過許多數據的累積研究，因而發現了大氣壓力和降雨之間的關係。當時也因而研發了很多氣壓方面的儀器，包括各式較為複雜的機械式氣壓計或是簡易的歌德式氣壓計這類的氣壓測定儀器。其中一個重要的佼佼者是路辛維蒂(Lucien Vidi)，他發明了歌德式氣壓計(Goethe barometer，又譯為歌德式晴雨計)以及另一個沿用至今更常被運用在日常生活和航海當中的盒式氣壓錶(aneroid barometer)。盒式氣壓錶是由多層金屬薄片組成的盒子所構成，盒式氣壓錶可藉由多層的盒子組成來提高偵測靈敏度。氣壓增高時盒子受擠壓，氣壓降低時盒子向外膨脹，並且將體積變化藉由機械結構傳遞到指針上。它的最大優點是易於攜帶，並且由類似鐘錶的指針也很容易讀取數值。但它和歌德式氣壓計一樣的缺點是會受溫度的影響。現代的盒式氣壓錶，內部常藉由特殊的合金以及盒子的構造組合來設法排除溫度熱脹冷縮的測量誤差。但溫度仍然是影響盒式氣壓錶重要的誤差因子。

圖片：盒式氣壓錶的一種(圖片引自維基共享資源)

在路辛維蒂的同一時期，科學家已經觀察到當晴天時期大氣壓力通常比較高，而雨天時期大氣壓力通常比較低。這在二十世紀，這一現象的解釋則更為明確，也就是高氣壓通過時比較容易造成下沉氣流而維持晴天，而低氣壓則往往帶來空氣的上升對流和降雨。當氣壓持續上升時，天氣通常會逐漸好轉；而當氣壓持續下降時，天氣則會逐漸轉變為陰雨；而當氣壓維持穩定不變時，則天氣將維持現狀。然而，當實際運用時，氣壓應對降雨情形的變化仍然是非常繁複的。例如冷鋒通過時常可造成局部區域強大的雨勢，但氣壓的變化卻是先降後升的。

1821年，紐約商人威廉‧瑞德菲德(William C. Redfield)在強烈颶風侵襲美國東岸後，藉由實地的踏勘旅行發現了康乃狄克州被吹倒的樹木朝向西北方，但在麻州的樹木則倒向東南方，瑞德菲德證明颶風的風向可在短短的110公里範圍內有180度的大轉彎。之後經過10年的研究，瑞得菲德完成了歷史上第一個有關颶風風向轉變與路徑關係的研究，颶風的暴風並不是一團混亂，而是循序漸近地沿著暴風路徑前進的巨大旋風，同時會發生逆時針的迴轉現象。此後美國氣象學家詹姆士‧艾斯皮(James P. Espy)進一步研究指出這類颶風的上升熱氣流抵達特定高度之後會釋放出潛藏的熱量，並形成雲朵。這一系列的研究也正式給予颶風『氣旋』(cyclone)這樣的名稱。對於熱帶氣旋的研究熱潮也帶動天氣圖的大量繪製以及更多地面氣象站站點的建立。隨著越來越多氣象站站點的降雨資料，也為越來越多的水文分析提供基本資料，這給了水文學領域的洪水模式研究也提供了平均降雨、降雨－逕流模式和其他水文參數的全新資源(晚近以來，有效累積雨量的數值甚至也是土石流是否發生和是否給予警報的重要參數；雖然直接以雨量來推估土石流仍存在許多誤差，但由於雨量資料的取得相對而言比較方便，並且雨量資料所涵蓋的範圍較廣泛。因此世界各國有不少土石流的災害預報仍是以雨量作為重要的參數依據 )。

而如果我們有更多又更詳盡的氣象觀測數據，或許就能夠有機會展開氣象預報了，無論是在晴雨天或是在降雨量的部分。最早有這樣的構想並且付諸實行的便是費茲羅伊(Robert FitzRoy，他也曾是載著達爾文進行物種觀察的小獵犬號的船長)。1850年代，費茲羅伊將一些軍艦裝上了風速、氣壓、溫度與濕度的測量儀器，並在航海時同時記錄這些資料，並據此繪製了新型海圖，用來預測未來幾星期到數月內的風力情況。1859年英國大風暴造成一系列的海難，費茲羅伊透過手邊的大量數據，映證風暴來臨前，英國會有多個地方氣壓偏低，而且溫度會特別乾熱。他同時建設了24個氣象站，並透過電報將最新資訊傳回倫敦。他根據天氣圖上氣壓等值線的疏密情形來判斷風力大小，並設計了暴風信號標。對船艦發佈暴風雨可能產生的重要訊息。這也是天氣預報的濫觴！

二十世紀初，富萊‧理查森(Lewis Fry Richardson)構想了大型的天氣預報工廠的概念，認為每一臺電腦都可以負責特定的運算工作，之後再加以結合演算成果，便可提供精確的天氣預報。此後，氣象數值的整合運算和預報確實就一直都朝這方向在前進。然而，氣象預報無論是雨量預報或是極端天氣如颱風的預報，都存在高度的變異性，自愛德華‧羅倫茲(Edward Lorenz)證明氣象變化其實具有混沌性質以來，科學家也已知道無論各類氣象數據的收集和偵測再怎樣日益精確，包括人造衛星技術和航空遙測技術發展以來，人類已有越來越多高空方面的數據，我們仍然必須面對氣象當中永遠會存在的某些測不準的變異因素可能產生。

參考資料與相關閱讀：

1.雨量計的發展歷程 https://read01.com/oeojQj.html

2.讀科普釋水文：雨量計的發展史 http://www.sohu.com/a/232839664_99985685

3.Rain gauge https://en.wikipedia.org/wiki/Rain_gauge

4.Barometer https://en.wikipedia.org/wiki/Barometer

5.BBC MAGAZINES LIMITED編著。HOW DO WE KNOW…28堂探索世界奧祕的科學必修課。紅樹林出版社。141-147頁。

6.105年度天氣分析與預報研討會相關投影片資料。

7.探索氣象觀測工作【下課花路米 073】https://www.youtube.com/watch?v=GsvFF6XSiuQ

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