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气象监测工具主要通过多种传感器和观测设备，对大气状态进行实时、连续的测量，这些工具可以小到手持设备，大到卫星遥感，通常会从地面、高空和太空三个维度进行测量。
它们的测量原理和方式如下：
地面气象监测
这是最基础、最常见的测量方式,气象站里的百叶箱就是典型代表。
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温度与湿度
- 工具：铂电阻温度传感器、干湿球温度计、电子湿度传感器。
- 原理：温度传感器利用金属（如铂）的电阻随温度变化的特性来测温度，湿度传感器则通过高分子膜在吸湿后电容量变化，或者用干湿球温度差来推算湿度，它们通常被放置在百叶箱内,避免阳光直射和雨水干扰。
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气压
- 工具：空盒气压表、电容式气压传感器。
- 原理：将密封的真空金属盒抽空，当外界气压变化时，金属盒会收缩或膨胀，带动指针或改变电容值,从而测量气压。
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风向与风速
- 工具：风杯风速计（测速）、风向标（测向）、超声波风速仪。
- 原理：
- 机械式：风杯旋转速度与风速成正比；风向标指的地方就是风的来向。
- 超声波式：没有移动部件,通过计算超声波在顺风和逆风时传播的时间差来精准测风速和风向。
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降水量
- 工具：翻斗式雨量计、称重式雨量计。
- 原理：
- 翻斗式：雨水集满一个小斗（如0.1mm或0.5mm）就会自动翻倒，并记录一次次数,翻倒次数乘以单斗容量就是总降雨量。
- 称重式：直接称量收集到的雨、雪、冰雹的总重量,计算当量降水量。
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太阳辐射
- 工具：总辐射表、净辐射表。
- 原理：利用黑色感应面吸收太阳辐射，温度升高，通过与热电堆的温差产生电势,电势大小与辐射强度成正比。
高空大气探测
地面只能测到近地面的情况，要了解整个大气层的状态,需要用到高空探测工具。
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无线电探空仪（气象气球）
- 工具：携带传感器和无线电发射机的探空气球。
- 原理：气球上升到高空（可达30-40公里），传感器实时测量温度、湿度、气压，并通过无线电信号传回地面，通过GPS跟踪气球的飞行轨迹，还可以计算高空的风向和风速,这是每天天气预报最重要的数据来源之一。
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气象雷达
- 工具：多普勒天气雷达。
- 原理：雷达发射电磁波，碰到云、雨滴、冰雹等目标物后反射回来，根据回波返回的时间和强度，可以判断云在哪里、有多高、有多强（降雨强度），利用多普勒效应（目标物远离或靠近时频率会变化），还能判断降水粒子是往哪个方向运动，从而识别龙卷风旋转气流（中气旋）、下击暴流等危险天气。
太空遥感（气象卫星）
气象卫星可以从太空俯瞰全球大气，弥补海洋、沙漠等无人区的数据空缺。
- 工具：地球静止轨道卫星（如中国的风云四号、日本的向日葵系列）、极轨卫星（如风云三号、美国NOAA系列）。
- 原理：
- 可见光图像：类似太空相机，拍摄云图,但晚上无法工作。
- 红外图像：测量云层和地面的红外辐射，温度越高的物体看得越亮。晚上也能看，还能反演云顶温度,推测云的高度。
- 水汽图像：专门感受大气中水汽发出的辐射，可以观察到大气中看不见的水汽运动轨迹,对预测降雨和台风路径至关重要。
其他专项测量工具
- 气象能见度仪：通过发射近红外光，测量空气中悬浮颗粒（雾、霾、雨）对光的散射程度,计算能见度。
- 雷电定位系统：通过多个地面站接收闪电产生的电磁波信号,用三角定位法计算出闪电发生的位置。
- 天气现象仪：比如激光雨滴谱仪，用激光扫描识别通过测量区的雨滴大小、速度和形状，来判断是毛毛雨、大雨还是冰雹。
数据如何变成预报？
这些工具只是“眼睛”和“耳朵”，它们测量的数据（温度、气压、风速等）会通过通信网络传回气象中心的超级计算机，计算机将全球数百万个观测点数据代入数值天气预报模型（如WRF、ECMWF模型）中，求解复杂的物理方程,最后才能计算出未来几天的天气变化。
- 地面站告诉你现在家门口的温度。
- 探空气球告诉你高空的气流。
- 雷达告诉你雨下到了哪里。
- 卫星告诉你台风的整体样子。
把这四种数据结合起来,就是天气预报的基础。
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