天氣傳真圖與微電腦

從中央氣象台播送到各地的天氣圖傳真訊息，通常是由短波無線電收音機接收後，再由傳真顯像機（facsimile）在圖紙上顯示出來。其顯像原理與電視相似，一幅畫面是由許多掃描線組織構成的，但掃描速度極慢，一張傳真天氣圖約需15∼20分鐘始能完成，而一幅電視畫面的掃描只需1/25秒鐘的時間。

傳統的天氣圖傳真設備，包括接收機與顯像機，約值八千美元，花費甚昂，加上以後的維修及圖紙經費等，一般民眾或業餘團體很難負擔得起這筆龐大費用。慶幸的是目前私人電腦已甚普及，而且市面上已有許多短波無線電收音機，其中備有單邊帶（singlside-band）者可資利用。這兩種基本設備，一般中上學生已甚普及使用，只需加上一個簡單的訊息轉換器（convertor）將音頻改成電壓，輔以軟體程式處理，便可在螢光幕上顯像。這種顯像系統在氣象科學研究上及氣象教育普及上具有重大的實用價值。使用者若置有極高頻（VHF）或超高頻（UHF）接收器，則同樣能接收到氣象衛星的訊息，並將其轉為傳真圖片。

傳真圖之播送

一個地區或國家之中央氣象局在繪妥各類天氣圖後，通常經由短波無線電方式播送到次級氣象站，以供預報員分析及預測之用。在播送時，天氣圖是妥置於直徑15.2公分，長度56公分之圓筒上，並以固定之速度轉動，其轉速有每分鐘120轉的，也有每分鐘240轉的。筒面上方有一光感電阻（light dependent resistor）聚焦鏡，從圓筒左邊向右邊緩慢移動，在此過程中，圖片上灰暗不同程度的點線影像經由聚焦鏡的光感電阻轉換成1500Hz（白色）至2300Hz（黑色）之音頻。這些音頻訊號再由播送台以短波頻率發射出去。當接收機收到這些訊息後，將音頻轉換成相應的電壓，在圖紙上顯像，這是圖像傳真的原理。

從上述之傳真原理，吾人可知圓筒的轉速與聚焦鏡之移速，在收、發兩端是必須密切配合的，也即是說必須保持同步作用（syncronization）。為了不使圖片變形而拉長或擠縮，通常規定天氣圖傳真的協調指數（index of co-operation, I. O. C.）為576。這個指數是由掃描長度（length of the scanning line）L，及掃描密度（scanning density）D兩個因素決定的。所謂掃描長度，是指圓筒的周長，而掃描密度是指聚焦鏡在圖片上方移動時，每單位距離內之掃描數。協調指數與掃描長度及掃描密度之間的關係可由下式表示：

I.O.C.=L.D/π式中π為常數值3.1416，通常在每分鐘120轉的天氣傳真圖裡，L值為47.75公分，D值為每公分38線，因此協調指數是576。

若非特別增設圖像調節器，在許多私人電腦類型裡，macintosh的協調指數約為530，算是最接近標準數（576）的一種。Apple ∥及IBM-PC的協調指數約為290左右，若用此兩機繪製天氣傳真圖，必須將其縱向掃描擠縮一半，即是說在每秒鐘的兩次掃描線裡，只選一條掃描線，或是將兩條掃描線重疊成一條掃描線，否則的話，螢光幕上顯示的圖片將會拉長一倍左右。

天氣圖傳真從播送端到接收端之簡要過程如圖一所示。圖中所示實線箭頭部分為傳統的作業程序，虛線箭頭部分為本文將介紹的電腦作業程序。

為了讓讀者對天氣傳真圖有一基本認識，以日本無線電公司出品之JAX－29S傳真機，所錄繪之天氣圖（見圖二）做一簡單說明。原圖約為38cm×45cm，是1986年十二月四日國際時間零時北太平洋區之地面天氣分析圖。從圖中可見，中國大陸正籠罩在一個範圍甚廣的高氣壓之下，日本北海道附近有一個溫帶氣旋向東北方向移動，而菲律賓東方海面有一熱帶氣旋（中心氣壓925mb）正向西北方向移動。

利用電腦繪製傳真天氣圖

利用電腦繪製傳真天氣圖，必備的儀器包括私人電腦及單邊帶短波無線電收音機，此兩者對一般中上學生而言，已甚普及。此外還需自製一具傳真轉換器（fax converter），將收音機收到的傳真音頻轉換成電壓，然後輸入電腦之遊戲出入口（game I/O）。轉換器之線路，讀者可參考圖三及圖四自製應用。前者製造簡單，取材方便而且價格低廉；後者較為複雜，是採用相位鎖定環晶體（PLL），以壓控振盪器（VCO voltage control oscillator）來調整輸入訊息。從理論上而言，後者之精確度較前者高，但讀者可先從圖三之參考線路著手，取其省時而且容易製造，有了入門經驗之後，再進行試用圖四之轉換器。

上述兩種轉換器是將1500∼230OHz之無線電音頻轉換分成高低電壓，即＋5－V（代表白色或2300Hz）與O-V（代表黑色或1500Hz）。因此在螢光幕上顯示的是黑白分明的圖像。

軟體程式

電腦之軟體程式在這整個傳真圖顯像過程中，是最重要的一環。它的功用是多方面的：一、它分辨從遊戲出入口輸來的電壓值以決定黑白訊息，並在一條掃描線裡摘取適量的訊息點數（pixels），保持同步作用；二、整理這些點訊並將其擺在電腦暫存記憶（RAM）中之適當位置，俾便在螢光幕上以高解析繪圖（high resolution graphic； HRG）方式顯像；三、當相位失真（out of phase）時，由手控方式調整相位。

軟體程式的第一個功用，是在每分鐘120條掃描線，即每半秒鐘一條掃描線裡，摘取適量點數（如Apple ∥之最高橫向顯像點數為280點），程式必須在摘取兩個點訊間保持固定時距，這樣才能與播送端之掃描速度維持同步作用。這個時距包括取訊、處理及顯像時間。以Apple ∥機為例，兩個點訊間之時距約為1.8/1000秒。因為程式是用機械語言編寫，其運算速度相當快捷，應付時距間所要求的工作負荷量綽綽有餘的，還必須利用「暫候」方式以消磨剩餘下來的時間空檔，直至下一個取訊時間來臨。

其第二功用，是將取到之點訊擺在電腦暫存記憶的適當位置裡，以便在螢光幕上繪圖顯像。在Apple∥之暫存記憶裡，＄2000至＄2300的記憶位置是專為高解析繪圖而設的。將取來的點訊正確地擺在為繪圖而預留的暫存記憶位置，這部分工作占了機械語言程式很大的篇幅。

第三個功用，是在圖片相位失真時，可由手控方式在鍵盤上打入「←」號，使相位線向左移一固定距離，每次打入一個「←」號，相位線向左調整一些，直至相位線移至螢光幕最左端為止。若非如此，則傳真圖片會因失相而被分割成兩半：原本在左邊的圖片卻在右邊顯像，而原本在右邊的圖片卻在螢光幕左邊顯像了。

軟體程式之流程如圖五所示，而實際之Apple機械語言程式（6502），則因篇幅所限，不容詳列（有興趣之讀者，可向作者索閱）。

為要驅動機械語言程式，需利用簡短之BASIC程式驅動，以指示電腦利用高解析繪圖，同時指明機械語言在電腦記憶的位置。此BASIC驅動程式附列如下：

§LIST

10 D＄＝CHR＄（4）

20 PRINT D＄, "BLOAD FAXTD. OBJO" 

30 HGR

40 POKE 49234,0

50 CALL 16384

接收機與天線

市面上現今可資利用的短波收音機（必須附有單邊帶）包括Sony ICF-7600D、Sony ICF-6800W及Philips Model 2900等。當然，更高檔的接收機市面也可購得，全賴使用者之消費能力而定。筆者認為上述所列機型，對業餘者言，已能提供滿意的接收訊息供繪製天氣傳真圖了。

至於接收天線的選擇，筆者舉列兩種：一為T形天線，一為變阻天線。前者效果較佳，而且經濟便宜，可以自製，缺點在於它必須面向發射台，所需平面空間較大。後者效果普通，但所占空間較少，且能適用各頻道之短波接收。

以香港及其附近地區而言，經常能收到的無線電天氣傳真圖，是來自東京及台北。此兩地氣象台所用之短波無線電頻率在3300Hz∼2300kHz之間。分別列表如下，供讀者參考選用：

東京　　　　　　　　　   台北

3,365    3,622 　　　　　　14,445

5,405    7,305 　　　　　　14,685

9,438    9,970 

13,597  14,692 

18,130  18,220

 22,770

由於電離層高度與厚度隨時間而變化，而且附近環境的干擾，商用或民用短波無線電通訊亦可能造成傳真圖接收上的困難。在一特定的時間裡，並非每個頻道都能接收清楚，因此操作人員必須憑其長期的工作經驗，選定適當的發射台站及頻率，以期得到最清晰的接收效果。據筆者之經驗，晚間宜用較低的短波頻率（3300∼10000kHz），早晨至中午一段時間用10000∼16000kHz，下午至傍晚則用13000∼23000kHz。

程式尚待改善

圖六所示為1986年三月二十四日從台北收到之中央社傳真新聞，圖七為1986年三月十九日從東京傳送之天氣傳真圖。從這兩幅圖看來，圖片的解析度未能令人滿意，因為一般蘋果機的螢幕顯像，一條掃描線最多只能顯示280點而已，若能多加一個介面卡，使其顯像力增至1024點，則解析度必然增高許多。若讀者有興趣的話，也可嘗試改寫附錄一之軟體程式，使之適用於IBM-PC（顯像力為每線640點）或macintosh（顯像力為每線512點，其所得圖片效果理應較蘋果機為佳。

摩飛（T. Moffat）所編寫用於Microbee機之軟體程式，在實際應用上有些困難；特別是在訊息較或有雜音地區，可能導致軟體程式的自動調相功能失準，而使掃描線位移。此外，整幅圖片是儲存於電腦之暫存記憶裡，在接收完一幅圖片後始打印在印字機上，他的程式不能即收即現，必須等待15∼20分鐘後始能有成果展現。在這段時間內，由於訊息強度或清晰度的改變，或其他因素的影響，可使調相失靈，未必有把握收到一張理想的圖片。

蘇克（K. H. Sueker）所編寫用於蘋果機之軟體程式則較理想，可直接在螢幕上見到掃描顯像的實況，但亦有些缺點，在調相的手段上不夠靈活，而且其螢幕顯像較真實圖片拉長許多。筆者在本文所附之程式，旨在改進上述兩者之缺點，但仍有許多地方尚待改進：

一、應加上真時時鐘（real-time-clock），以代替利用微電腦機本身的振動頻率計算時間。因為在取訊之時距及掃描線間之時距，常因程式的多種自動化功能而有長短之別。這在短期之內不致造成重大的同步問題，但長期而言，若超過十分鐘後，便可發現圖片之相位將向一個方向慢慢位移，若不再次調相，圖片難得完整。

二、採用較大記憶之微電腦機，如IBM-PC，俾能儲存多幅圖片，並在作業完畢時，將這些圖片存入磁碟上，以便此後隨時取用，而且圖片資料得以長期保存。

若上述兩點能夠得到改善，不但使天氣圖的接收達到電腦化與自動化之境地，傳統的傳真圖作業有可能因此而革新，進而轉變成快速、經濟、簡便、普及的氣象教育工具。

參考資料

1. K. H. Sueker, Apple FAX： weather maps on a video screen, BYTE（ June Issue）, p. 146、151, 1984.

2. T. Moffat, Print weather maps with your Microbee using our “picture plucker” facsimile decoder, Electronic Today International （September Issue）, p. 92∼98, 1983.

3. The ARRL Handbook for the Radio Amateur, Published by the American Radio Relay League, Newington, CT. USA. 06111,（Chapter 33, Antenna Projects）, 1985.

徐勝一任教於香港中文大學地理系；楊錦榮任職於香港中文大學地理系

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