氣象觀測
| 氣象觀測 |
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中文名: 氣象觀測 外文名: meteorologicalobservation |
氣象觀測，是研究測量和觀察地球大氣的物理和化學特性以及大氣現象的方法和手段的一門學科。 主要有大氣氣體成分濃度、氣溶膠、溫度、濕度、壓力、風、大氣湍流、蒸發、雲、降水、輻射、大氣能見度、大氣電場、大氣電導率以及雷電、虹、暈等。從學科上分，氣象觀測屬於大氣科學的一個分支。它包括地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感探測和氣象衛星探測等，有時統稱為大氣探測。由各種手段組成的氣象觀測系統，能觀測從地面到高層，從局地到全球的大氣狀態及其變化。[1]
目錄
簡介
氣象觀測，是研究測量和觀察地球大氣的物理和化學特性以及大氣現象的方法和手段的一門學科。 主要有大氣氣體成分濃度、氣溶膠、 溫度、濕度、壓力、風、大氣湍流、蒸發、雲、降水、輻射、大氣能見度、大氣電場、大氣電導率以及雷電、虹、暈等。從學科上分，氣象觀測屬於大氣科學的一個分支。它包括地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感探測和氣象衛星探測等，有時統稱為大氣探測。由各種手段組成的氣象觀測系統，能觀測從地面到高層，從局地到全球的大氣狀態及其變化。
地面氣象觀測
地面氣象觀測的定義應為：利用氣象儀器和目力，對靠近地面的大氣層的氣象要素值，以及對自由大氣中的一些現象進行觀測。
地面氣象觀測的內容很多，包括氣溫、氣壓、空氣濕度、風向風速、雲、能見度、天氣現象、降水、蒸發、日照、雪深、地溫、凍土、電線結凍等。在大氣館中我們會向氣象愛好者介紹一些基本的觀測項目。
地面氣象觀測的許多項目都是通過固定在觀測場內的各種儀器進行的，所以氣象站的站址和觀測場地的選擇以及維護，儀器的安裝是否正確，都對資料的代表性、準確性和比較性有極大的影響。
高空氣象觀測
測量近地面到30公里甚至更高的自由大氣的物理、化學特性的方法和技術。測量項 目主要有氣溫、氣壓、濕度、風向和風速，還有特殊 項目如大氣成份、臭氧、輻射、大氣電等。測量方法以氣球攜帶探空儀升空探測為主。觀測時間主要在北京時7時和19時兩次，少數測站 還在北京時1時和13時增加觀測，有的測站只測高空風。此外其他不定時探測內容有2公里以下範圍的大氣狀況的邊界層探測、測量特殊項目的氣象飛機探測和氣象火箭探測等。
氣象衛星探測
在衛星上攜帶各種氣象觀測儀器測量諸如溫度、濕度、雲和輻射等氣象要素以及各種天氣現象，這種專門用於氣象目的的衛星稱作氣象衛星。按衛星軌道分，氣象衛星可以分為兩類：（1）極地太陽同步軌道衛星：其衛星的軌道平面與太陽始終保持相對固定的取向，衛星幾乎以同一地方時經過世界各地。
（2）地球同步氣象衛星，又稱靜止氣象衛星。衛星相對某一區域是不動的。因而由靜止氣象衛星可連續監視某一固定區域的天氣變化。
根據氣象衛星的目的還分為試驗衛星，主要對各種氣象衛星遙感儀器、新的技術進行試驗，待試驗成功後轉到業務氣象衛星上使用業務衛星，這種衛星帶有各種成熟的設備和技術，獲取各種氣象資料，為天氣預報和大氣科學研究服務。
觀測系統
一個較完整的現代氣象觀測系統由觀測平台、觀測儀器和資料處理等部分組成。
觀測平台
根據特定要求安裝儀器並進行觀測工作的基點。地面氣象站的觀測場、氣象塔、船舶、海上浮標和汽車等都屬地面氣象觀測平台；氣球、飛機、火箭、衛星和空間實驗室等，是普遍採用的高空氣象觀測平台。它們分別裝載各種地面的和高空的氣象觀測儀器。
觀測儀器
經過三百多年的發展，應用於研究和業務的氣象觀測儀器，已有數十種之多，主要包括直接測量和遙感探測兩類：前者通過各種類型的感 應元件，將直接感應到的大氣物理特性和化學特性，轉換成機械的、電磁的或其他物理量進行測量，例如氣壓表、溫度表、濕度表等；後 者是接收來自不同距離上的大氣信號或反射信號，從中反演出大氣物理特性和化學特性的空間分布，例如氣象雷達、聲雷達(見聲波大氣 遙感)、激光氣象雷達(見激光大氣遙感)、紅外輻射計(見紅外大氣遙感)等。這些儀器廣泛應用了力學、熱學、電磁學、光學以及機械、 電子、半導體、激光、紅外和微波等科學技術領域的成果。此外，還有大氣化學的痕量分析等手段。氣象觀測儀器必須滿足以下要求：①能夠適應各種複雜和惡劣的天氣條件，保持性能長期穩定。②能夠適應在不同天氣氣候條件下氣象要素變化範圍大的特點，具有很高的靈敏度、精確度和比較大的量程。此外，根據觀測平台的工作條件，對觀測儀器的體積、重量、結構和電源等方面，還有各種特殊要求。
資料處理
現代氣象觀測系統所獲取的氣象信息是大量的，要求高速度地分析處理，例如，一顆極軌氣象衛星，每12小時內就能給出覆蓋全球的資料，其水平空間分辨率達1公里左右。採用電子計算機等現代自動化技術分析處理資料，是現代氣象觀測中必不可少的環節。許多現代氣象 觀測系統，都配備了小型或微型處理機，及時分析處理觀測資料和實時給出結果(見氣象資料處理)。
氣象觀測網
氣象觀測網是組合各種氣象觀測和探測系統而建立起來的。基本上分為兩大類：①常規觀測網。長期穩定地進行觀測，主要為日常天氣預報、災害性天氣監測、氣候監測等提供資料的觀測系統。例如由世界各國的地面氣象站（包括常規地面氣象站、自動氣象站和導航測風站）、海上漂浮（固定浮標、飄移浮標）站、船舶站和研究船、無線電探空站、航線飛機觀測、火箭探空站、氣象衛星及其接收站等組成的世界天氣監視網（WWW），就是一個規模最大的近代全球氣象觀測網。這個觀測網所獲得的資料，通過全球通信網絡，可及時提供各國氣 象業務單位使用(見氣象情報傳輸)。此外，還有國際臭氧監測網、氣候監測站等。②專題觀測網。根據特定的研究課題，只在一定時期內開展觀測工作的觀測系統。例如20世紀70年代實施的全球大氣研究計劃第一次全球試驗(FGGE)、日本的暴雨試驗和美國的強風暴試驗的觀測網，就是為研究中長期大氣過程和中小尺度天氣系統等的發生髮展規律而臨時建立的。
組織氣象觀測網要耗費大量的人力和物力。如何根據實際需要，正確地選擇觀測項目，恰當地提出對觀測儀器的技術要求，合理地確定儀器觀測取樣的頻數和觀測系統的空間布局，以取得最佳的觀測效果，是一項重要的課題。
氣象觀測重要性
氣象觀測是氣象工作和大氣科學發展的基礎。由於大氣現象及其物理過程的變化較快，影響因子複雜，除了大氣本身各種尺度運動之間的相互作用外，太陽、海洋和地表狀況等，都影響着大氣的運動。雖然在一定簡化條件下，對大氣運動作了不少模擬研究（見大氣運動數值試驗）、大氣運動模型實驗，但組織局地或全球的氣象觀測網，獲取完整準確的觀測資料，仍是大氣科學理論研究的主要途徑。歷史上的鋒面、氣旋、氣團和大氣長波等重大理論的建立，都是在氣象觀測提供新資料的基礎上實現的。所以，不斷引進其他科學領域的新技術成果，革新氣象觀測系統，是發展大氣科學的重要措施。
氣象觀測記錄和依據它編發的氣象情報，除了為天氣預報提供日常資料外，還通過長期積累和統計，加工成氣候資料，為農業、林業、工業、交通、軍事、水文、醫療衛生和環境保護等部門進行規劃、設計和研究，提供重要的數據。採用大氣遙感探測和高速通信傳輸技術組成的災害性天氣監測網，已經能夠十分及時地直接向用戶發布龍捲、強風暴和颱風等災害性天氣警報。大氣探測技術的發展為減輕或避免自然災害造成的損失提供了條件。
我國的氣象觀測現狀
人工觀測逐漸轉為自動觀測，觀測自動化水平不斷提高；新一代天氣雷達在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會等重大活動氣象保障中作用凸顯；「風雲二號」F星準確定位颱風登陸地點……氣象部門打造的地基、空基、天基觀測網，在防災減災、應對氣候變化等方面發 揮了重要作用。
氣象部門將綜合氣象觀測網分為地基、空基、天基觀測等三部分，地基觀測主要包括地面氣象觀測和天氣雷達等地基遙感觀測，空基觀測主要包括L波段探空系統觀測，天基觀測主要是氣象衛星觀測。我國的綜合氣象觀測系統在觀測能力、規模、密度等方面已經達到世界先 進水平。我國2423個國家級地面氣象觀測站全部建成自動氣象觀測站，溫度、濕度、氣壓、風速、風向等基本氣象要素實現了觀測自動化，觀測頻率達到分鐘級，我國的地面氣象觀測能力已達到世界先進水平。2020年 4月1日，地面氣象觀測自動化改革從全國試運行正式切換調整為業務運行 ，這意味着我國地面氣象觀測告別人工觀測，進入全面自動化的新時代。（除應急情況外）
截至2020年，我國建設區域自動氣象站超過6萬個，平均間距20公里左右，鄉鎮覆蓋率達88.6%，顯着提升了氣象災害監測預警能力。
其中，自動化觀測頻次較人工觀測約增加4倍至8倍，觀測數據傳輸用時由分鐘級優化至秒級，數據採集流程以不落地方式直傳至省級；地面氣象觀測自動化數據在國、省兩級數據環境實時落地，作為業務數據接入MICAPS平台，並在實況監測、預報預警等業務中得到普遍應用。這也保證了現有預報服務業務平穩順暢，觀測數據上傳頻次、傳輸速度、數據量顯着提升。
中國氣象局從上世紀90年代中期開始規劃新一代天氣雷達網，經過10多年建設，已在重點防汛區、暴雨多發區和沿海、省會城市建設178 部新一代天氣雷達，在人口聚居地的覆蓋率達90%左右。新一代天氣雷達實現6分鐘一次數據實時傳輸和全國及區域聯網拼圖，提高了颱風、暴雨、冰雹等災害性天氣的監測、預報、預警能力，在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會和新中國成立60周年等重大活動的氣象保障中發揮了重要作用。
在專業氣象觀測方面，氣象部門建設了93套氣溶膠質量濃度觀測系統，實現全國所有省會和副省級城市的全覆蓋；建成2000多個自動土壤水分觀測站，覆蓋國家規劃的800個糧食主產縣；在瓦里關、上甸子、龍鳳山、臨安和香格里拉等5個大氣本底站建成溫室氣體在線監測系統，初步形成溫室氣體在線觀測網；建成1000多個交通氣象觀測站，334個雷電觀測站，58部風廓線雷達，16個空間天氣站。
7星在軌穩定運行格局形成
目前，氣象部門已在陸地上建設了高密度氣象觀測網，但是陸地只占地球表面的十分之三，地球表面的十分之七是海洋，對于海洋氣象資料的獲取，僅依靠海洋浮標和遠洋船航線的觀測是遠遠不夠的，還存在大部分觀測空白區。氣象衛星觀測資料可有效彌補海洋觀測的空白區，在數值預報中發揮了非常重要的作用。
目前，我國已形成7顆衛星在軌穩定運行的業務布局，包括4顆靜止衛星和3顆極軌衛星，形成了「多星在軌、統籌運行、互為備份、適時 加密」的業務運行模式，成為與美國、歐盟並列的同時擁有靜止和極軌兩個系列業務化氣象衛星的三個國家（地區）之一。
2012年發射的「風雲二號F星」具備機動的區域觀測能力，可實現6分鐘一次區域加密觀測，對颱風登陸的準確定位發揮了重要作用。目前，「風雲三號」極軌衛星實現上、下午星組網觀測，成功完成技術升級換代，全球觀測時間分辨率從12小時提高到6小時，探測資料有效 提高了數值天氣預報準確率。「風雲四號」靜止衛星正在研製中，預計在「十二五」期間發射。我國氣象衛星的技術水平、運行穩定性和壽命、應用能力等都有了重大突破，接收和利用風雲系列衛星資料及產品的用戶已超過2500個，遍及亞洲、歐洲、美洲、非洲、大洋洲等70多個國家和地區。
天基觀測是未來觀測的主導，儘管我國氣象衛星的研製水平已處於國際先進行列，但對氣象衛星資料的應用能力和國際上還有一定的差距，仍要加強對資料的應用，不斷提高氣象衛星資料應用水平。
高空氣象觀測系統成功升級換代
原來的探空系統使用的設備簡稱為「59701」，即1959年設計的機械式探空系統。現在，氣象部門採用電子探空系統，探測的精度、時間 和空間分辨率更高。
如今，氣象部門已完成全國120個高空氣象觀測站的裝備統一和升級換代，實現從機械探空到電子探空、從人工觀測到自動觀測的根本轉 變。
探空系統升級換代後，觀測自動化程度明顯提高，勞動強度大大減輕，每次觀測值班人員由四人減少到兩人，觀測數據獲取能力從每分鐘5到8組提高到53組，觀測精度和質量顯着提高。現在的高空觀測資料和產品非常豐富，為雲霧物理結構分析、人工影響天氣作業提供了更加精細化的觀測數據支撐。
在觀測裝備上，我們本着使用一代、研製一代、規劃一代的原則，不斷向前推進。下一代探空設備是基於衛星導航系統的，主要有美國全球定位系統和我國的北斗衛星導航系統。如今，基於衛星導航系統的探空設備已基本具備業務應用能力。
研究簡史
大氣中發生的各種現象，自古以來就為人們所注意，在中外古籍中都有較豐富的記載（見大氣科學發展簡史）。但在16世紀以前主要是憑目力觀測，除雨量測定（至遲在15世紀之前已經出現）外，其他特性的定量觀測，則是17世紀以後的事。用儀器進行氣象觀測，經歷着三個重要的發展階段。
16世紀末到20世紀初，是地面氣象觀測的形成階段。1597年（有說1593年）意大利物理學家和天文學家伽利略發明空氣溫度表，1643年E.托里拆利發明氣壓表。這些儀器以及其他觀測儀器的陸續發明，使氣象觀測由定性描述向定量觀測發展，在這階段發明的氣壓表、溫度表 、濕度表、風向風速計、雨量器、蒸發皿、日射表等氣象儀器（見地面氣象觀測儀器），為逐步組建比較完善的地面氣象觀測站網和對近地面層氣象要素進行日常的系統觀測提供了物質基礎。並為繪製天氣圖和氣候圖，開創近代天氣分析和天氣預報等的研究和業務提供了定量的科學依據。
20世紀20年代末至60年代初，是由地面觀測發展到高空觀測的階段。隨着無線電技術的發展，出現了無線電探空儀，得以測量各高度大氣的溫度、濕度、壓力、風等氣象要素，使氣象觀測突破了二百多年來只能對近地面層大氣進行系統測量的局限。到40年代中期，氣象火箭把探測高度進一步抬升到100公里左右，同時氣象雷達也開始應用於大氣探測（一部氣象雷達能夠對幾百公里範圍內的雷暴分布和結構連 續地進行探測）。這些高空探測技術的發展，使人們對大氣三維空間的結構有了真正的了解。
60年代初以來，氣象觀測進入了第三個階段，即大氣遙感探測階段。它以1960年4月1日美國發射第一顆氣象衛星（泰羅斯1號）為主要標 志。大氣遙感不僅擴大了探測的空間範圍，增強了探測的連續性，而且更增加了觀測內容。一顆地球同步氣象衛星可以提供幾乎1/5地球範圍內每隔10分鐘左右的連續氣象資料。