綜合氣象觀測系統

綜合氣象觀測是對地球氣候系統的大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈等五大圈層的物理、化學、生物特徵及其變化過程和相互作用開展長期、連續、系統的觀測。綜合氣象觀測系統是由地基、空基、天基氣象觀測系統有機結合、優勢互補構成的全面、協調和可持續的集成系統。其中，全面是指科學設計，科學佈局，全面獲取氣象及其相關信息，各類觀測數據融合處理，形成觀測產品，集約化發展；協調是指觀測業務各環節要協調發展，與現代氣象業務體系各業務之間要協調發展，也要與氣象科技創新體系、氣象人才體系協調發展；可持續是指觀測業務要連續、穩定、可靠運行，要加強觀測技術、觀測方法、儀器設備的研發和技術儲備，增強發展後勁。

《國務院關於加快氣象事業發展的若干意見》明確指出，“綜合氣象觀測系統是國家重要的公共基礎設施，是氣象和地球相關學科業務與科研的重要基礎。要大力加強氣候觀測系統、氣象衞星系統和天氣雷達、雷電監測網、農村和重點林區及海域氣象站網等基礎設施建設，將其納入經濟社會發展規劃，保證其穩定可靠運行，不斷提高綜合氣象觀測能力和水平”。 ^[2] 

綜合氣象觀測系統按照傳感器所處位置可分為地基觀測、空基觀測、天基觀測系統。地基觀測是指傳感器在地球表面的觀測，主要由地面氣象觀測、地基氣候系統觀測、地基遙感觀測、地基大氣邊界層觀測、地基中高層大氣和空間天氣監測、地基移動氣象觀測等組成；空基觀測是指傳感器在地球表面以上、中層大氣及以下的觀測，主要由氣球探測、飛機探測和火箭探測組成；天基觀測是指傳感器在中層大氣之外的觀測，主要由低軌衞星和高軌衞星以及相應的地面應用系統組成。

數據處理主要包括數據融合與質量控制，主要由國家、省、台站三級觀測數據質量控制體系、綜合氣象觀測數據質量監控平台、觀測數據與產品的評估系統、綜合數據庫和數據共享平台構成。

技術保障主要為觀測系統的正常業務運行提供技術支持保障服務。主要包括業務監控、計量檢定、維護維修、裝備供應等系統。

科研開發和人才培訓主要為提高觀測能力、確保觀測系統的可持續發展提供保證。主要包括，提供新設備及相應觀測方法，培養綜合氣象觀測隊伍各層次人員等。

經過多年的發展，我國已初步建立了地基、空基和天基相結合，門類比較齊全，佈局基本合理的綜合氣象觀測系統。

地基觀測系統主要由地面氣象觀測、地基氣候系統觀測、地基遙感探測、地基大氣邊界層觀測、地基中高層大氣和空間天氣監測、地基移動氣象觀測、地基氣象觀測運行監控和技術保障等組成。

（a）地面氣象觀測系統

截至2010年底，我國氣象部門共建有國家級地面氣象觀測站2418個，全部實現了基本氣象要素自動化觀測；另外各省還建成了區域加密氣象觀測站30347個，主要開展降水、温度和風向風速的觀測。

地面氣象觀測系統按所承擔的觀測任務和作用分為國家基準氣候站、國家基本氣象站、國家一般氣象站以及區域氣象觀測站。

國家基準氣候站根據國家氣候區劃以及全球氣候觀測系統的要求，為獲取具有充分代表性的長期、連續資料而設置的氣候觀測站，是國家氣候站網的骨幹。進行24次定時觀測（人工和自動），每小時上傳一次地面氣象觀測資料。

國家基本氣象站根據全國氣候分析和天氣預報的需要所設置的地面氣象觀測站，大多擔負區域或國家氣象信息交換任務，是國家天氣氣候站網的主體。每天定時進行8次人工觀測，每小時上傳一次自動站觀測資料。

國家一般氣象站主要是按省行政區劃設置的地面氣象觀測站，獲取的觀測資料主要用於本省和當地的氣象服務，也是國家天氣氣候站網的補充。每天定時進行3次人工觀測，每小時上傳一次自動站觀測資料。

區域氣象觀測站是為了滿足不同部門特殊服務的需要，或用於天氣氣候站網的空間加密而設立的氣象站，可以是人工觀測站或無人氣象觀測站。觀測項目和發報時次可根據需要而設定。

另外，近年來提出的國家氣候觀象台是開展長期、連續、基準和綜合觀測的氣象觀測站，並承擔綜合觀測試驗和科學研究任務。其建設以具有較好區域氣候觀測代表性、準確性，觀測環境得到長期保護的國家級氣象觀測站為目標。

（b）輻射觀測系統

截至2010年底，全國共有100個輻射觀測站，分為基準輻射站、一級站、二級站和三級站。根據不同的需求，開展太陽總輻射、散射輻射、太陽直接輻射、反射輻射和淨全輻射觀測等業務。

其中基準輻射站能夠長期自動監測幾種能反映氣候變化特徵的要素，作為我國的輻射測量基準並用於其他太陽輻射資料的校準，並同時具備高可靠性、高準確性、易維護、易備份等特點。

（c）風能觀測系統

風能是一種可再生的自然資源，儲量非常巨大，風力發電是風能利用的最重要形式。風能觀測是風能利用的基礎，風能觀測用來進行風能資源的評估，調查該地每年颳風的時間長短和強度，風能觀測的具體因子有風速、風向、風能密度和湍流度。

2009年全國由329座70米、68座100米和3座120米測風塔組成的風能觀測網，已全部建成，主要覆蓋西北、華北、東北以及東部沿海風能資源豐富地區，併兼顧其他具有風能資源開發潛力的內陸地區。

（d）地基雷電探測系統

雷電監測定位系統由探測儀、中心數據處理站、圖形顯示工作站、數據庫與網絡瀏覽服務器、通訊系統組成，其中探測站均為一體結構，放在野外場地，只需電源、通訊接入即可。

中國氣象局《國家閃電監測系統》規劃在全國範圍內建設350個雲地閃探測儀，截至2010年11月30日已建國家雷電觀測網觀測站301個。現已初步建立了國家雷電數據處理中心，進行定位處理，形成雷電監測產品和國家雷電數據庫，並將實時數據供全國共享。

（e）多普勒天氣雷達

用來探測大氣中降水區的位置、分佈、強弱及其變化的雷達稱為天氣雷達或測雨雷達。我國天氣雷達發展大體上經歷了從模擬天氣雷達、數字天氣雷達到多普勒天氣雷達三個發展階段。

到20世紀末，隨着國際天氣雷達技術發展的新趨勢和國家需求的增長，我國確定了發展新一代天氣雷達（即多普勒天氣雷達）的思路。新一代天氣雷達是研究雲和降水物理學、雲動力學，監測分析和預警中尺度災害性天氣最有效的工具之一。 在2009年5月國家發改委又批覆新增58部多普勒天氣雷達，使計劃在全國佈設的新一代多普勒天氣雷達數量達到了215部。目前2010年底，已經完成了168部新一代天氣雷達建設。

（f）風廓線雷達

風廓線雷達以晴空湍流作為探測目標，實現高頻度的三維測風，實現無球高空風探測。

國內風廓線雷達技術最早開發於20世紀80年代末，隨後一些研究單位和企業又相繼研製成功低平流層風廓線雷達、邊界層風廓線雷達，投入科學試驗和業務試用。到2010年10月底前，中國氣象局所屬部門已佈設33部風廓線雷達，用於業務試點、科研和應急觀測。其中，對流層風廓線雷達7部，固定邊界層風廓線雷達11部，移動邊界層風廓線雷達15部。風廓線雷達能夠提供以風場為主的多種數據產品。

（g）GPS/MET觀測系統

GPS/MET被稱為GPS氣象學，即通過測量穿過空間/大氣層的GPS信號的延遲來獲得大氣/空間環境中的各種參數，包括大氣温、壓、濕以及電離層等信息。以GPS接收機所在的位置可分為地基和空（天）基GPS/MET。

地基GPS/MET技術從20世紀80年代發展以來，伴隨GPS的快速發展，得到廣泛應用，技術日益成熟，已經從科學研究領域進入日常業務運行。

2009年，我國能夠接收到345個GPS/MET站點上傳的數據（包括外部門）。其中，列入中國氣象局業務考核的站點158個，實現對大氣的水汽含量及分佈的測量。

（h）微波輻射計

地基微波輻射計具有測量大氣水汽和雲液態水垂直積分量及分佈的能力。至今除了飛機探測以外，在測量雲垂直液態水總量（LWP）的方法中，被動微波遙感被認為是最精確的方法。

（i）移動氣象觀測

移動氣象觀測系統是根據氣象業務服務的需要，及時趕赴觀測現場，開展氣象觀測服務業務，具有機動性強、全天候綜合觀測的特點，以汽車、火車、船舶、飛機、氣球、飛艇等各種地面和空中的移動載體為觀測平台，配置多種氣象觀測儀器設備。

我國的氣象部門機動觀測系統正在發展之中。全國已初步建立了196套包括移動雷達、移動自動站、移動探空、移動風廓線儀和移動大氣成分觀測系統等應急移動探測系統，在應對突發氣象災害監測預警服務中發揮很大的作用。

（j）農業氣象觀測系統

農業氣象觀測是指對農業氣象要素和農業生產的對象和過程同時進行平行的觀察、測定和記載，主要包括農業氣象要素觀測，農業氣候觀測，農作物、牧草、畜禽、經濟林木發育期和生長狀況觀測，自然物侯觀測以及農牧業氣象災害觀測等。

近年來我國農業氣象業務得到較快的發展，但與當代農業和社會經濟發展的需求相比，觀測項目觀測儀器都不能滿足各地新農村建設的需求，對生態方面的業務觀測較為薄弱。

2009年，全國農業氣象觀測站653個，分國家一級和二級，主要集中組織對國民經濟影響較大的幾種作物（主要是糧、棉、油）、畜牧業和林業氣象的觀測。同時，截至2010年11月30日，全國已完成1333套自動土壤水分觀測儀的建設工作，初步形成全國自動土壤水分觀測網。

（k）大氣成分觀測系統

人類活動排放的各類大氣成分導致氣候變化，包括平流層臭氧減少、空氣污染、城市光化學煙霧、酸雨、二氧化碳增加引起全球變暖等，不但嚴重影響着國家經濟發展和人民生活質量，也是國際環境外交的重要議題。大氣成分觀測系統着眼於氣溶膠質量濃度，數濃度、吸收特性、散射特性、光學厚度等要素的觀測，增強對我國不同區域各類大氣成分，特別是對氣候和環境變化有重大影響關鍵大氣成分要素的長期、系統觀測能力，為我國氣候預測、預估以及區域大氣污染預報和控制提供基礎數據。

我國現已建成了4個大氣本底站，並正在新建3個大氣本底站，28個大氣成分觀測站，29個沙塵暴站，342個酸雨觀測站。其中我國的瓦里關全球本底站是全球24個全球大氣觀測系統（GAW）站點之一，建站以來取得顯著成果，在國際上具有較高影響。

（l）近地層通量觀測系統

通量是通量密度的簡稱，是一種物理學用語，指單位時間內通過特定界面單位面積所輸送的熱量（能量）、動量和物質等物理量的度量。近地層通量觀測系統是在不低於32 m的邊界層觀測鐵塔上、地表以及一定深度以下部分進行觀測，主要包括近地層大氣湍流脈動風、脈動温度、脈動濕度，多層氣温、濕度、風速、方向、土壤温度、土壤水分、土壤熱通量、地下水位，以及長、短波輻射等要素的觀測，為獲得湍流通量、土壤熱通量和輻射的通量提供基本數據資料。

長期以來，我國在世界CO₂、水和熱通量長期觀測網絡研究領域還是空白。2002年中國科學院開始創建中國陸地生態系統通量觀測研究網絡（ChinaFLUX），但目前我國氣象部門還沒有正式業務運行的通量觀測網絡。

（m）海洋氣象觀測

全球海洋觀測系統可以分為兩大組成部：:一類與大洋有關;另一類與近海有關。我國海洋部門已初步建成了由海洋觀測站、志願觀測船、浮標觀測、海洋調查船、全國海洋驗潮網、岸基測冰雷達、“中國海監”飛機組成的海洋監測系統，其中海洋環境觀測站73個，志願觀測船200多艘，我國的國際大洋觀測計劃（ARGO）浮標站17個。

目前我國海洋-大氣觀測分屬於氣象、海洋、漁業、海軍、石油等部門，缺乏統一的規劃；缺乏完整的觀測和科學數據共享體系；現有海洋站的平均站距(300多千米)分佈不均勻，特別是沿海經濟開發密集區中站點過於稀少。

中國氣象局發展海洋氣象觀測網，近期主要以近海為主。目前正在南海完善和建立海洋觀測，包括七大觀測體系，即綜合觀測基地體系；浮標陣列（包括Atlas，ARGO浮標、XBT）；風廓線雷達、GPS/MET體系；船舶走航觀測體系；高空、地面、雷達及自動氣象站觀測體系；衞星遙感監測體系；海島熱帶生態觀測體系。

空基觀測系統主要由氣球探測、飛機探測和火箭探測組成。

（a）氣球探測

我國有常規高空探測站120個（含1個單測風站），平均站距300 km左右，其中全球資料交換站87個，全球交換的高空氣候月報資料站14個，GCOS站7個。2002年我國開始用L波段探空系統替代59-701探空系統。截止2011年1月1日，全國已有119個探空站採用L波段雷達探空系統。

L波段探空系統基本實現了高空觀測跟蹤、接收、處理的自動化，業務運行可靠性好。

另外一種氣球探測系統為GPS探空系統，它採用高性能的傳感器和GPS測風技術。我國氣象事業總體規劃中將GPS探空系統確定為新一代探空系統，目前正在開展我國國產GPS探空系統樣機考核。

（b）飛機探測

飛機氣象觀測技術是20世紀60年代發展起來的新技術。我國開展飛機大氣探測始於1957年，到目前為止，僅用於人工影響天氣常規作業以及對酸雨和氣溶膠的少量觀測，項目單一，均為臨時或短期租用或調用，一直沒有一架專用有人飛機用作大氣綜合探測飛機實驗室平台。

中國氣象局從1993年開始了微型無人駕駛氣象探空飛機研製攻關項目，1994年底，自控微型飛機首次完成了自主飛行。我國氣象無人駕駛飛機開展了大氣物理探測（温度、濕度、氣壓、風向風速）、大氣化學探測（臭氧探測）、人工影響天氣作業等工作。

2001年底，中國氣象局與中國民用航空總局就我國實施飛機氣象資料下傳（AMDAR）項目事宜進行了協商，成立了一個由雙方成員組成的“AMDAR工作專家協調組”。到2008年底，每天大約有7800份左右的 AMDAR資料進入氣象數據庫。

（c）火箭探測

利用火箭將探測儀器或實驗裝備送到高空，測量或遙感大氣參數。探測高層大氣的火箭可分為氣象火箭和探空火箭兩類。國內已開發了探測高度達80千米的氣象火箭，目前僅用在國防科學實驗的氣象保障中。

我國早在20世紀70年代就開始發展氣象衞星，分別實現了極軌衞星和靜止衞星的業務化運行，是繼美國、俄羅斯之後第三個同時擁有極軌氣象衞星和靜止氣象衞星的國家。

（a）極軌氣象衞星觀測系統

極軌氣象衞星的特點是可以獲取全球資料、進行多種要素的綜合探測（大氣、海洋、陸地），但時間分辨率低。經過40年的發展，極軌氣象衞星在監測天氣、氣候和環境變化中的顯著作用和巨大的社會經濟效益，已在世界上得到公認。周恩來總理指出要發展我國自己的氣象衞星，並親自佈置了相關任務，從此開始了我國第一代極軌氣象衞星風雲一號（FY-1）的研製和發展工作。

風雲三號（FY-3）氣象衞星是我國第二代極軌氣象衞星，其探測性能比風雲一號衞星有顯著的提高，計劃發射試驗試用星2顆，業務系列星6顆，計劃使用到2020年。FY-3的01批衞星為試驗衞星，計劃發射2顆，01批第一顆A星在2008年5月27日發射，有“奧運星”之稱，01批第二顆B星也於2010年11月5日發射成功。02批6顆星為業務星，發射將在2010年以後，根據技術發展和應用需求，其中FY-3C、FY-3E、FY-3G為上午星，FY-3D、FY-3F、FY-3H為下午星。

（b）地球靜止氣象衞星觀測系統

20世紀80年代中國開始研製地球靜止氣象衞星和地面應用系統的設計與建設，第一代地球靜止氣象衞星定名為風雲二號（FY-2）。中國第一顆地球靜止氣象衞星FY-2A於1997年6月10日利用長征三號火箭在西昌衞星發射中心發射成功，由此開始了我國地球靜止氣象衞星在軌運行的時代，2004年我國發射了FY-2C星，2006年發射了FY-2D星，2008年成功發射了2C和2D星的姐妹星FY-2E星以備份，一旦有任何衞星出現問題，這顆備份星就會去接替。第二代靜止氣象衞星風雲四號初步預計2013年發射。

我國氣象業務運行的靜止氣象衞星是FY-2D和FY-2E兩顆星，FY-2C星已停止業務運行，由FY-2E星代替，與D星實現東西軌道位置佈局，不僅擴大了觀測範圍，也極大地提高了應急觀測能力。

綜合觀測保障系統包括運行監控、維護維修、探測裝備與物資供應、探測設備的計量檢定、探測設備的研發與技術保障等業務。

（a）綜合氣象觀測系統的運行監控

中國氣象局組織開發了綜合氣象觀測系統運行監控平台（ASOM），可為氣象台站、省級技術保障和業務管理部門、國家級技術保障和業務管理部門提供實時監控及保障的工作平台和管理工具。該平台分為市（縣）/台站級、省級和國家級3級業務平台，已在國家級應用，省級開始試點推廣。

（b）維護維修

氣象裝備維修維護體系逐步完善。台站開展了技術裝備運行狀態的現場監控和故障報告、一般性故障的判斷和維修、技術裝備的日常維護、保養等工作，地市級技術保障部門進行簡單故障的維修和運行保障，省級技術裝備保障部門進行業務設備的定期檢修和重大故障維修、技術支撐，初步形成了省、地（市）、縣相結合的維修維護體系，同時針對不同設備形成了不同保障模式，對於氣象專用設備，原則上以自身力量為主，社會力量為輔，對於通用設備發生的故障(如計算機、服務器等)主要藉助於社會力量(或供應商、廠商)維修。另外，國家級、省級維修維護能力也得到了加強。

（c）探測裝備供應

國家級、省級氣象技術裝備供應保障業務進一步完善，部分省實現了全省氣象技術裝備供應管理的集約化和一體化，氣象技術裝備供應的計劃、訂貨、庫存、調劑等各業務環節的管理進一步規範，基本實現了氣象裝備的保質保量儲備。

（d）計量檢定

基本建成了結構合理﹑功能齊全的國家級、省級氣象要素計量標準系統，2008年國家氣象計量站完成了“國家級空氣流速實驗室建設”，“國家級温度實驗室建設”，“國家級降水實驗室建設”，“國家級濕度實驗室建設” ，“國家級大氣壓力實驗室建設（7607活塞壓力計部分）”等五個基本建設項目，省級計量機構也開展了計量設備的升級改造，大幅提高了計量檢定的技術能力和自動化水平；鞏固和加強了國家級、省級授權的法定計量地位，保證氣象要素的量值傳遞和溯源；按照有關規範要求，完成了氣象系統內部氣象儀器儀表的計量檢定，同時積極開展授權要素在行業和社會的計量和測試工作，開展授權範圍內專業項目的計量管理和計量監督工作，對確保氣象技術裝備的精度和探測資料的可靠性發揮了重要作用。 ^[1] 

從總體上看，我國綜合氣象觀測能力與氣象防災減災和應對氣候變化的需求仍然不相適應，尚不能滿足增強公共氣象服務能力和提高預報預測準確率不斷髮展的需求，主要表現在：綜合氣象觀測能力和穩定可靠性有待提高，精度高且能長期穩定運行的基準氣候觀測系統亟待建立，氣候系統多圈層相互作用監測能力薄弱，海洋氣象觀測和資料收集能力亟待加強，地面氣象觀測的自動化程度有待提高，專業氣象觀測能力相對較弱；觀測系統的頂層設計薄弱，站網布局的科學性有待增強；部分新建觀測系統投入大，但軟硬件發展不平衡，業務應用效益低；觀測系統的標準化和觀測質量控制亟待加強，多種觀測數據綜合應用水平亟待提高；裝備保障體系不健全，技術保障能力薄弱；觀測儀器和方法自主研發能力薄弱，觀測設備國產化率低；觀測環境惡化狀況日益嚴重；觀測隊伍總量大素質低，高層次人才嚴重不足；觀測系統的管理相對滯後，體制機制有待完善。 ^[1] 

氣象觀測是人們認識大氣現象和氣候變化的手段，氣象觀測信息和數據是開展天氣預警預報、氣候預測預估及各類氣象服務、科學研究的基礎，是推動氣象科學發展的原動力。

綜合氣象觀測系統是現代氣象業務體系的重要組成部分，是提升公共氣象服務能力和提高氣象預報預測準確率的重要基礎。其作用主要表現在以下六個方面。

我國是世界上氣象災害最為嚴重的國家之一，災害種類多，分佈地域廣，發生頻率高，造成損失重。為了有效防禦和減輕所造成的損失，提高應對突發公共事件應急的氣象保障能力，迫切需要實現對氣象災害的綜合、立體、連續觀測，提高對氣象災害的監測能力。

氣候和氣候變化導致人類生存條件的變化，這不僅是科學問題，更是世界各國政府共同關注的政治問題、經濟問題和外交問題。為了深化對氣候變化事實和規律的科學認識，推進氣候變化綜合影響評估工作，減少或消除有關氣候變化的不確定性，增強對全球氣候變化和極端氣候事件的監測能力，提高對氣候變化的定量描述和預估水平，制定適應和減緩氣候變化的對策及措施，需要開展代表性好、精度高、長期穩定運行的基準氣候監測，並對氣候系統多圈層（大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈）及其相互作用進行長期連續觀測。

提高預報預測準確率和精細化水平是氣象預報預測業務的核心。為了建立滿足公共氣象服務需求的各類氣象預報預測業務系統，提高預報預測準確率和精細化水平，提供均一性更好、時間序列更長的觀測資料，需要建立時空佈局精細、合理的觀測站網，以獲取陸地氣象服務區、天氣氣候敏感區和關鍵區及海洋地區的高精度、高準確度、及時、穩定、可靠的觀測數據，提高綜合氣象觀測系統能力。

我國正處在全面建設更高水平小康社會的重要歷史時期，經濟越發展，氣象條件對各行業特別是天氣氣候敏感行業的影響越大，氣象服務在國民經濟各行各業發展中的作用越來越重要，地位越來越突出，要求越來越高。農業、交通、航空、航天、水利、環境、電信、電力和能源等行業對各類專業氣象觀測的需求日益增強。

多年來，我國的綜合氣象觀測系統參與觀測數據的國際交換，為全球氣象預報服務業務作出了重要貢獻，成為全球觀測系統不可或缺的重要組成部分。近年來，由包括世界氣象組織（WMO）在內的多個國際組織和國家發起實施了許多地球觀測計劃，旨在將現有及新建的各類觀測系統集成一體，相互協調，共享觀測數據和信息，以提高觀測系統的效益。中國作為參與國承擔了相應的責任和義務，這也對我國的綜合氣象觀測系統建設提出了新要求。

氣象觀測是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、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，增強氣象觀測能力，是發展大氣科學的重要措施。