下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
气象观测是气象工作和大气科学发展的基础。由于大气现象及其物理过程的变化较快，影响因子复杂，除了大气本身各种尺度运动之间的相互作用外，太阳、海洋和地表状况等，都影响着大气的运动。虽然在一定简化条件下，人们对大气运动进行了不少模拟研究和模型实验，但组织局地或全球的气象观测网，获取完整准确的观测资料，仍是大气科学理论研究的主要途径。历史上的锋面、气旋、气团和大气长波等重大理论的建立，都是在气象观测提供新资料的基础上实现的。所以，不断引进其他科学领域的新技术成果，革新气象观测系统，是发展大气科学的重要手段。
气象观测记录和依据它编发的气象情报，除了为天气预报提供日常资料外，还通过长期积累和统计，加工成气候资料，为农业、林业、工业、交通、军事、水文、医疗卫生和环境保护等部门进行规划、设计和研究，提供重要的数据。
采用大气遥感探测和高速通信传输技术组成的灾害性天气监测网，已经能够十分及时地直接向用户发布龙卷风、强风暴和台风等灾害性天气警报。大气探测技术的发展为减轻或避免自然灾害造成的损失提供了条件。
气象观测，是研究测量和观察地球大气的物理和化学特性以及大气现象的方法和手段的一门学科，主要观测有大气气体成分浓度、气溶胶、温度、湿度、压力、风、大气湍流、蒸发、云、降水、辐射、大气能见度、大气电场、大气电导率以及雷电、虹、晕等。从学科上分，气象观测属于大气科学的一个分支，它包括地面气象观测、高空气象观测、大气遥感探测和气象卫星探测等，有时统称为大气探测。由各种手段组成的气象观测系统，能观测从地面到高层，从局地到全球的大气状态及其变化。
气象部门将综合气象观测网分为地基、空基、天基观测三部分：地基观测主要包括地面气象观测和天气雷达等地基遥感观测，空基观测主要包括L波段探空系统观测；天基观测主要是气象卫星探测。
（1）地面气象观测。地面气象观测是利用气象仪器和目力，对靠近地面的大气层的气象要素值，以及对自由大气中的一些现象进行观测。地面气象观测的内容很多，包括气温、气压、空气湿度、风向风速、云、能见度、天气现象、降水、蒸发、日照、雪深、地温、冻土、电线结冻等。
（2）高空气象观测。高空气象观测是测量近地面到30 km甚至更高的自由大气的物理、化学特性的方法和技术。测量项目主要有气温、气压、湿度、风向和风速，还有特殊项目如大气成分、臭氧、辐射、大气电等。测量方法以气球携带探空仪升空探测为主。观测时间主要在北京时间7：00时和19：00时两次，少数测站还在北京时间1：00时和13：00时增加观测。此外，其他不定时探测内容有2 km以下范围的大气状况的边界层探测、测量特殊项目的气象飞机探测和气象火箭探测等。
（3）气象卫星探测。气象卫星探测是在卫星上携带各种气象观测仪器测量诸如温度、湿度、云和辐射等气象要素以及各种天气现象，这种专门用于气象目的的卫星称作气象卫星。按卫星轨道分，气象卫星可以分为两类：①极地太阳同步轨道卫星，其卫星的轨道平面与太阳始终保持相对固定的位置，卫星几乎以同一地方时经过世界各地；②地球同步气象卫星，又称静止气象卫星，卫星相对某一区域是不动的，因而由静止气象卫星可连续监视某一固定区域的天气变化。根据气象卫星的目的还有一种试验卫星，主要对各种气象卫星遥感仪器、新的技术进行试验，待试验成功后转到业务气象卫星上使用业务卫星，这种卫星配备有各种成熟的设备和技术，获取各种气象资料，为天气预报和大气科学研究提供服务。
一个较完整的现代气象观测系统由观测平台、观测仪器和资料处理等部分组成。
（1）观测平台。根据特定要求安装仪器并进行观测工作的基点。地面气象站的观测场、气象塔、船舶、海上浮标和汽车等都属地面气象观测平台；气球、飞机、火箭、卫星和空间实验室等，是普遍采用的高空气象观测平台。它们分别装载各种地面的和高空的气象观测仪器。
（2）观测仪器。应用于研究和业务的气象观测仪器有数十种之多，主要包括直接测量和遥感探测两类。前者通过各种类型的感应元件，将直接感应到的大气物理特性和化学特性，转换成机械的、电磁的或其他物理量进行测量，例如气压表、温度表、湿度表等；后者是接收来自不同距离上的大气信号或反射信号，从中反演出大气物理特性和化学特性的空间分布，例如气象雷达、声雷达、激光气象雷达、红外辐射计（见红外大气遥感）等；这些仪器广泛应用了力学、热学、电磁学、光学以及机械、电子、半导体、激光、红外和微波等科学技术领域的成果。此外，还有大气化学的痕量分析等手段。气象观测仪器必须满足以下要求：①能够适应各种复杂和恶劣的天气条件，保持性能长期稳定；②能够适应在不同天气气候条件下气象要素变化范围大的特点，具有很高的灵敏度、精确度和比较大的量程；此外，根据观测平台的工作条件，对观测仪器的体积、重量、结构和电源等方面，还有各种特殊要求。
（3）资料处理。现代气象观测系统所获取的气象信息是大量的，要求高速度地分析处理，例如，一颗极轨气象卫星，每12 h内就能给出覆盖全球的资料，其水平空间分辨率达1 km左右。采用电子计算机等现代自动化技术分析处理资料，是现代气象观测中必不可少的环节。许多现代气象观测系统，都配备了小型或微型处理机，能及时分析处理观测资料和实时给出结果。
气象观测网是组合各种气象观测和探测系统而建立起来的，基本上分为两大类。
（1）常规观测网。长期稳定地进行观测，主要为日常天气预报、灾害性天气监测、气候监测等提供资料的观测系统。例如由世界各国的地面气象站（包括常规地面气象站、自动气象站和导航测风站）、海上漂浮（固定浮标、飘移浮标）站、船舶站和研究船、无线电探空站、航线飞机观测、火箭探空站、气象卫星及其接收站等组成的世界天气监视网，就是一个规模最大的近代全球气象观测网。这个观测网所获得的资料，通过全球通信网络，可及时提供各国气象业务单位使用。此外，还有国际臭氧监测网、气候监测站等。
（2）专题观测网。根据特定的研究课题，只在一定时期内开展观测工作的观测系统。例如20世纪70年代实施的全球大气研究计划第一次全球试验、日本的暴雨试验和美国的强风暴试验的观测网，就是为研究中长期大气过程和中小尺度天气系统等的发生发展规律而临时建立的专题观测网。
组织气象观测网要耗费大量的人力和物力。如何根据实际需要，正确地选择观测项目，恰当地提出对观测仪器的技术要求，合理地确定仪器观测取样的频数和观测系统的空间布局，以取得最佳的观测效果，是一项重要的课题。
我国已初步形成了天基、空基和地基相结合，门类比较齐全，布局基本合理的现代化大气综合观测系统。截至2012年底，我国建设区域自动气象站4．6万个，平均间距20 km左右，乡镇覆盖率达88．6％，2 423个国家级地面气象观测站全部建成自动气象观测站，温度、湿度、气压、风速、风向等基本气象要素实现了观测自动化，观测频率达到分钟级，120多个高空探测站、440多个雷达站、7颗在轨卫星、5万多个自动监测站、600多个农业监测站、300多个雷达站、90多个酸雨监测站，逐天逐小时甚至逐分逐秒地记录着各种各样的大气现象。我国的综合气象观测系统在观测能力、规模、密度等方面已经达到世界先进水平。
中国气象局从20世纪90年代中期开始规划新一代天气雷达网，经过多年建设，已在重点防汛区、暴雨多发区和沿海、省会城市建设193部新一代天气雷达，在人口聚居地的覆盖率达90％左右。新一代天气雷达实现6 min一次数据实时传输和全国及区域联网拼图，提高了台风、暴雨、冰雹等灾害性天气的监测、预报、预警能力。
在专业气象观测方面，气象部门建设了93套气溶胶质量浓度观测系统，实现全国所有省会和副省级城市的全覆盖；建成2 000多个自动土壤水分观测站，覆盖国家规划的800个粮食主产县；在瓦里关、上甸子、龙凤山、临安和香格里拉5个大气本底站建成温室气体在线监测系统，初步形成温室气体在线观测网；建成1 000多个交通气象观测站，334个雷电观测站，58部风廓线雷达，16个空间天气站。
目前，气象部门已在陆地上建设了高密度气象观测网，但是陆地只占地球表面的十分之三，地球表面的十分之七是海洋，对于海洋气象资料的获取，仅依靠海洋浮标和远洋船航线的观测是远远不够的，还存在大部分观测空白区。气象卫星观测资料可有效弥补海洋观测的空白区，在数值预报中发挥了非常重要的作用。目前，我国已形成7颗卫星在轨稳定运行的业务布局，包括4颗静止卫星和3颗极轨卫星，形成了“多星在轨、统筹运行、互为备份、适时加密”的业务运行模式，成为与美国、欧盟并列的同时拥有静止和极轨两个系列业务化气象卫星的三个国家（组织）之一。2012年发射的“风云二号F星”具备机动的区域观测能力，可实现6 min一次区域加密观测，对台风登陆的准确定位发挥了重要作用；“风云三号”极轨卫星实现上、下午星组网观测，成功完成技术升级换代，全球观测时间分辨率从12h提高到6h，有效提高了数值天气预报准确率；2016年12月11日零时11分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射“风云四号”卫星（01星），这不仅意味着中国未来的天气监测与预报预警将更为准确，而且也代表着中国在气象卫星这一高端领域已经达到世界先进水平，“风云四号”卫星是由中国航天科技集团公司第八研究院（上海航天技术研究院）研制的第二代地球静止轨道（GEO）定量遥感气象卫星，采用三轴稳定控制方案，接替自旋稳定的“风云二号”卫星，在功能和性能上实现了跨越式发展，“风云四号”卫星的辐射成像通道增加为14个，覆盖了可见光、短波红外、中波红外和长波红外等波段，接近欧美第三代静止轨道气象卫星的16个通道，可为天气分析和预报、短期气候预测、环境和灾害监测、空间环境监测预警，以及其他应用提供服务；2017年9月25日，“风云四号”卫星正式交付用户投入使用，标志着中国静止轨道气象卫星观测系统实现了更新换代。
经过“十二五”期间的气象现代化建设，上海综合气象观测系统得到快速发展，观测站网效益得到有效提升，基本建立了地基、空基和天基相结合，门类比较齐全，布局基本合理的大气热力学、动力、化学观测以及城市边界层观测系统，实现了基本气象要素从人工向自动观测的转变，实现了以地面、高空观测为主向地面、高空、天气雷达、气象卫星观测协同发展的转变，实现了以固定为主、机动为辅的观测方式，为发展上海现代气象业务、构建气象现代化体系奠定了良好的基础。
截至2017年底，上海全市基本建立了门类比较齐全，布局基本合理的大气热力学、动力、化学观测以及城市边界层观测系统。在地面气象观测方面，上海共建成了260个自动气象站，地面气象观测站网空间间距达到郊区5～6 km、市区4km；各郊区云、能、天自动化观测改造全部完成；在重大装备站址和各郊区气象台站设有天气实景观测系统27套。在雷达气象观测方面，建成国内先进的青浦多普勒天气雷达，完成南汇雷达双偏振多普勒技术升级改造，成为国内第一部业务化使用的S波段双偏振多普勒天气雷达。在城市边界层观测方面，上海市共建成10部大气边界层风廓线雷达，组成较完善的边界层风廓线观测网；利用郊区各区电视塔和横沙岛风能测风塔建成了10个100 m的多层梯度气象观测系统；初步建立了由2部激光雷达和5部云高仪组成的城市边界层垂直结构观测网；布设了由2部集成红外气体分析仪和超声风速仪、2部四分量辐射观测仪组成的辐射、水热通量观测网。在环境气象观测方面，建有11个环境气象多要素不等的观测站、1个臭氧探空站、2个酸雨观测站、5个负氧离子站、1个花粉站和3个温室气体站等。在卫星遥感气象观测方面，建成了包括X/L极轨卫星接收系统、MTSAT接收系统、FY2E自主接收系统和CMACAST转发小站共4套业务系统；整合了华东区域地基GNSS/Met网超过200个站点，站点平均分辨率为50～100 km，长三角地区分辨率可达10～15 km。在海洋气象观测方面，建成（含共享站）由40个海岛自动气象观测网、10个海洋浮标观测网、4个船舶自动气象站、4个波浪观测站、14个潮位站、7个温盐流站等组成的海洋气象观测网。在移动气象观测方面，建成5部移动气象观测系统和应急卫星通信系统，除常规移动观测外，具备移动天气雷达、移动风廓线雷达和天气实景观测等。另外，初步同步建立了主要高速公路重点路段交通气象观测网和针对迪士尼等旅游气象专业观测网，建成了覆盖全市的全雷电闪电定位系统和地面大气电场观测网。