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气象观测基础讲座卢会国luhuiguo@cuit.edu.cn028-8596625013980051688目录1.1气象观测与现代气象业务1.2气象观测发展简史1.3气象观测的分类1.4气象观测仪器的性能指标1.5时制和日界1.6气象观测的基本要求1.7观测业务人员的职业要求1.1气象观测与现代气象业务信息网络系统信息网络系统大气综合信息获取系统基本气象信息加工预测系统气象服务系统气象业务系统气象业务系统四大功能块结构示意图推动天气预报技术进展的四大因素大气探测技术的发展通讯技术的发展天气预报理论和经验模式的发展计算机技术的发展天气预报技术的发展是由大气探测、概念模式、动力学模式之间的互动所驱动的，以计算机技术和通讯技术的迅速发展为背景。现代天气预报的业务流程：观测-资料收集-分析-预报-分发7初值规律模式观测监测评估服务预报数据预警强有力的数据信息平台和客观预报平台是气象现代化水平的集中体现现象认识信息识别质量控制融合同化信息共享观测技术综合布局过程认识建立完善的数据支撑平台是气象科技创新不可或缺的重要内容建立先进的数值模式支撑系统是气象部门科技创新的核心任务优化融合现代天气预报的进步基础——观测系统观测技术是气象事业发展的基本驱动力，要最大可能地利用现代科学技术高效捕捉尽可能全面的气象信息——看得见不能瞎子建立有效的科学方法尽可能识别和挖掘可开发的真实气象信息——认得出不能文盲建立合理的资料融合方法，提高多种资料的综合应用水平，形成尽可能全面和完整的数据产品——用得上不能不作为——既是业务需求，也是科技需求1.2气象观测发展简史气象要素定量测量阶段：16世纪中叶高空大气探测发展阶段：20世纪20年代大气遥感探测发展阶段：20世纪40年代后期现代大气综合探测系统的发展气象要素定量测量阶段1593年，意大利伽利略（G.Galileo）发明气体温度表1643年，意大利托里拆利（E.Torricelli）发明水银气压表1662年,英国列恩（C.Wren）设计了雨量器1664年,法国巴黎天文台开始气象观测1667年,英国胡克（R.Hooke）制作了风压板1674年，英国波义耳（R.Boyle）制作了自记湿度计1706年，德国华伦海特（G.D.Fahrenheit）制作了酒精温度表1774年，瑞士德索修尔（H.B.desaussure）发明太阳温度表1802年，法国拉马克（Lamarok）提出云的分类法1820年，德国勃伦特斯（H.W.Brandes）绘制第一张等压线图1385年，中国南京北极阁司天台改为观象台，观天象，测风雨、物候和地震地磁，24小时观测。1669年迁至北京。1872年,中国上海徐家汇建立观象台，开始气象观测工作1912年,中国在北京成立中央观象台，1915年开始绘制天气图高空大气探测发展阶段十八世纪至二十世纪初，用风筝和气球进行气象探索性测量；1927年，法国布洛（R.Bureau)发明无线探空仪并进行首次有效的高空探测；1933年，德国谢尔哈格（R.Scherhag）开始绘制高空天气图，翌年用于日常预报；1940年开始测风雷达跟踪气球进行高空风探测前苏联、德国、法国、芬兰等国家都致力于研制无线电探空仪及其它高空探测技术，为高空大气探测事业开辟了新的途径。现代大气综合探测系统的发展1963年（WORLDWEATHERWATCH）WMO组织建立全球大气探测、信息传输和资料处理系统。1989年GAW（GLOBALATMOSPHEREWATCH）WMO组织开展对大气成分，如温室气体的观测。IGACO(IntegratedGlobalAtmosphericChemistryObservation)1990年GCOS（GLOBALCLIMATEOBSERVINGSYSTEM）第二次世界气候大会建议，1992年联合国环境和发展会议决定，建立全球气候观测系统，得到ICSU，UNESCO，WMO，UNEP等国际组织支持。2003年GEOSS(GlobalEarthObservationSystemofSystems)成立地球观测组织GEO（GrouponEarthObservation），通过宣言《建立全球一体化综合地球观测系统》,制定和实施全球对地观测系统计划，建立一个综合、协调和持续的全球对地观测系统。气象观测与大气科学发展在地面和高空观测基础上1711年德国Leibniz，提出气压变化理论1735年英国Hadley，提出早期环流、信风理论1898年挪威V.Bjerlnes，大气环流动力学理论1918年J.Bjerlnes创立Bergen学派，气旋模式，锋面学说1939年瑞典-美国Rossby，大气长波理论，创立芝加哥学派1945年美国实施雷暴研究计划1950年美国Charney等首次数值预报成功1950年英国Chapman提出大气分层名称和区别在卫星遥感和全球观测基础上1960s大气环流、热带动力学、行星波理论等理论发展1970sElNino和ENSO理论1974年WMO和ICSU提出气候系统概念1982年首次发现南极臭氧洞，气候变化观测事实和理论我国气象观测的发展概况《国务院关于加快气象事业发展的若干意见》（国发[2006]3号文件）国务院要求，各地区、各部门要高度重视气象工作，将气象事业纳入国民经济和社会发展规划及科技发展规划，并进一步细化加快气象事业发展的目标和要求，抓紧制定和落实各项具体措施，统筹安排，加强协作，促进气象事业全面、协调、可持续发展。《国务院关于加快气象事业发展的若干意见》（国发[2006]3号文件）2006年1月4日，在国务院常务会议审议《关于加快气象事业发展的若干意见》时，温家宝总理指出，到2020年，使气象整体实力接近世界先进水平，这个目标是积极的，通过努力也是可以达到的。但是需要具体化，因为这个文件是从指导思想、布局、总体方向上来定的，因此文件下去以后，不能停留在这个口号上，得把这些目标分解到四个系统，每个系统都达到什么水平，提出明确要求。为了实现这个目标，提出了四项工作。这四项工作实际上是实现长远目标的重要措施，也得把它具体化。战略目标建设具有“一流装备、一流技术、一流人才、一流台站”的世界先进水平的气象事业现代化体系，率先基本实现现代化，实现从气象大国到气象强国的跨越，为全面建设小康社会提供一流气象服务构建四大平台气候系统观测平台——地球观测系统最重要组成部分气象信息共享平台——国家气候信息汇总和分发中心公共气象服务平台气象科技创新人才培养平台——天气气候预测和气象服务的基础——气象事业发展的科技和人才支柱实施“八大工程”气象综合观测与信息网络系统工程气象灾害预警系统工程气候预测系统工程公共气象服务系统工程气候变化应对工程航空航天气象保障工程人工影响天气工程气象科技创新与教育培训工程国务院三号文件气象事业是科技型、基础性社会公益事业。改革开放以来，我国气象事业取得了长足发展，初步建立了天气、气候业务和科研体系，提高了气象监测、预报、预测和服务水平，在防灾减灾、经济建设、社会发展和国防建设中发挥了重要作用。但是，气象事业发展中还存在综合气象观测体系尚未形成，科技自主创新能力不强，预报预测水平亟待提高，气象灾害预警发布体系不完善等突出问题。为进一步加快气象事业发展，更好地为国民经济和社会发展服务，提出以下意见。一、充分认识加快气象事业发展的重要性和紧迫性二、加快气象事业发展的指导思想和奋斗目标三、加强气象基础保障能力建设四、发挥气象综合保障作用五、科学合理开发利用气候资源六、推进气象工作的法制、体制和机制建设国务院三号文件国务院三号文件加快综合气象观测系统建设综合气象观测系统是国家重要的公共基础设施，是气象和地球相关学科业务与科研的重要基础。要大力加强气候观测系统、气象卫星系统和天气雷达、雷电监测网、农村和重点林区及海域气象站网等基础设施建设，将其纳入经济社会发展规划，保证其稳定可靠运行，不断提高综合气象观测能力和水平。国务院气象主管机构要会同有关部门加强统筹规划，做到统一布局、共同建设。各省、自治区、直辖市要重点加强中小尺度区域气象观测系统建设，提高区域灾害性天气的监测能力。建设天地空一体化的观测体系实现气象观测业务现代化建设针对五大圈层（大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈）的气候观测系统成为地球观测体系的重要组成部分气象综合观测系统建设1.3气象观测的分类1.3.1直接测量和遥感测量直接测量：感应元件置于待测介质之中，根据元件性质的变化，得到描述大气状况的气象参数。包括现场测量和遥测方式遥感探测：根据电磁波在大气中传播过程中信号的变化，反演出大气中气象要素的变化。可以分为主动遥感和被动遥感两种方式。直接测量的核心问题是需要有传感器放置在测量的位置上进行测量，把对气象要素的测量转化为对传感器物理特性的测量，得到当时、当地气象要素的数值。所以，传感器的性能和所测量的结果能否反映气象要素的真实情况就成为直接测量的关键。遥感探测的核心问题是必须使用电磁波或其它波，所测量的是电磁波或其它波的特性，若想得到气象要素的分布，必须通过反演计算。反演：通过测量出电磁波的变化，反过来推算大气中气象要素的分布。遥感探测可以分为主动遥感和被动遥感。如果所使用的电磁波是由专用设备发射出的，称为主动遥感，如雷达。如果所接收的电磁波是由太阳、地球和大气系统发射的，探测设备只是被动地接收电磁波进行遥感探测，称为被动遥感，如太阳光度计、微波辐射计等。1.3.2地基、空基和天基气象观测气象观测按照传感器所处位置的不同又可以分为天基气象观测、空基气象观测和地基气象观测。传感器在中层大气之外（约100km高度以上）的为天基观测。传感器在地球表面以上、中层大气及以下的为空基观测。传感器在地球表面（陆面和海面）的为地基观测。1.3.3气象观测站气象观测站是承担气象观测业务的平台，是整个观测系统的基础。在气象业务体系中，气象观测站按功能分类，按业务要求分级，按观测资料应用组网。我国的国家级地面气象观测站分为：国家基准气候站，国家基本气象站和国家一般气象站。根据气象预报服务对观测资料应用的需要，承担同样观测业务的气象台站联系在一起，组成观测网。纳入观测网的气象观测站都要按统一规定进行编号，用字母和数字表示台站性质和序列号，并将台站的信息——元数据提交给观测网的信息中心。气象观测站要在统一规定的时间进行观测，所采用的时制为世界时UTC，天气观测站每天至少要在00、06、12、18UTC四个时次进行观测，对应于我国的时制（北京时）就是02、08、14、20点。我国气象观测业务规定中，有些台站需要增加到8次观测，即增加05、11、17、23点观测。观测站应当根据台站类型和相应的观测要求，安装和使用经过严格检定的仪器，采用恰当的观测程序和测量方法。所有观测站的同类仪器采用同样的架设方法，安装在同一高度，以保证观测结果是可比较的。所有的观测仪器必须符合业务标准，并定期进行检定，直接或间接与国家标准进行比对，以保证仪器的性能总是能够符合测量的要求。空基SPACE地基INSITE高空观测特种观测专业观测闪电观测廓线观测器测目测雷达测雨测风经纬仪测风人工遥测……GPS测风导航测风雷达风无线电探空自动站遥感飞机观测飞机遥测地基辐射计测水汽…...闪电定位卫星测臭氧闪电定位云图测风测雨测要素卫星测辐射辐射遥测臭氧探空农气辐射酸雨农业海洋环境掩星技术T、V廓线测风测温GPS/MET地基总水量卫星观测其它观测天气雷达观测地面观测•气象综合探测系统发展的基本特点以遥感手段特别是基于空间的卫星遥感技术为主要探测手段；以遥测手段特别是基于地基的遥测系统为综合探测的基准系统。一、我国综合气象观测系统现状156部新一代天气雷达、58部数字化雷达120个探空站（117个L波段、3个59-701）10部风