氣象觀測

氣象觀測

氣象觀測，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。測量和觀察的內容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（見彩圖），能觀測從地面到高層，從局地到全球的大氣狀態及其變化。

簡介

空基觀測

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，經歷著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）義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。隨著無線電技術的發展，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套用於大氣探測（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）為主要標誌。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。

觀測系統

氣象觀測

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，套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)、雷射氣象雷達(見雷射大氣遙感)、紅外輻射計(見紅外大氣遙感)等。這些儀器廣泛套用了力學、熱學、電磁學、光學以及機械、電子、半導體、雷射、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，其水平空間解析度達 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)。

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，通過全球通信網路，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畫第一次全球試驗(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。

作用

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，都影響著大氣的運動。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、氣鏇、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髮的氣象情報，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。