[科普中国]-全球观测系统

概念

全球观测系统是指世界天气监视网的主要组成部分，包括在地球表面进行的测量，由气球和火箭携带探空仪深入到大气中进行的探测，以及向下俯视的卫星系统。地面观测属于“天气学”的综合观测——在全球所有地区于同一时闷以同一方式进行。2

结构特点全球观测系统，包括三个世界气象中心(华盛顿、莫斯科、墨尔本)和若干个区域气象中心及国家气象中心。除广泛充实地面和高空观测网外，所有空白地带，不论陆地或海洋，都设立了自动气象站。3

全球观测系统，实际上由所有国家参与的台站提供每3小时或6小时一次的气压、温度、湿度、风、降水、天气状况、云和能见度的基本测量。有些台站，大多在飞机场提供每小时一次的观测以及突变天气的特殊报告。经由世界气象组织(WM0)制定的合作协议中，许多地面天气站被指定来作区域和全球的分析和预报。另有一些站根据需要被指定来满足国家的需要。对地面以上直至15～20000米的大气中的温度、风、湿度和气压状况的观测是由气球携带的无线电探空仪进行的，它们将数据从其传感器传送回地面站。全球约有1000个站被指定来进行高空温度、湿度和气压的测量，每天至少1次；有时2次(00或12世界时)或4次。国际上一致认同的全球和区域高空资料需求略大于现有的高空站网观测。这些高空资料对于飞机驾驶员绘制航线图和决定燃料需求量有直接好处。为了为区域和全球尺度数值预报模式提供初始场，这些资料对于确定当前大气状况也都是十分重要的。2

长期目标全球观测系统的长期目标有：

①改进和优化全球系统，从而能最有效和高效率地观测大气和海洋表面状态，不断提高天气分析、预报和警报的精度，为世界气象组织计划以及其他相关国际组织计划开展的气候和环境监测活动服务。

②为观测技术和规范的必要标准化作准备，包括区域网络的规划，以满足用户在质量空间和时间分辨率、长期稳定性方面的需求。

观测子系统类型①地面观测子系统

全球观测系统的地面观测子系统由全球各国的10965个地面观测台站组成，其中1973年我国提供了207个地面站参加全球交换。地面台站大多数进行每小时观测(最少也要进行3h观测)，观测的气象要素主要有气压、气温、相对湿度、风向和风速。其中的4000多个台站组成了世界气象组织的6个区域基本天气观测站网，其中我国提供了381个地面站参加区域交换。区域交换台站的观测资料均通过全球电信系统进行实时的交换，部分地面台站还是全球气候观测系统地面观测网的观测站。

②高空观测子系统

全球观测系统的高空观测子系统是由900多个探空站完成的，其中1973年我国提供了89个高空站参加全球交换。探空站通过负载于上升气球上的无线电探空仪进行地面至高空30km的温、压、湿、风的观测。有2/3以上的台站是在世界时00点和正午12点进行探空观测，有100多个台站每天进行一次探空观测。在北大西洋海区，有15艘船通过“自动化船载高空探测计划(ASAP)”来进行无线电探空。

③海洋观测子系统

全球观测系统的海洋观测子系统平台包括船舶、固定浮标、漂流浮标和固定平台。近些年来，环境卫星探测大大丰富了海洋信息资料的来源。船舶观测主要是由世界气象组织自愿观测船计划(VOSP)组织进行，观测的要素与岸基观测站的相同，包括海表面温度、浪高和波浪周期等。全球大约有7000只观测船，其中40%左右的船舶在任意指定时间都会在海上进行观测。漂流浮标业务计划管理着大约750个漂流浮标，这些浮标每天提供6000多份海表面温度和气压的报告。1

④飞机观测子系统

全球有3000多架飞机为全球观测系统提供航线的气压、气温和风的报告。飞机气象数据中转系统(AMDAR)提供飞机升降中规定层以及航线的高质量的温度和风观测资料。飞机观测资料的数据量在近些年来飞速增长，已由2000年的每天78000份报告增加到2002年的每天140000份。在缺少无线电探空资料的地区，飞机观测是高空资料的主要来源。

⑤卫星观测子系统

截止到2003年，卫星环境监测网包括有5颗极轨业务卫星、6颗静止业务卫星和几颗研发卫星。极轨、静止卫星通常装载有可见光和红外的图像遥感器，每个遥感器都可获取多个气象要素的资料。一些极轨气象卫星还装载有可以提供无云量区的温度资料和湿度垂直资料的探测仪器。静止气象卫星还可以测量水汽和热带地区的风云资料。

卫星遥感、通讯和资料同化技术的不断发展，使得卫星资料的数据量增长迅速。随着气象数值模式的不断改进，卫星探测的温度和湿度资料在模式中的应用前景广阔。研发卫星是全球观测系统高空观测的最新成员，其使命是为气象业务和世界气象组织的科研讦划提供有价值的资料。研发卫星提供的资料是气象业务卫星不经常观测的，这对当前的卫星业务系统是一个重大的改进。

⑦全球观测系统其他平台观测

除了以上的常规气象资料观测平台，全球观测系统还包括太阳辐射观测、闪电定位仪、潮位仪(即验潮仪)、风廓线仪和新一代天气雷达等非常规观测平台。风廓线仪和多普勒(Doppler)天气雷达都能够获得较高时空分辨率的探测资料，尤其是对低层大气的探测。作为综合观测网的一部分，风廓线仪有着巨大的可用潜力，尤其是与球载仪探空同时进行探测。多普勒天气雷达主要用于对小尺度恶劣天气的探测，对风和雨量的测量尤为准确。全球观测系统的另一个重要任务是对观探测资料进行质量评估。全球有许多资料处理中心。这些中心将不同要素的观测资料分别同最初数值的短期预报进行比较，如果存在较大差值，则该观测值为可疑数据，并将评估结果反馈给观测国以期获得修正。1

运用与发展①世界气象组织（WMO）充分认识到在业务卫星和研发卫星间存在不小的差距，因此有必要发布一套指南，从而最大程度地利用两类卫星的数据资源。因此，在世界气象组织第53次执行理事会上同意应拓展包括研发环境卫星任务在内的全球天气观测计划中全球观测系统的空基部分。

全球观测系统中空基部分的扩充，势必导致对环境卫星数据、产品使用和服务需求的大幅度增加，为了适应全球观测系统巾空基观测的发展，WMO第53次执行理事会同意成立空间计划司(Space Programme)，以专门负责处理与空基观测相关的事务。

空间计划司隶属于WMO综合观测系统部的观测和信息系统部(OBS)。技术上，空间计划司对基本系统委员会(The Commission for Basic Systems，CBS)负责，归属于CBS中的综合观测系统组(OPAG—IOS)。当前，空间计划司负责OPAG—IOS中卫星系统、卫星应用和全球观测系统评估专家组的工作。

在环境卫星运营商及WMO卫星事务高层政策咨询会间已建立有效的对话机制，保证WMO卫星事务高层政策咨询会可为与政策相关事务方面提供建议和指导，并在较高层面上把握WMO空间计划的工作。

空间计划司与WMO的其他计划密切相关，如与世界天气观测、减灾计划 Programme，DRR)、热带气旋计划及全球气候观测计划等密切相关。此外，空间计划司不仅与气象卫星协调组织(Co--ordination Group for Meteorological Satellites，CGMS)及CGMS下属的科学组——国际A-TOVS 7工作组(ITWG)、国际降水工作组(IPWG)和国际风工作组(IWWG)保持密切联系，同时与地球观测委员会(CEOS)及CEOS的综合全球观测系统(IGOS)、对地观测组织(GEO)及GEO的GEOSS保持联系。与此同时，WMO空间计划司还与联合国粮农组织(FAO)、联合国开发计划署(UNDP)、联合国环境规划署(UNEP)、联合国教科文组织(UNESCO)及和平利用外层空间委员会等联合国机构保持有效合作。4

②21世纪以来，高分辨率对地观测卫星快速发展，对地观测系统由最初的单星模式发展为当前的轻小型卫星组建星座，实现了全天时、全天候、全方位的对地精细化观测。未来将对地观测卫星星座与通信卫星、导航卫星和飞机等空间节点通过动态组网，建立天基空间信息网络，以实现智能化空天信息的实时服务。为了进一步增强系统的智能化水平，提高系统感知、认知能力和应急响应能力，不少研究学者提出未来空间信息网络环境下对地观测脑(earth observation brain，EOB)的概念，对地观测脑是基于事件感知的智能化对地观测系统。有相关文献详细介绍了对地观测脑的概念模型及需要解决的关键技术，并举例说明了对地观测脑初级阶段的感知、认知过程。将来对地观测脑可以回答何时(when)、何地(where)、何目标(what object)发生了何种变化(what change)，并在规定的时间(right time)和地点(right place)把这些正确的信息(right information)推送给需要的人(right people)的手机或其他智能终端，全球用户可实时获得所需的任何数据、信息和知识。5