[科普中国]-地基观测系统

简介

地基观测指的是基于地面传感器进行的观测，包括传统的人工地面常规观测、地面加密气象站观测、天气雷达、风廓线雷达、闪电定位仪、地基微波辐射计、声雷达、激光雷达、各种大气成分观测仪、地基GPS水汽总量探测与城市移动观测等。1

地面加密气象站网加密自动气象观测站是目前城市中使用最为广泛的气象监测手段，观测项目主要包括气压、气温、风向、风速、降水量、相对湿度、地温、辐射、蒸发量等。由于常规地面气象站无论在空间和时间上的分辨率都比较粗，而城市气象灾害往往具有短历时的特点，在空间分布上也极不均匀，常规气象观测站难以捕捉到发生在城市中的小尺度天气现象，所以，地面加密自动气象站网就成为城市气象灾害监测的重要手段之一。但目前城市气象观测还存在一些问题和挑战，特别是缺乏在城市区域布设气象观测站点的规范，在实际应用中还需要考虑地面加密气象站网监测数据的准确性和代表性。1

多普勒天气雷达多普勒天气雷达是目前城市灾害性天气监测的主要工具之一，能够定量探测降雨回波强度、空气径向移速、速度谱宽和降水物相态等信息。其探测对象包括降水、热带气旋、雷暴、中尺度气旋、湍流、龙卷、冰雹、冻雨、冻结层、融化层等，并具有一定的晴空回波探测能力，是目前其他大气探测手段无法取代的重要探测系统。它具有高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力，在突发灾害性天气、极端气候事件、生态环境、交通安全保障以及云水资源利用等方面都可以发挥重要作用。1

风廓线雷达风廓线雷达以晴空湍流作产生回波的散射目标，利用大气湍流对雷达电磁波的散射作用，遥感探测大气中的风速。配备声探测功能的风廓线雷达(RASS-Radio Acoustic Sounding System)还可以通过电波和声波的相互作用遥感大气温度。风廓线雷达具有观测频次多、连续获取资料、自动化程度高、业务运行成本低等优势，是加强对灾害性天气监测能力和提高短期数值天气预报模式质量的重要手段。风廓线雷达探测网的实际布设要针对气象预警和业务的应用目的，以能探测和捕获造成重要气象事件的中、小尺度天气系统演变机制为原则。大气风场随高度的垂直分布和变化对天气过程有明显的作用，在较短时同就可对大气的空间特征形成深厚的影响，天气系统对大气风场的垂直结构特征是较为敏感的，因此应该选择可探测较高层次的风廓线雷达设备布网。1

微波辐射计微波辐射计，是一种测量微波段热辐射的装置，是高灵敏度微波接收机。它可作为被动遥感器。宇宙间一切物体均辐射电磁波，其辐射强度、频谱分布和极化状况取决于物质的温度、表面性质和物质特性。用微波辐射计接收这些信息可作为遥感物质的基础。微波辐射计由天线、接收机和数据记录三个部分组成。微波辐射计常常用于接收微弱的宽频带信号，它类似于噪声，接收时它易于被接收机的噪声所混淆。通常采用提高灵敏度的方法或锁相技术，以提高信号在接收机中的信噪比。目前微波辐射计已在气象工作中得到广泛应用，可在各种天气条件下进行连续的、高时间分辨率的温度、湿度和液态水含址的垂直廓线探测，探测高度可达10 km。微波辐射计在大气、海洋、植被和土壤湿度遥感等方面都获得了很好的应用，已经在气象保障、天气预报、强对流监测和洪涝灾害监测等方面发挥了很大的作用。针对城市大气边界层的观测，微波辐射计具有非常好的探测能力。1

GPS/Met水汽观测系统GPs/Met是GPS/Meteorology的简写，即GPS气象学。全球定位系统(GPS)是美国从20世纪70年代开始发展的全球卫星定位系统，其主要目的是为移动目标定位和导航。由于它具有很高的定位精度，已被广泛地用于许多军用和民用目的。GPS高精度测试中，最基本的观测址是卫星至GpS接收机天线的无线电信号的传播时间，这一传播时间受大气影响而产生额外延迟，这种延迟主要是电离层和中性大气层对电磁波折射作用的结果，造成定位误差。虽然地基GPS气象探测技术不能得到大气水汽垂直廓线，但气柱水汽总量(可降水量)的探测可以为降水临近预报、数值预报模式初始场改善和气候研究提供非常有用的帮助，目前GPS,Met观测资料在城市的精细天气预报中发挥了重要的作用。1

城市陆气交换涡动相关通址观测系统涡动相关法(Eddy Covariance Method)已经成为直接测定大气与生态系统水热和CO2交换通址的重要方法。涡动相关法是通过计算物理址的脉动与风速脉动的协方差求算湍流通量，最早被应用于草地的显热和潜热通量测量，将涡动相关法用于测定大气群落/生态系统间CO2通量开始于20世纪80年代。目前，涡动相关仪器分开路式和闭路式两种。开路式涡相关仪高频、响应速度快，但雨天不能用，需要人工校准闭路式涡相关仪不受天气影响，可以自动校准，但容易丢失高频数据，造成通量低估。涡动相关法对观测环境不会造成扰动，能够得到长期连续的通量数据，可以用来测量较大尺度的下垫面通量，但是涡动相关技术在观测时仍然受限于一些环境条件，上风向没有足够的下垫面，晚间大气比较稳定，湍流较弱，测定仪器下方存在点源等因素都可以造成涡动相关技术测定精确性的降低。目前城市生态系统水热和CO2通量的测量正在向长期化的方向发展，涡动相关法所观测的数据已经成为检验各种城市冠层模型估算精度的权威资料，也是检验各种通量观测或估算方法精度的标准方法，是城市气候研究中的重要观测手段。1

大口径激光闪烁仪大口径闪烁仪LAS(Large Aperture Scintillometer)，是用来测量空气折射指数的波动强度的一种地基仪器，由发射仪和接收仪组成，其测值通过一定算法可以转换为路径上由地面进人大气的面平均显热通量。研究结果表明，由LAS得到的显热通量与涡动相关仪所测结果具有较好的一致性。LAS的发射仪和接收仪以一定距离分开放置，若考虑风向的影响，LAS测值可表征路径上的面平均状况，这是LAS优于其他点测量仪之处，使之更适合与卫星资料相比较。由于LAS具有测量较大尺度范围感热通量的能力，因此，与涡度相关通量观测系统配合，它将在城市非均匀下垫而通量观测中发挥重要的作用。1

闪电定位仪和大气电场仪闪电定位仪和大气电场仪是监测雷电灾害的有效仪器。闪电是指在雷暴云发展的对流阶段发生的一系列连续的起电和击穿过程，云和地面之间的闪电称为云地闪，而云和云之间的闪电称为云间闪，闪电定位仪就是用来确定闪电位置和单位时间内闪电发生次数的仪器。在雷暴来临前大气电场往往会有剧烈的变化，大气电场仪就是用来测量大气电场强度的，可以为雷电的临近预报提供线索。1

气象应急移动(车载)服务系统移动气象观测系统以汽车、火车、船舶、飞机、气球、飞艇等各种地面和空中的移动载体为观测平台，具有很强的机动性，还可以根据气象业务服务的需要配置多种气象观测仪器设备，及时赶赴观测现场，开展气象应急观测服务业务。气象应急移动(车载)服务系统是气象灾害监测预警和应急工作的有机组成部分，在出现重大灾情和突发公共安全事件时，能作为固定系统的有效延伸，在时空尺度上进行加密监测并针对关键部位进行精确观测，可以迅速采集和传输现场声像实况及各种气象要素观测数据，以保障固定服务中心对现场的监控和服务，实时掌控现场状况，实现高效、快速的现场服务决策。1