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1、观天测云，把脉天公中国气象局气象探测中心马舒庆2015年10月22日内容气象观测科学技术成果推动观测技术发展中国气象局气象观测系统高空观测探索发展历程观测技术发展模式主要气象观测技术的发展趋势天气预报是根据气象观测资料和气象理论方法（天气学、动力气象学、统计学），对某区域或某地点未来一定时段的天气状况作出定性或定量的预测。气象观测包含两类：气象要素观测（温、湿、风）天气现象观测（云、降水）地面观测经历千年的发展历史。气象观测发展从风筝探空到现代气球探空有百年的历史综合气象观测系统发展气象卫星也经历了40-50年的发展。1961，TIROS卫星1988，风云1号卫星综合气象观测系统发展经历了漫长
2、的技术和近代快速发展，已形成包含天基、空基、地基的综合气象观测系统。一体化、集约化发展的时代已经到来。综合气象观测系统发展科学技术成就推动观测技术发展传感器技术-自动气象站无线电技术-无线电高空观测系统雷达技术-风廓线雷达微波辐射测量技术-微波辐射计雷达技术-天气雷达激光技术-气象激光雷达卫星导航技术-GPS（北斗）高空探测系统、GPS水汽探测卫星技术-气象探测卫星航空技术-气象探测飞机传感器技术成熟形成了地面自动化观测站传感器技术-地面自动气象站室内观测场天气现象-1串口雨滴谱仪天气现象-2大气电场仪闪电计数器能见度仪云高仪1云高仪2串口串口串口串口串口串口串口冻土冻雨雪深串口串口串口多以太
3、网口光纤收发器光信号光纤收发器视频信号（以太网传输）串口温、湿、风、压、雨、地温、蒸发、辐射等常规气象要素以太网传输以太网传输自动观测秒、分钟一次空间布局密度加大自动观测与人工观测比较人工观测一天3-12次1、自18世纪中叶以来，先后用风筝、载人气球携带仪器进行直接探测高空气象要素的试验2、20世纪2030年代末，在无线电技术发展的基础上，先后研制成了无线电探空仪、无线电经纬仪和测风雷达，为建立全球高空观测站网奠定了基础。无线电技术-无线电高空观测系统从地面延伸到空中1927年无线电探空仪的发明翻开了对大气廓线（温度、气压、湿度、风速和风向）探测的新篇章这种探测技术的应用，构筑了国家、洲际和全
4、球无线电探空网由此气象学家(罗斯贝(C.-G.Rossby，)发现了大气垂直分层结构、冷暖气团、急流、大气环流等建立了锋面学说等重要的气象学理论（叶笃正，1977）。无线电探空仪探测大气廓线是大气科学发展史上的里程碑。雷达技术-风廓线雷达风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备。不需要施放气球和探空仪雷达信号处理技术的发展，形成弱信号提取能力系统方框图微波辐射测量技术-微波辐射计地基微波辐射计在典型的微波V波段大气氧气窗口（51GHz-59GHz）和微波K波段大气水汽窗口（22GHz-31GHz）内选择合适的频率（在寒冷干旱的低水汽密度条件下也可选用微波1
5、83GHz的水汽窗口反演水汽），通过对大气微波辐射的遥感测量，反演获得对流层大气温度、湿度廓线、大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量等信息。微波辐射计原理大气传输方程：图大气温、湿度廓线的微波遥感（赵柏林，1987）廓线温度廓线湿度廓线022404060810121416182022022404060810121416182022水汽密度廓线液态水总量对流有效位能风廓线雷达、微波辐射计将大气廓线探测从每天2-4次-加密到每天200-300次对应每一次探测费用大大降低天气雷达-系统结构天气雷达探测原理60年代末，全国建成122个探空站，1600多个气象站；首部国产气象专用雷达（711型）问世，
6、并开始批量生产。改革开放后，成功发射风云一号极轨气象卫星；天气雷达升级为多普勒雷达，地面观测人工观测逐步向自动化观测发展，机电探空仪变成电子探空仪。解放前，101个地面观测站，2个高空站。50年代末60年代末80年代末2011年新中国成立中国气象观测系统发展30新一代卫星仪器三维大气反演能力大大提升。ATMS（最新）中国气象卫星已成为WMO全球观测网组成部分中国同时拥有极轨和静止气象卫星是全球地球综合观测系统（GEOSS）成员中国气象卫星数据实行开放共享政策至2007年底，中国气象部门共有国家级气象观测站2416个，其中2134个站建成了自动气象站。另外各省还建成了48917个区域加密气象观测
7、站，主要开展降水、温度和风向风速的观测。广州湛江韶关汕头地面观测高空探测全国共有120个探空站，每天进行08、20时（北京时）两次从地面到高空25000米以上高空探测。获取高空大气温度、湿度、气压和风向风速资料。其中87个站参加全球资料交换。共有7个探空站为全球GCOS探空站。新中国开始了观测网发展的新时代改革开放打下了观测现代化的坚实基础开放、创新的高空探测发展之路CMA1、南北站我国建国初期从旧政府接收北京，南京两个探空站。使用从旧政府接收的美式仪器设备。2、建设高空观测网1952年，增建了汉口、成都、兰州3个探空站，共有5个探空站，40个小球光学经纬仪测风站。1957年（“一五计划”末）
8、，已建探空站69个，连同海军参加发报的4个探空站，全国探空站达到73个。全部使用芬式和苏式探空仪，用光学经纬仪测风。3、自主研发中央气象局观象台的建立对研究探索、试验我国高空气象探测体制、方法方面起到了重要作用。1955年生产的049型探空仪开始改变我国探空仪依赖芬兰的局面，以后又研究试验了57型、58型、59型探空仪。1963年，完成了59型探空仪的生产定型。二次测风雷达被国家计委正式列入1959年计划，生产样机，称为910二次测风雷达。经试验改进1965年，二次测风雷达定型称为701二次测风雷达。“三五计划”期间（1966-1970年）主要对已有探空站更新使用59-701系统，到1970年
9、，全国100多探空站，除个别站外均更新使用了59型探空仪，配备701雷达近30个站，加上前期的910雷达和无线电经纬仪，共有40个站使用无线电测风。上个世纪80年代末，全国气象部门共有118个探空站，均使用59-701探空系统（另有两个雷达单测风）。5、开放创新改革开发推动高空探测技术发展1978年以后，中美、中芬科技合作对我国高空气象探测技术的自动化和探测元件的不断更新起到了很大作用。59探空仪回答器半导体集成化701测风雷达自动化改造1989年在前苏联江布尔进行世界气象组织第三期探空国际对比1996年，中芬在郑州进行了比对，对我国的高空探测技术起到了促进作用。1993年至1996年先后于多
10、次召开中国高空气象探测体制、高空气象探测系统发展规划研讨会。1996年7月12日中国气象局党组会审定并通过了气象综合探测系统高空气象探测系统和地面观测系统发展规划（1996-2020年）。该规划指出我国高空气象探测技术和业务的状况已远远不能满足气象综合观测系统建设的迫切需求，应发展我国新一代高空气象探测系统，迎头赶上世界先进水平。规划同时指出GPS探测系统将是未来我国常规高空气象探测的主导技术体制，在GPS高空气象探测系统建成之前，L波段测风雷达电子探空仪系统是过渡时期里我国常规高空气象探测的主导体制。6、走向世界1996年12月中国气象局业务发展与天气司组织拟订了L波段测风雷达电子探空仪系统
11、功能规格需求书。1997年中国气象局对各生产厂家提供的L波段测风雷达电子探空仪系统总体方案进行了研究和评审，并以招标方式立项进行样机研制生产。参加招标的厂商有：南京大桥机器厂、成都784厂和南京14所及081厂、总后3614厂等生产厂家，各家方案各有特点和优势。南京大桥机器厂、成都784厂和南京14所中标。1998年冬季三厂家探测系统样机入场中国气象局大气试验基地，开始严格的静态和动态性能考核和对比试验。经过三期考核，南京大桥机器厂研制的样机通过考核，并完成定型，2002年正式开始业务布点，到2010年共完成了120个探空站设备的更新换代。提高了高空探测质量GPS探空系统研发1996年中国气象
12、局业务发展与天气司启动了GPS探空系统的研发对国外芬兰维萨拉公司和美国AIR公司的GPS探空仪进行了解剖分析对GPS接收机技术进行了调研。1998年，正式开始研制工作。1999年5月研制出原理样机，进行了探测试验，获得成功；2002年6月与局重点工程办公室签订了GPS系统采购合同。2003年12月30日通过了局科教司组织的成果鉴定。2006年开始产业化，将技术交付航天科工集团23所华云公司南京大桥机器厂。2008年开始对国产GPS探空系统对比试验，通过对比试验改进了国产GPS探空系统。GPS探空系统取得的成绩20102010年年77月在世界气象组织举办的第八届高质量国际月在世界气象组织举办的第
13、八届高质量国际GPSGPS探空仪比对中，探空仪比对中，2323所研制的所研制的GPSGPS探空系统探空系统所有技术指标达到所有技术指标达到WMOWMO关于关于GCOSGCOS的要求的要求综合评比取得了全球第四，亚洲第一名的成绩。综合评比取得了全球第四，亚洲第一名的成绩。温度测量性能位居第一温度测量性能位居第一GPS探空仪的技术领先点一、一、传感器防辐射处理技术方面已达到了国际领先的水平（下表摘自传感器防辐射处理技术方面已达到了国际领先的水平（下表摘自INSTRUMENTSANDOBSERVINGSREPORTNo.107INSTRUMENTSANDOBSERVINGSREPORTNo.107，
14、P64P64）RadiosondeTypeTypicalcorrectionat10hPa（K）LMS（美国洛克马丁）0.95Modem1.5InterMet1.1Jinyang2.1Changfeng（北京长峰声表面波公司）0.6Huayun（中国华云）2.3Graw1.0Meisei1.8Daqiao（南京大桥）0.9Vaisala（芬兰维沙拉）0.7Meteolabor1.8MultithermistorActivecorrectionGPS探空仪的技术领先点二、二、传感器防辐射处理后的响应时间最短（下表摘自传感器防辐射处理后的响应时间最短（下表摘自INSTRUMENTSANDINSTR
15、UMENTSANDOBSERVINGSREPORTNo.107OBSERVINGSREPORTNo.107，PP7171）RadiosondeSystematicbiasrelativetoMeteolaborcomparedtothebiasinzerolapserate.degKRatesofascentAttimeofmeasurement1msLapserateKminFlightNumberTimeConstantversusMeteolaborsMeteolabor0Daqiao0.16.5-1.314-0.42.5+3.5147-0.42.5+3428-0.253+267LMS0
16、.056.5-1.314-0.32.5+3.5145-0.23+2676Modem0.16.5-1.314-0.42.5+3.5147-0.253+2675InterMet0.16.5-1.314-0.42.5+3.5147Jinyang0.256.5-1.314-0.82.5+3.51414Changfeng-0.22.5+3424Huayun-1.32.5+342About30Graw-0.12.5+342Meisei-0.62.5+34212Vaisala-0.33+2679闯开世界市场的大门11）20112011年参加由芬兰的年参加由芬兰的VaisalaVaisala公司、法国的公司、法国的ModemModem公司、韩国公司、韩国的的JinyangJinyang公司、日本的公司、日本的MeiseiMeisei公司参与竞标的印公司参
