第二章 全球观测系统

§2.1 全球气候观测系统

全球气候观测系统（GCOS）是由气象-气候基础观测系统、全球海洋观测系统和全球陆地观测系统构成的。它包括广泛的、已经存在的业务和研究观测、资料管理和信息分发系统。现存的观测包括：世界天气监测（WWW）系统，全球大气监测与之有关的成分观测系统，全球海洋观测系统与物理、化学和生物的测量相联系，全球陆地观测系统与陆地生态系统、水圈和冰冻圈测量相联系。这里还包括很多研究计划的内容，如国际地圈-生物圈计划（IGBP）对气候系统关键要素的监测，世界气候研究计划（WCRP）对云、水文循环、地球辐射收支、海洋冰盖和海洋降水的观测，世界气候影响、评估和响应战略计划中的气候变化对物理、化学和生态影响方面的观测。资料通信和其他的架构支撑业务气候预测，如世界气候资料和监测计划（WCDMP）与气候信息和预测服务（CLIPS）。

全球气候观测系统是1992年建立的。它是为了要回答与气候相关的问题和尽可能地满足所有使用者的需求而从事的观测与信息交流业务。这一系统是由世界气象组织（WMO）、国际政府间海洋委员会（IOC）、联合国环境署（UNEP）和国际科联（ICSU）共同组织的。长期的综合观测是对气候系统进行广泛的监测，通过对气候变化及其原因的分析，对气候变化和变率的评估，提高对气候变化的认识能力以及模拟、预测的能力。整个气候系统中的观测内容，涉及物理、化学、生物特征和大气、海洋、水文、冰冻圈及陆地过程等各方面。这一观测系统并不直接进行观测并产生资料产品，而是鼓励通过国家和国际组织间的合作来满足自己和大家共同的需求。它为参与国家和组织进行集成的、增强的观测提供了一个平台，满足气候问题研究的需要。全球气候观测系统的目标是对气候系统、气候变化进行监测，跟踪观测气候变化的影响和响应，特别是监测陆地生态系统和平均海平面的变化。全球气候观测系统得到的气候资料对国家经济发展，提高对气候系统认识、模拟和预测的水平等方面有十分重要的作用。全球气候系统观测优先考虑季节到年际的气候预测，人类活动对气候变化趋势和气候变化的影响。

图2.1.1是全球气候观测系统组成的示意图。在这个系统中，静止气象卫星和计算机是整个系统的核心部分。现代观测是完全自动化的。禁止气象卫星收集自身的观测信息以及由空中飞行的飞机、极轨气象卫星直接发送的观测信息。自动气象站观测、船舶观测、海洋浮标观测，甚至天气雷达的观测信息都可以发送到静止气象卫星上。卫星地面站可把静止气象卫星上的信息接收下来送到地面计算机中心进行处理和分发。常规的地面和高空观测信息也通过电信网络传送到计算机中心。计算机中心在获取信息后要进行资料的处理，后续的工作包括资料的客观分析、存储与分发等。

图2.1.2是到2000年的全球气象与环境卫星观测网，它包括5颗业务极轨卫星和5颗业务静止卫星。这些卫星来自美国、欧盟、俄罗斯、日本、印度和中国。中国的风云一号和风云二号分别加入到了极轨卫星和静止卫星的观测行列中。中国的风云二号静止卫星定位在赤道E105°，大体在我国版图中心位置的赤道上方，对我国有较大的观测覆盖视角。

最早的全球观测是来自地面的陆地观测系统。图2.1.3给出的是全球陆地观测站的分布。在近地面，全球陆地大约有10000观测站，很多站每隔3 h，甚至有逐小时的气压、风速、风向、气温和相对湿度的观测。地面观测的站点分布在全球并非均匀。在大陆上，欧洲的站点最密，非洲大陆的站点较少，南极大陆的站点更少。此外，中亚以及我国高原地区站点也少。东亚和北美的站点分布比较均匀。无论陆地上，还是海洋上，南半球的站点比北半球的少。

全球差不多有900个高空气象观测站，组成了全球探空网。高空观测包括无线电探空仪、携带式自由上升气球，对从地面到高空30km的多个标准层的气压、风、温度和湿度进行观测。有2/3的站是在规定的0000 UTC和1200 UTC两个世界时进行的观测。有100～200个站做每天一次的观测。另外有100个站是临时的业务观测。在海洋上，无线电探空仪观测安排在15条船上，主要航行在北大西洋海域，探空设备固定在甲板上。图2.1.4是全球固定高空观测站点的分布。探空站的主要分布密集地区在欧洲、东亚和北美大陆上，而南半球和海洋上站点较少。

高空观测资料，另外一个重要的信息来源是飞机航空观测。全球差不多同时有3000架飞机可以提供气压、风和温度的报告。在航程中和在选择的飞机上升或下降高度上，航空气象资料译码（AMDAR）系统可以得到高质量的风和温度信息。近年来，飞行气象信息已经增加了10倍，估计每天有50000份报告。这无疑将填补没有和少有高空探测站的地区的空白。飞机航空观测将会对全球观测系统中高层大气的观测做出主要的贡献。图2.1.5是全球飞机航空观测网络分布的示意图。可以看出，主要的飞机观测分布在欧洲和欧美之间，这与那里的日飞行架次有关。在欧洲—北美洲—亚洲—澳大利亚—北美洲形成了一条高频架次飞行带。南半球和南美洲、非洲的架次较少。图2.1.5给出的是全球飞行架次的相对分布。事实上，东亚的航次有了很大的增加，但是信息并不一定会在全球充分收集和应用。

海洋上的观测除了卫星外就是船舶、锚定的和漂浮的浮标及稳定的观测平台。在WMO的志愿观测船计划中有一些航线观测。观测的变量与陆地相同，还包括海面温度、波高。1997年的观测船大约有6700艘，40%是任意给定时间观测的。到1997年，业务浮标计划由700个浮标组成，每天可提供3500份海温和海面气压的报告。

与观测系统相匹配的是全球通信系统（GTS）。GTS由点到点的和多点的网络整体构成并连接到各个气象通信中心。GTS的网络是由陆地和卫星通信连接组成的。对资料分发，是点对点的和点对多点的网络，对资料收集是多点对点的网络，也有双向的多点网络。GTS交换的资料类型有全球范围的地面、高空、飞机、海洋、气候资料，台风、海啸、地震等警报以及各类卫星资料、数值预报产品和图形产品等，每天的日交换量约为6.2 GB。

图2.1.6给出的是全球通信系统的结构示意图。气象通信中心负责接收资料和选择性地在GTS网络上发送资料。GTS形成3个层次，即主通信网（MTN）、区域气象通信网（RMTNs）和国家气象通信网（NMTNs）。主通信网是GTS的核心，它与3个世界气象中心（WMCs）和15个区域通信中心（RTHs）连接在一起。WMCs分布在墨尔本、莫斯科和华盛顿；RTHs分布在阿尔及尔、北京、布莱克内尔、巴西利亚、布宜诺斯艾利斯、开罗、达喀尔、吉达、内罗毕、新德里、奥芬巴赫、图卢兹、布拉格、索菲亚和东京等地。

区域气象通信网与气象中心连接，其作用是保证观测资料的收集并把相关的信息分发给相关的成员。区域通信中心扮演了区域气象通信网与主网之间的一个界面功能。全球有6个区域气象通信网，分布在非洲、亚洲、南美洲、中北美洲、西南太平洋和欧洲。国家气象通信网能够让国家气象中心收集到观测资料，在国家层面上得到和分发气象信息。基于卫星的资料收集和分发也是这个系统的部分。

WMO的全球大气本底观测系统是在1989年建立的。现已开展很多研究和外场观测活动，包括WMO的大气污染本底监测网和WMO的全球O3观测，而这二者分别在20世纪50年代和60年代就建立了。

全球大气本底观测的主要目的是提供与大气化学成分和相关的物理特征及趋势的资料信息，用以改进对大气行为、大气与海洋、大气与水圈相互作用关系的认识。全球本底监测站资料的收集是认识大气成分变化，全球和区域气候变化，长期大气输送，潜在的有害物质对陆地、淡水和海洋生态系统影响的基础，也是认识全球大气-海洋-生物圈系统及人类影响方面自然循环的基础。

全球共有22个大气本底观测站。其中南极有2个，格陵兰岛上有1个。这些观测站有一半左右设置在海洋上。中国西部高原位于青海省有1个站，叫瓦里关站。

大气探测技术发展和气象气候综合探测业务系统正逐步走向连续的自动化遥感与遥测，以遥感特别是基于空间的卫星遥感技术为主要探测手段，以遥测特别是基于地基的遥测系统为综合探测的基准系统，目的是提高大气探测的时空分辨率，积极获取各种地球环境资料。采用的方式是多种手段、多种技术、多种设备相结合，优势互补，在分析和观测上以自动化逐步代替人工劳动，全力发展资料同化技术，推进资料同化业务，从总体上给出对大气状况更接近真实的描述和认识。仅就美国NASA就有多种高时空分辨率的卫星观测和同化资料。