鄭州應(yīng)組建多元化氣象垂直探測(cè)技術(shù)體系的建議

崔 燦

（鄭州市氣象局，河南 鄭州 450005）

0　引言

隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)持續(xù)深入推進(jìn)，以衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為主要內(nèi)容的各類現(xiàn)代化信息化技術(shù)探測(cè)手段已經(jīng)或正在滲透到氣象建設(shè)的方方面面，科學(xué)合理組建鄭州多元化垂直探測(cè)技術(shù)體系談幾點(diǎn)看法。

根據(jù)河南省人民政府和中國(guó)氣象局聯(lián)合制定的河南省“十三五”氣象事業(yè)發(fā)展規(guī)劃，中國(guó)氣象局制定的“綜合氣象觀測(cè)發(fā)展規(guī)劃 （2016-2025）”、2018年全國(guó)氣象局長(zhǎng)會(huì)議工作報(bào)告、2018年全省氣象工作會(huì)議暨省政府氣象災(zāi)害防御暨人工影響天氣指揮部工作會(huì)議精神，結(jié)合河南省和全國(guó)高空氣象的實(shí)際，為落實(shí)國(guó)家 “一帶一路”戰(zhàn)略，圍繞鄭州國(guó)家中心城市建設(shè)戰(zhàn)略，提出相關(guān)建議。

1　主要問題

我國(guó)的氣象信息系統(tǒng)主要由地基、空基和天基系統(tǒng)構(gòu)成。其中常規(guī)高空氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的垂直氣象信息系統(tǒng)。常規(guī)高空氣象主要探測(cè)距地1～30km高空溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)。經(jīng)歷60多年投入數(shù)百億資金積累的高空氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)，是無法用金額度量的。他為氣象、航空航天、國(guó)防、環(huán)境及其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)起著基礎(chǔ)的支撐作用。在“攻堅(jiān)克難，守護(hù)碧水藍(lán)天”中，高空氣象數(shù)據(jù)不可缺少。

基于社會(huì)發(fā)展需要和氣象、航空航天、環(huán)境及其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)的需求，我國(guó)常規(guī)高空氣象存在明顯的薄弱環(huán)節(jié)。

一是垂直氣象探測(cè)數(shù)據(jù)不能滿足社會(huì)發(fā)展需求。面對(duì)變化復(fù)雜的天氣變化，網(wǎng)格300km的高空氣象監(jiān)測(cè)站網(wǎng)每天進(jìn)行07、19時(shí)兩個(gè)時(shí)次的常規(guī)氣象探測(cè)，捕獲天氣過程能力較低；對(duì)數(shù)十公里、甚至數(shù)公里范圍的天氣事件，如龍卷風(fēng)、冰雹過程，雖能個(gè)別指標(biāo)有所反映，但其精細(xì)監(jiān)測(cè)化能力更顯不足?，F(xiàn)行垂直氣象探測(cè)主要集中在距地30km以內(nèi)，30km以上的中空甚至高空，以科研項(xiàng)目試驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)為主，缺乏系統(tǒng)性探測(cè)數(shù)據(jù)。與大氣現(xiàn)象密切的云雨層表示數(shù)據(jù)、邊界層數(shù)據(jù)、對(duì)流層頂數(shù)據(jù)不能滿足需求。新型探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的完整性、可靠性存在許多技術(shù)難題。

三是氣球探測(cè)空域存在安全隱患。高空氣象監(jiān)測(cè)初期，我國(guó)的民航運(yùn)輸幾乎為零，隨著航空行業(yè)的發(fā)展，特別是商業(yè)航空的發(fā)展，常規(guī)高空氣象探測(cè)空域資源日趨緊張。飛行空域又離不開常規(guī)高空氣象信息服務(wù)保障，存在空域資源與保障需求的相互矛盾狀態(tài)。存在探測(cè)空域的“相撞”隱患。

常規(guī)高空氣象探測(cè)降落點(diǎn)信息不明。我國(guó)現(xiàn)行高空氣象探測(cè)，遇到信號(hào)消失或得到球炸的信息，就終止高空氣象觀測(cè)，降落點(diǎn)信息不明，存在安全隱患。降落過程中是否對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)造成損失，如何避免損失?對(duì)造成的損失如何彌補(bǔ)等對(duì)策缺失。

四是濕度傳感低溫失效問題。我國(guó)現(xiàn)行高空氣象所用濕度傳感器到達(dá)-50℃，感應(yīng)性能下降，-60℃，得到的數(shù)據(jù)失效，制約常規(guī)高空氣象的完整性、準(zhǔn)確性、代表性。

五是觀測(cè)信號(hào)干擾問題。鄭州01時(shí)高空氣象探測(cè)本來是為軍航、民航提供數(shù)據(jù)服務(wù)的，而機(jī)場(chǎng)在02時(shí)再次進(jìn)行探測(cè)，不但造成資源浪費(fèi)，而且形成同頻信號(hào)干擾，影響既定探測(cè)業(yè)務(wù)。

六是現(xiàn)行高空氣象數(shù)據(jù)處理軟件滯后科研、業(yè)務(wù)需求，與氣象“十三五”規(guī)劃存在脫節(jié)之處。制約相關(guān)氣象預(yù)測(cè)預(yù)警、人工影響天氣、環(huán)境氣象等業(yè)務(wù)的發(fā)展，常規(guī)高空氣象數(shù)據(jù)與新型多元化垂直探測(cè)系統(tǒng)同步性問題逐漸清晰化，亟待解決。

七是垂直氣象數(shù)據(jù)融合度偏低。垂直氣象“數(shù)據(jù)孤島”問題較明顯，常規(guī)高空氣象數(shù)據(jù)、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)、天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)、氣溶膠雷達(dá)數(shù)據(jù)、微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性低，缺少統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，影響數(shù)據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用。天氣過程監(jiān)測(cè)所需數(shù)據(jù)產(chǎn)品單一，數(shù)據(jù)表示的直觀性不足，場(chǎng)景化處理（圖形圖像處理）支撐數(shù)據(jù)不足。

八是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)薄弱。系統(tǒng)可靠性依據(jù)廠商報(bào)告，缺少第三方技術(shù)報(bào)告。系統(tǒng)部署后，實(shí)際與廠商報(bào)告往往存在差異。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制手段單一，新型探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程的存在不透明處。有的探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制環(huán)節(jié)考評(píng)樣本偏少，導(dǎo)致質(zhì)量降低。

2　分析

2.1　與探測(cè)體制形成、發(fā)展有關(guān)

我國(guó)垂直氣象探測(cè)起步于建國(guó)初期，以高空氣象探測(cè)為代表。經(jīng)歷從無到有、從原始落后到科學(xué)的發(fā)展歷程。高空氣象按照傳感器的發(fā)展，主要經(jīng)歷機(jī)械傳感器和電子傳感器兩個(gè)時(shí)代。按照高空氣象數(shù)據(jù)處理方式，經(jīng)歷人工處理、計(jì)算器具輔助處理、計(jì)算機(jī)輔助處理、軟件系統(tǒng)處理等主要階段。我國(guó)常規(guī)高空氣象探測(cè)系統(tǒng)是基于世界氣象組織的業(yè)務(wù)技術(shù)指南設(shè)計(jì)的。氣象數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過世界氣象組織確認(rèn)的。常規(guī)高空氣象為我國(guó)在該領(lǐng)域直接探測(cè)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為目前該空域代表性、比較性、準(zhǔn)確性最好的氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

我國(guó)的常規(guī)高空氣象有120個(gè)高空氣象站 （簡(jiǎn)稱高空站），基本上按照300km左右網(wǎng)格距部署。大部分高空站每天進(jìn)行07、19時(shí)兩個(gè)時(shí)次的探測(cè)。全國(guó)有30多個(gè)一級(jí)高空站，除每天進(jìn)行07、19時(shí)兩個(gè)時(shí)次的探測(cè)外，還要承擔(dān)01時(shí)的高空氣象探測(cè)。我省有3個(gè)高空站，其中鄭州為一級(jí)高空站，盧氏為雷達(dá)單獨(dú)測(cè)風(fēng)站。

我國(guó)垂直氣象探測(cè)業(yè)務(wù)的現(xiàn)實(shí)是基于社會(huì)、科技發(fā)展實(shí)際所決定，由財(cái)政投入所形成的。

這些問題的暴露是隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展、社會(huì)需求、業(yè)務(wù)需求的變化逐步被從事相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員意識(shí)到的。有的問題在一定區(qū)域一定情況下表現(xiàn)比較突出。如空域資源緊張問題，在人口密度較大、航空業(yè)務(wù)發(fā)達(dá)的區(qū)域，安全隱患問題可能會(huì)表現(xiàn)更突出。

2.2　科技進(jìn)步是解決問題的關(guān)鍵

為解決高空氣象數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率問題，20世紀(jì)90年代，科技專家提出“無球探空”的構(gòu)想。幾十年過去了，“無球探空”仍路途遙遠(yuǎn)。值得欣慰的是，常規(guī)高空氣象相聯(lián)系的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)、風(fēng)廓線雷達(dá)（聲雷達(dá)）數(shù)據(jù)、微波輻射數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)先后出現(xiàn)，讓我們看到了希望。飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)為直接觀測(cè)數(shù)據(jù)，但受飛行路線、飛行高度、飛行時(shí)間、數(shù)據(jù)采集環(huán)境、數(shù)據(jù)處理方式的制約，觀測(cè)數(shù)據(jù)存在較大的不確定性。衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)為現(xiàn)代新型的遙感遙測(cè)數(shù)據(jù)，為間接觀測(cè)數(shù)據(jù)，受資料同化技術(shù)、氣象條件、地基設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件等制約，其數(shù)據(jù)系統(tǒng)適應(yīng)性、完整性存在一定的不足和不確定因素。無云情況下，衛(wèi)星反演的高空氣象數(shù)據(jù)完整性、系統(tǒng)性制約條件更多?，F(xiàn)實(shí)情況下，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)以及激光雷達(dá)的同類型數(shù)據(jù)，均需以常規(guī)高空氣象為基礎(chǔ)參照數(shù)據(jù)進(jìn)行校標(biāo)。要完全替代現(xiàn)有探測(cè)方式，需要進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累、科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，兼容性地繼承已有高空數(shù)據(jù)系統(tǒng)。在遙感遙測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)融合良好的情況下，替代現(xiàn)行常規(guī)高空氣象探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“無球探空”的跨時(shí)代目標(biāo)。從全球氣象數(shù)據(jù)均一化的角度，估計(jì)今后三十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，常規(guī)氣象探測(cè)與新型遙感式數(shù)據(jù)并存的現(xiàn)狀將成為常態(tài)。

2.3　改革開放是解決問題重要手段

科學(xué)技術(shù)問題涉及許多具體環(huán)節(jié)、關(guān)鍵技術(shù)，需要進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其解決過程依據(jù)其技術(shù)難度、知識(shí)水平、科學(xué)決策的實(shí)際而定，應(yīng)該打破行業(yè)部門、區(qū)域界限，以創(chuàng)新的理念、辯證思維、改革開放的觀念、實(shí)事求是觀點(diǎn)科學(xué)面對(duì)。

根據(jù)我省進(jìn)行“三個(gè)高地”的建設(shè)以及鄭州國(guó)家中心城市發(fā)展戰(zhàn)略、國(guó)際航空港的發(fā)展的有利環(huán)境，依托鄭州的資源優(yōu)勢(shì)，引進(jìn)國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀科技成果，推動(dòng)鄭州高空氣象技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

3　對(duì)策與建議

基于上述認(rèn)識(shí)，在國(guó)內(nèi)尚未設(shè)立多元化垂直氣象探測(cè)技術(shù)基地，缺少多元化垂直氣象探測(cè)技術(shù)發(fā)展平臺(tái)情況下，建議在鄭州設(shè)立 “多元化垂直氣象探測(cè)發(fā)展基地”，解決現(xiàn)有垂直氣象技術(shù)中存在的問題。

“多元化垂直氣象發(fā)展基地”的基本目標(biāo)是，按照“公共氣象、安全氣象、資源氣象、生態(tài)環(huán)境氣象”發(fā)展需要，通過基地建設(shè)解決現(xiàn)行高空氣象系統(tǒng)中的問題，推動(dòng)我國(guó)多元化垂直氣象技術(shù)的發(fā)展；通過建設(shè)“多元化垂直氣象發(fā)展基地”落實(shí)“三個(gè)高地”的“中西部地區(qū)科技創(chuàng)新高地、基本形成內(nèi)陸開放高地”建設(shè)和加快鄭州國(guó)家中心城市發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)“智慧城市”進(jìn)程；通過構(gòu)建國(guó)內(nèi)外科學(xué)技術(shù)平臺(tái)促進(jìn) “鄭州國(guó)際硅谷”建設(shè)，促進(jìn)我市信息產(chǎn)業(yè)、制造業(yè)進(jìn)入新的時(shí)代，增強(qiáng)我市在“一帶一路”區(qū)位優(yōu)勢(shì)，帶動(dòng)我市科技、教育、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

多元化垂直氣象探測(cè)觀測(cè)站在相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)下，按照中國(guó)氣象局和河南省人民政府的部署，履行主要職責(zé)有：

（1）開展多元化垂直氣象探測(cè)技術(shù)調(diào)研活動(dòng)，掌握國(guó)內(nèi)外多元化垂直氣象技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)；收集、整理、翻譯國(guó)內(nèi)外有關(guān)垂直氣象信息技術(shù)文獻(xiàn)，收集、整理、研究國(guó)內(nèi)外歷史垂直氣象數(shù)據(jù)及處理方法，為相關(guān)技術(shù)部門基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（2）協(xié)助主管部門舉辦國(guó)內(nèi)外有關(guān)多元化垂直氣象技術(shù)發(fā)展的國(guó)內(nèi)外氣象組織、高等院校、科研機(jī)構(gòu)、高新技術(shù)企業(yè)的學(xué)術(shù)交流和技術(shù)合作；參加國(guó)內(nèi)外有關(guān)多元化垂直氣象科技交流活動(dòng)。

（3）深度參與國(guó)際多元化垂直氣象儀器及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)比、測(cè)試、質(zhì)量跟蹤活動(dòng)。

（4）組織科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，研究多元化垂直氣象探測(cè)科研課題；協(xié)助主管部門進(jìn)行多元化垂直氣象探測(cè)科研成果的現(xiàn)場(chǎng)化試驗(yàn)。

（5）構(gòu)建國(guó)內(nèi)外新型、高性能雷達(dá)研制、測(cè)試、試驗(yàn)、終端處理技術(shù)科研平臺(tái)。建立新型、高性能雷達(dá)數(shù)據(jù)評(píng)估系統(tǒng)。

（6）研制基于 L波段雷達(dá)高空氣象探測(cè)、GPS衛(wèi)星高空氣象探測(cè)、北斗衛(wèi)星高空氣象探測(cè)、新型自動(dòng)探空系統(tǒng)優(yōu)化的常規(guī)高空氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)；通過技術(shù)攻關(guān)，研制國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流的常規(guī)氣象實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外多元化垂直氣象探測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)在此領(lǐng)域的空白。

（7）主動(dòng)征求氣象數(shù)據(jù)處理分析部門、高空氣象臺(tái)站、氣象雷達(dá)站、氣象預(yù)報(bào)預(yù)警、人工影響天氣、環(huán)境氣象、航空部門的意見建議，研究改進(jìn)現(xiàn)有現(xiàn)有垂直氣象探測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)垂直氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件進(jìn)行系統(tǒng)化、產(chǎn)品化處理，推廣應(yīng)用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)垂直氣象科學(xué)技術(shù)成果，促進(jìn)垂直氣象技術(shù)升級(jí)換代，構(gòu)建符合本地實(shí)際的國(guó)內(nèi)新一代多元化垂直氣象探測(cè)服務(wù)系統(tǒng)。

（8）配合中國(guó)氣象局相關(guān)科技部門、中科院、高等院校等單位相關(guān)部門，采用合作的方式，通過科學(xué)研究、科技實(shí)驗(yàn)，逐步解決常規(guī)高空氣象中存在關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

（9）結(jié)合鄭州國(guó)際航空港建設(shè)，構(gòu)建常規(guī)高空氣象與探測(cè)空域飛行業(yè)務(wù)間友好相遇的握手機(jī)制解決探測(cè)空域安全隱患問題；研制雙程高空氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)解決常規(guī)高空氣象探測(cè)球炸后造成氣球降落信息不明的安全隱患。

（10）主動(dòng)參加國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代測(cè)試（分硬件系統(tǒng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)測(cè)試）技術(shù)交流；研究基于現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)多元化垂直氣象探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)，構(gòu)建基于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多元化垂直氣象探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制平臺(tái)。

（11）加強(qiáng)多元化氣象探測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的梯型風(fēng)能、太陽(yáng)能資源評(píng)估與利用，研制多元化垂直氣象探測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的梯型風(fēng)能、太陽(yáng)能資源信息服務(wù)系統(tǒng)。

（12）進(jìn)行多元化垂直氣象探測(cè)數(shù)據(jù)融合技術(shù)交流和合作，研制、推廣新型多元化垂直氣象探測(cè)數(shù)據(jù)融合平臺(tái)。研制三維氣象數(shù)據(jù)場(chǎng)景化信息系統(tǒng)。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著氣象現(xiàn)代化探測(cè)設(shè)備業(yè)務(wù)化運(yùn)行，鄭州局垂直氣象探測(cè)設(shè)備單一，收集的氣象情報(bào)資料不能滿足公共氣象、安全氣象、資源氣象等氣象精細(xì)化、個(gè)性化的預(yù)測(cè)預(yù)警需要，組建和完善鄭州多元化垂直氣象探測(cè)觀測(cè)體系，才能充分發(fā)揮精細(xì)化和個(gè)性化的預(yù)測(cè)預(yù)警能力，使其能更好的為國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。

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