我國氣候觀象臺的現(xiàn)狀與發(fā)展思考

■ 陳冬冬 郭建俠 林立錚 高瑞泉 張明 王建凱 宋樹禮

氣候觀象臺作為綜合觀測站，具有對氣候多圈層及其相互作用開展長期、連續(xù)、立體和綜合觀測的作用。2018年中國氣象局正式將氣候觀象臺作為區(qū)別于基準氣候站等站類的一個獨立站類命名，并將氣候觀象臺定性為國家級地面綜合觀測站。

氣候是人類生存環(huán)境中最活躍的組成要素之一，與人類的生存息息相關(guān)，同時也是最重要的自然資源之一。氣候變化將導(dǎo)致人類生存條件的變化，影響社會經(jīng)濟和公眾生活的各個方面。氣象探測對于氣象科學(xué)與氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展起到了先導(dǎo)作用，每一次探測技術(shù)的革命性進步，都推動了氣象科學(xué)與業(yè)務(wù)的巨大發(fā)展。地面觀測系統(tǒng)的建立并借助電報的發(fā)明，形成了早期的天氣圖預(yù)報方法和有限能力的短期天氣預(yù)報，全球高空氣象探測網(wǎng)資料對于數(shù)值天氣預(yù)報的發(fā)展做出了重要貢獻，天氣雷達網(wǎng)的建立有力地推進了中小尺度強對流天氣的研究和短時臨近天氣監(jiān)測預(yù)警的發(fā)展，而全球氣象衛(wèi)星觀測網(wǎng)的形成為地球系統(tǒng)科學(xué)研究和全球天氣預(yù)報服務(wù)提供了覆蓋全球的實時觀測數(shù)據(jù)。

1992年世界氣象組織、聯(lián)合國教科文組織政府間海洋委員會、國際科學(xué)聯(lián)盟理事會、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署共同發(fā)起了全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）計劃，其基本思路是在統(tǒng)一的發(fā)展計劃和技術(shù)規(guī)范的指導(dǎo)下，對世界上現(xiàn)有的地球環(huán)境方面的觀測系統(tǒng)進行必要的改進、補充和整合，建立一個包含氣候觀測的氣象綜合觀測系統(tǒng)，對大氣圈及大氣與多個圈層的相互作用進行觀測，為氣象和地球相關(guān)學(xué)科的業(yè)務(wù)與科研提供高質(zhì)量、連續(xù)、均一的各類觀測資料

氣候觀象臺作為綜合觀測站，具有對氣候多圈層及其相互作用開展長期、連續(xù)、立體和綜合觀測的作用。2018年中國氣象局正式將氣候觀象臺作為區(qū)別于基準氣候站等站類的一個獨立站類命名，并將氣候觀象臺定性為國家級地面綜合觀測站。建設(shè)氣候觀象臺是應(yīng)對氣候變化、服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)的一項重要舉措，同時氣候觀象臺也是開展相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究、開放合作和人才培養(yǎng)的平臺，在當(dāng)前生態(tài)文明體制改革和建設(shè)美麗中國的背景下，開展氣候觀象臺的調(diào)研和思考，推進氣候觀象臺建設(shè)和發(fā)展，將是推進我國觀測體系現(xiàn)代化和氣象業(yè)務(wù)國際化的重要舉措。

1 氣候觀象臺發(fā)展簡介

GCOS計劃發(fā)起至今，GCOS在觀測數(shù)據(jù)的積累、觀測網(wǎng)的覆蓋、觀測技術(shù)能力提升等方面取得很大進展，并已在IPCC評估報告和與氣候有關(guān)的研究與決策中起到了非常重要的支撐作用。下面簡單對國外著名氣候觀象臺和我國建立的五個氣候觀象臺進行調(diào)研總結(jié)，以對新時期我國氣候觀象臺建設(shè)起到指引作用。

1.1 國外氣候觀象臺發(fā)展

歐洲、美國等氣象發(fā)展發(fā)達國家（地區(qū)）均已建立了知名的氣候觀象臺，如德國的林登伯格觀象臺（Meteorological Observatory Lindenberg，MOL）、美國的藍山氣候觀象臺（Blue Hill Meteorological Observatory）、加拿大的多倫多磁學(xué)和氣象學(xué)觀測站（Toronto Magnetic and Meteorological Observatory）等。這些氣候觀象臺在長期從事穩(wěn)定的基準氣候觀測的基礎(chǔ)上還進行氣候系統(tǒng)及多圈層綜合觀測，下面重點對全球著名的德國林登伯格氣候觀象臺的業(yè)務(wù)和發(fā)展進行討論。

MOL隸屬于德國氣象局研究與發(fā)展部，是一個長期從事基準氣候觀測、觀測設(shè)備試驗測試和比對標校，以及觀測與預(yù)報交互試驗研究的專門機構(gòu)，始建于1905年，并持續(xù)開展了氣象觀測業(yè)務(wù)，1990年并入德國氣象局。MOL雖經(jīng)歷了百年的發(fā)展，但其主要工作一直集中在三個方面：一是長期高質(zhì)量的基準氣候觀測，包括地面常規(guī)要素、輻射和高空基準氣候觀測；二是憑借其高質(zhì)量的觀測，開展觀測設(shè)備測試、試驗、比對和標校，解決觀測業(yè)務(wù)的需求；三是以滿足數(shù)值預(yù)報需求為目標，開展觀測及與預(yù)報相關(guān)的科學(xué)試驗和研究。

在長期基準氣候觀測方面，MOL是眾多氣候研究項目的參考站。包括GCOS的輻射基準站，世界氣候研究項目（WCRP）參考站，GCOS探空基準站（GRUAN），歐洲氣象網(wǎng)（Eumetnet）的風(fēng)廓線觀測站。MOL非常注重大氣三維結(jié)構(gòu)連續(xù)觀測，利用地基遙感技術(shù)及直接測量技術(shù)持續(xù)不斷地推進著垂直廓線的觀測，是世界氣象組織目前所認可的唯一一個地基遙感牽頭中心，在垂直廓線觀測領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

MOL作為百年氣候觀象臺有一支穩(wěn)定且十分嚴謹?shù)膶Ｂ毧蒲嘘犖?，有力保障了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。盡管氣象觀測隨著設(shè)備的更新和技術(shù)的發(fā)展一直在延續(xù)，但林登伯格氣候觀象臺對觀測元數(shù)據(jù)及不確定度影響方面開展了多項研究，并對該站歷史上所用設(shè)備和觀測方法都進行了細致的數(shù)據(jù)質(zhì)控和分析比對，確保高質(zhì)量的觀測資料。正是這種高質(zhì)量觀測資料的積累，造就了林登伯格氣候觀象臺在全球氣象觀測方面極高的地位和影響力。

在觀測設(shè)備和觀測方法研究方面，MOL著眼于數(shù)值預(yù)報模式的需求來規(guī)劃新設(shè)備試驗，尤其在新型地基遙感垂直觀測和大氣邊界層觀測方面。觀測試驗多為各類觀測設(shè)備的綜合觀測，可提供不同下墊面長期、立體的綜合觀測，為數(shù)值預(yù)報模式參數(shù)化和預(yù)報檢驗評估提供了大量詳實的觀測數(shù)據(jù)。

1.2 我國氣候觀象臺發(fā)展

在全球氣候觀測系統(tǒng)計劃制定和實施的大背景下，我國也積極參與到氣候觀象臺的設(shè)計規(guī)劃和建設(shè)中。我國在制定氣象業(yè)務(wù)技術(shù)體制改革方案時，把發(fā)展中國氣候觀測系統(tǒng)作為氣象觀測系統(tǒng)改革的重要內(nèi)容之一，提出了在中國建設(shè)氣候觀象臺的改革目標。

為獲取高準確性，高精度、長時序的氣溫、降水等基準觀測資料，2007年我國七部委聯(lián)合印發(fā)《中國氣候觀測系統(tǒng)實施方案》，并在我國不同氣候關(guān)鍵區(qū)選擇了5個具有區(qū)域代表性的氣象觀測站，建設(shè)用于進行長期、穩(wěn)定、連續(xù)的氣候觀測的氣候觀象臺，開展氣候觀測與技術(shù)研發(fā)和試驗，包括內(nèi)蒙古錫林浩特、甘肅張掖、安徽壽縣、云南大理、廣東電白，針對不同氣候系統(tǒng)關(guān)鍵觀測區(qū)設(shè)置了不同的觀測內(nèi)容。各氣候觀象臺觀測內(nèi)容在表1中給出。

表1 氣候觀象臺試點站觀測項目

氣候觀象臺新的觀測任務(wù)和新的觀測結(jié)果是氣象學(xué)科和氣象業(yè)務(wù)前進強有力的推動。氣候觀象臺地面常規(guī)觀測業(yè)務(wù)都基于國家基準氣候站的業(yè)務(wù)序列，同時還參與多個觀測試驗和科學(xué)研究項目。當(dāng)前五個氣候觀象臺中，錫林浩特已建設(shè)完成基準輻射觀測，即將開展GRUAN建設(shè)，同時也注重草原生態(tài)氣象觀測研究方向，在草原生態(tài)監(jiān)測評估、草原蒸散和水分平衡研究等方面具有一定研究能力和項目基礎(chǔ)。電白氣候觀象臺的海洋綜合觀測系統(tǒng)建設(shè)較完備，建立了全國首個海洋氣象科學(xué)綜合試驗基地（茂名博賀海洋氣象科學(xué)試驗基地），實現(xiàn)了從海洋環(huán)境到中低空大氣要素的立體、連續(xù)、全天候的觀測，已成為我國南海海洋氣象重要的科學(xué)試驗基地。壽縣結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱拖聣|面特征，開展了包括地面氣象觀測、大氣環(huán)境觀測、農(nóng)業(yè)氣象觀測、人工影響天氣服務(wù)、近地面通量觀測等多項業(yè)務(wù)和科研工作，同時聯(lián)合科研院所和高校開展多類地基遙感觀測設(shè)備外場試驗。大理氣候觀象臺除了開展地面氣象常規(guī)觀測外，還開展了近地層通量觀測、邊界層風(fēng)（溫）廓線雷達觀測、洱海水上自動觀測系統(tǒng)、點蒼山—洱海剖面典型山地氣象觀測系統(tǒng)、基準輻射觀測等多種觀測，覆蓋了從湖面、地面至高空大氣物理參數(shù)的立體觀測。經(jīng)過十余年的探索和試點，我國在氣候觀象臺建設(shè)方面積累了許多寶貴經(jīng)驗，對改進天氣、氣候模式和邊界層、云物理過程參數(shù)化方案等起著重要作用，同時也對影響我國的天氣系統(tǒng)和災(zāi)害性天氣有了更深入的了解。從我國氣候觀象臺的發(fā)展看，氣候觀象臺是業(yè)務(wù)和科研的融合，豐富的觀測產(chǎn)品和高水準的觀測業(yè)務(wù)帶動了氣象科研工作的開展。

2017年中國氣象局提出要大力推進氣候觀象臺建設(shè)，以幫助解決數(shù)值模式發(fā)展中面臨的相關(guān)物理問題為目標，在氣候觀象臺設(shè)計和開展針對性的觀測試驗。

隨著近年來氣候觀象臺在國家生態(tài)文明建設(shè)、氣候變化、天氣氣候業(yè)務(wù)發(fā)展、大氣科學(xué)研究以及與WMO業(yè)務(wù)交流和合作的需求越來越旺盛，需要在我國氣候代表性突出、具有一定觀測和合作基礎(chǔ)的地區(qū)建立一批氣候觀象臺。

2 氣候觀象臺發(fā)展探索

根據(jù)我國近年來在綜合氣象觀測業(yè)務(wù)的發(fā)展規(guī)劃和相關(guān)決策部署，我國氣候觀象臺發(fā)展應(yīng)以應(yīng)對氣候變化為出發(fā)點，結(jié)合服務(wù)新時代生態(tài)文明建設(shè)等需求，堅持“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”發(fā)展理念，緊跟國際科技前沿，統(tǒng)籌部門內(nèi)外資源，創(chuàng)新發(fā)展機制和管理方式，大力提升氣候系統(tǒng)多圈層觀測業(yè)務(wù)能力，充分發(fā)揮氣象部門在應(yīng)對氣候變化工作中的基礎(chǔ)性支撐作用。

2.1 氣候觀象臺站址布局設(shè)計

氣候觀象臺布局應(yīng)根據(jù)不同氣候帶下墊面代表性、氣候系統(tǒng)不同圈層相互作用等特征，在不同氣候類型的一些關(guān)鍵區(qū)域，特別是對氣候系統(tǒng)各圈層相互作用、能量和物質(zhì)交換比較敏感的關(guān)鍵區(qū)域，擇優(yōu)選取觀測基礎(chǔ)較好、符合氣候觀象臺建設(shè)發(fā)展要求的站點，建設(shè)氣候觀象臺。2008年由張人禾院士和徐祥德院士主編完成的《中國氣候觀測系統(tǒng)》中曾對我國氣候系統(tǒng)觀測關(guān)鍵區(qū)進行了詳細的劃分和說明。書中結(jié)合我國氣候資源特征以及待解決的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，將我國劃分為16個氣候系統(tǒng)關(guān)鍵觀測區(qū)，各關(guān)鍵觀測區(qū)名稱以及所轄區(qū)域在表2中給出。

在布局設(shè)計中，應(yīng)堅持集約化和一站多址、一站多用設(shè)計思路，發(fā)揮地基、空基和天基相結(jié)合的綜合優(yōu)勢，充分利用現(xiàn)有國家基準氣候站、國家基本氣象站、國家氣象觀測站、應(yīng)用氣象觀測站、高空氣象觀測站、科學(xué)試驗基地以及外部門野外試驗站等已具備的基礎(chǔ)觀測條件，擇優(yōu)遴選。以站址的氣候區(qū)域代表性、未來發(fā)展的可持續(xù)性和探測環(huán)境等為重點選擇條件，兼顧已有觀測資料序列的連續(xù)性、現(xiàn)有資源和外部門資源的有效利用等。

表2 氣候觀測關(guān)鍵區(qū)及所轄區(qū)域

2.2 氣候觀象臺觀測任務(wù)的設(shè)計

我國幅員遼闊、氣候區(qū)域特征顯著，氣候觀象臺的觀測任務(wù)可分為基本觀測任務(wù)和拓展觀測任務(wù)。根據(jù)當(dāng)前氣象事業(yè)發(fā)展和領(lǐng)域需求特點，基本觀測任務(wù)包括地面基準氣候觀測、高空觀測、近地層（海面）通量觀測、基準輻射觀測、地基遙感廓線觀測、生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、大氣成分觀測等。下面分別對各類氣象觀測的意義和部分觀測內(nèi)容進行說明。

地面基準氣候觀測是氣候觀象臺最基本的觀測任務(wù)。開展高精度地面基準氣候觀測，為氣象觀測業(yè)務(wù)和科研累積地面大氣核心變量的長序列觀測數(shù)據(jù)，同時為周邊觀測校驗和衛(wèi)星觀測校驗等提供數(shù)據(jù)支撐。

高空觀測數(shù)據(jù)是廓線觀測的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展高空觀測，為有關(guān)業(yè)務(wù)和科研累積高空大氣核心變量的長序列觀測數(shù)據(jù)，同時為地基遙感、衛(wèi)星和其他觀測校驗提供數(shù)據(jù)支撐。

近地層（海面）通量是陸氣、海氣相互作用的重要指標。開展通量觀測，定量測量氣候系統(tǒng)各圈層之間的物質(zhì)和能量交換，獲取不同代表性下墊面近地層動力、熱力結(jié)構(gòu)及多圈層相互作用過程的綜合信息，實現(xiàn)對各圈層相互作用的客觀定量描述，為氣候模式參數(shù)化方案的建立、檢驗、校正提供科學(xué)依據(jù)。

基準輻射觀測是按照國際地面輻射觀測網(wǎng)的標準開展的高精度近地層輻射全分量觀測。開展基準輻射觀測，提供地表輻射通量的連續(xù)、長期和頻繁采樣的測量，為校正星載儀器、估算地表輻射收支和通過大氣的輻射等提供數(shù)據(jù)，為監(jiān)測地表輻射通量的區(qū)域趨勢、開發(fā)清潔可再生能源等提供支撐。

地基遙感廓線觀測是獲取近地層和邊界層高時空分辨率的連續(xù)大氣變量垂直廓線的主要手段。開展地基遙感廓線觀測，提供邊界層大氣結(jié)構(gòu)和狀態(tài)監(jiān)測信息，為模式發(fā)展、災(zāi)害性天氣監(jiān)測及機理研究等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時為衛(wèi)星觀測校驗提供支持。

生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測是對氣候系統(tǒng)中與生態(tài)相關(guān)的因子和變量進行觀測評估。開展生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測，圍繞區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)需求和生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測重點任務(wù)，開展山、水、林、田、湖、草、沙、海、城、氣等生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測，積累長序列生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測資料，為生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)機理研究和持續(xù)改善方法研究等提供數(shù)據(jù)支撐。

大氣成分觀測是全球氣候觀測系統(tǒng)中大氣領(lǐng)域的重要觀測任務(wù)。開展大氣成分基本變量觀測，積累長序列觀測數(shù)據(jù)，為有關(guān)數(shù)值模式發(fā)展、機理研究及大氣環(huán)境監(jiān)測等提供數(shù)據(jù)支撐。

氣候觀象臺可拓展觀測任務(wù)包括冰川凍土積雪觀測、海洋觀測、生物圈觀測、水文觀測、氣候資源觀測等。氣候觀象臺在承擔(dān)基本觀測任務(wù)外，應(yīng)根據(jù)其區(qū)域特點、功能定位和業(yè)務(wù)科研需求等確定拓展觀測任務(wù)。

冰川觀測主要包括冰川表面能量平衡，冰川物質(zhì)平衡，冰川水文（包括水位、流量、泥沙、降水量、蒸發(fā)等），冰川尺寸（面積、厚度），冰川物理特性（溫度、運動）、冰面積雪等項目的觀測。凍土觀測主要包括凍土溫度、活動層溫度、活動層土壤濕度、凍土溫室氣體排放、土壤熱流等項目的觀測。積雪觀測包括雪型、雪深、粒度、密度、硬度、含水量、溫度等項目的觀測。在有條件的氣候觀象臺開展冰川凍土積雪觀測。

海洋觀測主要利用近海陸基、?；茸詣犹綔y設(shè)備，開展水、土、生、碳以及近海海域水質(zhì)、赤潮、滸苔等生態(tài)要素綜合監(jiān)測，包括常規(guī)氣象要素、海霧、海洋動力、海洋化學(xué)、生物多樣性、海氣通量等。在有條件的氣候觀象臺開展海洋觀測。

生物圈觀測主要開展動植物的觀測，包括植物物候、葉綠素、覆蓋率、葉面積指數(shù)、植物光合參數(shù)、植物營養(yǎng)成分、生產(chǎn)力、林間腐殖層厚度、森林群落結(jié)構(gòu)，動物種類和分布、種群數(shù)量和密度、棲居生境類型及質(zhì)量、出生率和死亡率等。在有條件的氣候觀象臺開展生物圈觀測。

水文觀測主要開展地表徑流和地下水的各項觀測，包括水位、徑流量、水質(zhì)、泥沙、降水、水溫、冰清、比降、地下水水位變化、蒸發(fā)、積雪（深度和水當(dāng)量）、氣溫、枯水日期、豐水日期、洪水等。在有條件的氣候觀象臺開展水文觀測。

氣候資源觀測包括風(fēng)能、太陽能等氣候資源的觀測。以風(fēng)能觀測為例，觀測項目包括風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫及氣壓等。利用鐵塔安裝風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，開展當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源觀測。

2.2 氣候觀象臺運行保障措施

氣候觀象臺作為業(yè)務(wù)和科研性質(zhì)的單位，應(yīng)兼具業(yè)務(wù)觀測站和開放實驗室的功能和特點。在人員配置上，氣候觀象臺應(yīng)按照工作任務(wù)和實際需求，合理設(shè)置氣候觀象臺的業(yè)務(wù)、科研、管理崗位，配齊配強氣候觀象臺專職人員隊伍，確保氣候觀象臺業(yè)務(wù)、科研等正常開展，充分發(fā)揮觀測資料效益。在穩(wěn)定運行上，需要結(jié)合觀象臺的特點開展監(jiān)督和考核，對氣候觀象臺的設(shè)備運行、業(yè)務(wù)管理、服務(wù)產(chǎn)品等方面給予指導(dǎo)和考核，以確保氣候觀象臺能長期、有效地開展工作。在持續(xù)發(fā)展上，氣候觀象臺應(yīng)按照“共建、共管、共享”的發(fā)展理念，充分發(fā)揮氣候觀象臺優(yōu)勢，吸引相關(guān)部委、科研機構(gòu)和國內(nèi)外高校，通過合作建立開放實驗室和科學(xué)委員會等機制，以客座研究、項目合作和設(shè)立開放基金等多種方式，共建共管觀測設(shè)備，共享觀測資料及基礎(chǔ)設(shè)施，以項目合作促進觀象臺業(yè)務(wù)能力發(fā)展和科技人才培養(yǎng)。

3 小結(jié)

本文概述了氣候觀象臺建設(shè)的重要性，并指出在當(dāng)前加大生態(tài)文明建設(shè)的形勢下，加快我國氣候觀象臺建設(shè)的時機已經(jīng)成熟。氣候觀象臺布局應(yīng)結(jié)合我國16個氣候系統(tǒng)關(guān)鍵觀測區(qū)的劃分，充分發(fā)揮氣候觀象臺在氣候監(jiān)測以及多圈層相互作用研究方面的價值，解決觀測關(guān)鍵技術(shù)難題。

結(jié)合世界氣象組織對觀測系統(tǒng)的需求，同時根據(jù)我國地形和氣候區(qū)劃特征，歸納了我國氣候觀象臺應(yīng)開展7類基本觀測業(yè)務(wù)，同時結(jié)合氣候觀象臺地域和氣候特征選擇性的開展5類拓展觀測。

深入閱讀

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