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AMS百年评述论文译介

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大气观测系统100进步发布日期：2026-01-05

█ 作者：Jeffrey L. Stith¹, Darrel Baumgardner², Julie Haggerty¹, R. Michael Hardesty³, Wen-Chau Lee¹, Donald Lenschow¹, Peter Pilewskie⁴, Paul L. Smith⁵, Matthias Steiner¹, Holger Vömel¹

█ 作者机构：1. NCAR；2. 微滴测量科技公司；3.科罗拉多大学/NOAA；4. 科罗拉多大学；5.南达科他矿业理工学院

█ 编译：贾朋群李婧华

摘要：虽然在美国气象学会于1919年成立之前，大气观测系统已经是气象的重要组成部分，过去的100年里，无论是观测的数量还是种类都获得了稳定增加。本文给出了观测系统研发的案例，诠释这些系统如何促成了科学发现。这些案例包括了与边界层、高空、云和降水以及太阳和陆地辐射相关的观测系统。对应用广泛的特殊观测系统，例如雷达、光达和研究飞机等进行了讨论，并给出在天气和气候预报中应用的个例。这些个例中还包含了臭氧和二氧化碳等特殊的化学观测。观测系统的信息源，包括本文集其他章节涉及内容，也进行了讨论。

　　过去100年大气观测系统的特征，是社会对天气观测的需求与大气过程基本气象研究需求之间的协同。在后半程里，观测系统的改进得到数值模式对更高分辨率数据、长期观测和更好的全球覆盖等不断增长需求的推进。这也带来数据获取和获得来自不断增加的各种观测系统类型和观测网的融合数据的需求，这样的趋势将可能持续。

1 引言

　　现代气象科学，根植于观测温度、气压、湿度和风速风向等大气基本性质的基本气象仪器的开发。这些仪器在美国气象学会（AMS）1919年成立前就长期被使用。对历史的考量（例如NRC,1958）确信，19世纪中期电报的发明是气象的转折点，因为它让不同地点的大气测量和观测作为一个整体进行分析成为可能，即作为一个观测系统。大气观测系统一直是气象学进步的核心推动因素，尽管该术语本身的广泛使用相对有些现代气息。该术语在气象词典（AMS,2000）中并没有给出一般性的定义，尽管有相关的术语（“全球观测系统”和“观测网”），但并没有覆盖该词在气象文献中的通用意义的范围。我们给出大气观测系统的定义：一台仪器或一组仪器能够用于生成一组连贯的观测数据。因此，该定义基于生成数据的类型。一台扫描雷达，尽管在某种意义上可能只被看作是一台独立的仪器，因为能生成一组在空间和时间上相互联系的观测（例如，反射率），因此通常被认为是一个观测系统。

　　本章讨论气象和大气科学在过去100年里取得里程碑进步中，主要观测系统做出贡献的例子，目的之一是解读科学进步与大气观测系统研发和实施之间的关系。随着观测体系数量和类型的增加，特别是近年来，很难覆盖这一时间所有系统及其各种用处。而且，很多重要的观测系统在文集的其他章进行了描述，很多很好的参考文献提供了较本文更详尽的信息。本章的第二个目的，是提供有关观测系统更多信息源的指南，包括哪些可以在本文集其他章节得到。最后，通过对过去100年几个例子的深刻解读，探讨科学、社会和观测系统之间的关系。

　　观测系统是气象及其开发的很多领域的核心组成，其应用与一些需求联系在一起。首先，针对基本大气过程的基础研究激发了新观测系统的开发。其次，业务气象，例如天气预报，严重依赖于地理相关的及时观测。天气预报和预报利用的数值模式与初始条件密切相关，后者推动了观测需求。本文集关于天气预报和数值天气预报章节描述了过去100年天气观测用于预报的历史（Benjamin, et al. 2018,表1）。第三，很多行业（例如，航空、农业、水文、空气质量等）与特殊的观测系统密切相关，这些社会需求经常推进相关观测系统的发展。一些例子本章给出，其余例子在应用气象章节（Haupt, et al.2018,a,b,c）给出。最后，在认识地球系统和气候变化实质上的进步，从根本上与观测系统联系在一起，后者在长的时间尺度和宽广的地域里实施。与天气预报不同，气候研究并不依赖于初始条件，因此在收集和组织观测系统的数据方面采取了不同的方法。

　　本章关注大气观测系统，尽管强调了整个地球系统的观测提供了与大气观测的关键联系，特别是针对气候。为了与AMS百年的主题保持一致，给出一些美国联邦机构实施的观测系统的例子。对其他国家和如WMO主持的国际项目中的特别例子，也进行了讨论。

　　本章第2节综述了行星边界层（PBL）观测取得的进步，第3节讨论高空（探空）系统。第4节和5节分别针对一些遥感系统和太阳、地球辐射观测展开。研究飞机探测在第6节给出。社会需求和观测系统之间的关系在第7节中进行了简要讨论。

1.1 20世纪大气观测系统的进步

　　图1给出过去100年里大气科学的一些重要发现的时间表，其中有一些观测系统的里程碑。图1中，原始创新论文被标记为里程碑事件，尽管在很多情况下论文基于之前的工作并且在发表后该主题的研发持续开展。在一些情况下，如我们后面的讨论，一些论文、外场试验或装置覆盖了更长的时段。

　　在百年时段之初，已经建立了一些重要的观测系统。在美国，国会于1870年规范了天气观测的收集，并通过1890—1891年建立天气局和合作观测项目（Cooperative Observer Program，COOP），以及1926年颁布《航空商业法》（图1）进行推进。航空商业法将观测、预报和警报职责赋予了美国天气局（NRC,2009）。这项职能在1938年扩展到水文和水资源（NRC,2009）。COOP是美国最大和最悠久的天气观测网，如今观测员已超过1.1万人，每年观测量超过100万小时¹。目前国家气象局（NWS）对该项目进行管理，开展培训、数据采集和处理、质量控制并通过国家环境信息中心归档和发布。观测仪器和站址需满足NWS的标准。在1.1万个COOP站中，近5000个是气候站，超过6000个站支持水文观测。最近的地面观测系统现代化始于1991年，引进了自动地面观测系统（Automated Surface Observing System，ASOS），实施过程覆盖了整个1990年代。

　　本章第3节以及Lewis（2003）的评述，综述了观测系统在20世纪早期在观测高空风中的应用。第3节给出更多的历史详情和Lewis（2003）没有涉及系统的描述。21世纪前半程全面的高空数据历史资料，已经由Stickler et al.（2010）进行了编辑，且其中的高空观测记录还在增加（其中的图3），并给出这些观测的详细历史。绘制高空风的早期进步也受益于地面数据向高空的探索，例如，利用热成风方程。这也给出了理论能够拓展观测系统的用处的例证，该特征贯穿整个观测系统的历史。

　　AMS的成立与Vilhelm Bjerknes经典书籍《论圆涡旋动力及其在大气和大气涡旋及波动中的应用》（Bjerknes,1921）的出版几乎同时发生。该书为挪威气象局在天气图上确定极地锋提供了理论基础，而成果依据的天气站网是作者和同事在一次世界大战期间在整个挪威建立的。现代气象学基础中的大部分内容，例如气团和锋系统的概念，因为天气站网的可用性和Bjerknes及合作者的工作而在这个时期形成。

¹见合作观测项目：www.weather.gov/rah/coop

　　高空观测系统推进气象学历史上最为重要的例子之一，是对行星波（“罗斯贝波”）的认识，该认知由Carl-Gustaf Rossby在1939—1940年开辟——例如，见Byers（1960）和Platzman（1968）对Rossby工作的评述。其他利用高空观测发现的重要现象包括准两年振荡（例如，第3节和Wallace,1973）和MJO。Madden and Julian（1971）分析了Canton岛近10年的每日探空数据，发现了41～53天振荡，现在被命名为Madden Julian振荡（MJO）。第3节进一步给出高空探测系统及其在科学应用上的详细历史。

　　痕量气体观测系统的一个里程碑进步，1920年代初随着多布森分光光度计的出现而实现，随后该仪器还在世界其他地区得到应用（例如，见评述，Dobson,1968）。该观测系统，以及测量高空湿度方法的开发，使得我们认识了全球平流层气团环流和发生在对流层和平流层之间的交换过程（Brewer-Dobson环流）（例如，见评述，Butchart,2014和本章3节）以及1931年发现平流层臭氧的Chapman机制。最近，1995年诺贝尔化学奖颁给了Crutzen、Molina和Rowland，以表彰他们在认识氟氯烃（CFC）对平流层臭氧消耗方面的工作。显然，没有臭氧观测系统，他们的工作是不可能的。观测还在更早的时候发现了臭氧洞（Farman et al.1985）。他们的发现还依赖于测量CFC（例如NAS,1996），以及其他痕量要素和太阳辐射的技术进步。观测系统以及大气化学仪器的开发和应用在过去100年里获得了极大扩展，并在气象及其他社会感兴趣的很多领域得到应用。这些在本文集的大气化学章节（Wallington et al.2018）以及在文献NRC（1998）中进行了讨论。

　　虽然美国陆军通信兵发布的飓风警报在时间上更早，第一个飓风预警系统是天气局于1935年建立的¹。探测信息的数量和质量的提高，最早通过布设探空，后来通过引进下投式探测系统（下投式探空仪）在很多年里带来了飓风预报的持续改进（例如Burpee et al.1996）。本文集中Emanuel（2018）撰写的章节给出了飓风和热带气旋研究历史的更多详情。

　　尽管探空这样的实地观测系统是现代气象的核心组成，但遥感系统已经起到主要作用，尤其是卫星成为遥感的平台后更是如此。遥感系统一般分为被动和主动系统。被动系统采集自然发生的现象，例如周围的电磁辐射，而主动系统传送和接收信号。雷达和光达是主动系统的两个例子。气象雷达或许是最成功和广泛应用的大气遥感系统的例子。现代雷达气象领域的起源是第二次世界大战（WWII）期间开发的雷达技术观测；雷达本身的研发来自更早的无线电技术开发。雷达快速扫描风暴和展示相关反射率场（近来包括了其他变量，如多普勒速度和极化参数）的能力，使得雷达成为风暴研究和业务天气预报不可或缺的部分。在美国，利用战争剩余系统经过改造的天气雷达网在二战后出现。专门用于天气观测的雷达于1950年代出现，国家气象局WSR-57系统网随着第一台WSR-57雷达在位于佛罗里达州迈阿密的新飓风预报中心安装，于1959年6月26日开始运作（NRC,2009）。雷达网于1990年代初进行WSR-88D多普勒雷达升级，升级后称为NEXRAD²（图1）。NEXRAD系统在2010年后进一步升级，包括了双极化观测以给出风暴结构和水汽特征的更多细节并改进数据质量。气象雷达发展的更多细节见第4节。

　　雷达依然是确定包含或者可能生成龙卷的雷暴位置的最基本工具。第一个与龙卷风暴相关的雷达钩状回波1953年4月9日在伊利诺斯州水调查过程中被观测到³。Fujita关于记载龙卷灾害创造性的工作（即“Fujita尺度”）关键依赖于相关过程的不同风速灾情的评估和概念模型的开发（例如Fujita,1971中的图2）。这种概念模型在解释观测时起关键作用。

¹国家气象局的历史，www.weather.gov/timeline

²WSR-88D开发的历史，见www.roc.noaa.gov/WSR88D/PublicDocs/nexrad.pdf

³基于CHILL国家雷达设施历史：www.chill.colostate.edu/w/CHILL_history; 另见Markowski（2002）

1.2 大气观测系统信息源

　　大气观测系统对气象学的几乎所有方面都是必不可少的。尽管没有篇幅描述今天在使用的很多系统，但也有一些文献可以参考，包括本文集的其他章。表1摘要给出在本文集中一些特殊类型观测系统的相关信息。卫星观测系统被广泛应用，是本文集中2章中关注的观测系统平台（Fu et al.2018; Ackerman et al.2018）。本章4、5节给出一些常用卫星遥感系统信息。降水观测系统包括在水文章节（Peters-Lidard et al. 2018）。在表1中给出本文集中不同特殊气象应用领域的例子。

　　现代大气观测系统信息的最全来源之一，由Kramer（2002）给出，他强调卫星遥感传感器，但是包含了高空平台及所用仪器的清单和一个近期外场试验的概述。

　　观测系统状态的评述和着眼于20世纪末的未来需求在NRC（1998）中给出，报告讨论了与大气物理、大气化学、动力和天气预报、高层大气和近地空间、以及气候和气候变化研究相关观测系统。

　　两篇21世纪大气观测系统的评述来自NRC（2003）和NRC（2009）。在NRC（2003）的附录C中，列出了美国主要公共和私人观测系统，包括地面、高空、廓线、气象数据收集和报告系统（MDCRS）商业飞机数据、多普勒雷达、海洋观测、闪电探测和卫星等。针对其中的技术、传感器的数量、数据收集战略、数据产品、质量控制和数据发布等进行了讨论。NRC（2003）还描述了仪器成本下降、计算能力提升、带宽增加和与大气观测系统相关的网络能力等发生的巨大变化。例如，计算和数据同化/网络化的进步使得数值模拟能力具备更细小的尺度，带来了大气和土地利用变量更高分辨率观测的需求。与之有关的问题是处理和存储所生成的以量级增加的数据。

　　NRC（2009）概述了大气观测网，该网在美国呈现出多样和不同的支持机制。例如，NRC（2009）的附录B.1列出了超过500个不同的地基气象数据网，而在附录B.2中列出了很多空气质量监测网。这些附录对于发现观测参数、站点数量、业务机构和可获得数据的地点等有用。附录还提供了描述的数据库的链接并在地图上标出获取数据的地点（例如http://www.eol.ucar.edu/ projects/hydrometnet覆盖了美国水文气象网，包括国家、区域、州和地方的降水和雷达、高空、辐射和通量、土壤、水文和其他网等）。NRC（2009）第4章给出当前和未来观测系统，观测挑战和观测系统的全球背景。NRC（2009）还讨论了观测的社会需求和“网络之网”（Network of Networks）战略以更好地综合大量已有网。NRC（2009）和NRC（2003）都给出了20世纪末和21世纪初网络化提升的细节以及对观测系统及其如何使用带来的影响。它们讨论了增加的生成数据量进行协调的需求，这种增加可能会持续并成为21世纪气象的主要特征。

　　世界气象组织（WMO）长期倡导观测系统的国际合作。该组织的全球观测系统（GOS;WMO,2017）是世界天气观测网的一部分，其包括的需求和报告实践已经被WMO来自广泛的国际组织的伙伴所采用。WMO（2017）指出，GOS包括了大约11000个地面观测，1300个高空观测，4000艘船只（每天报告1000次），通过AMDAR系统接收来自超过3000架合作飞机的报告、来自卫星星座的数据、来自国家和区域网的雷达数据，以及太阳辐射观测、闪电探测观测、潮汐站观测和风廓线数据等。

　　WMO气象仪器和观测方法指南（GIMO,WMO 2014）是气象变量观测指南，它给出观测系统的描述，指导天基观测并给出观测系统质量保证和管理的方法。GIMO为很多观测网系统中的气象观测提供全面的参考和标准，例如用于GMO。

2. 边界层观测系统和从固定及移动地点观测湍流的系统

　　地表气象条件一直是过去100年里容易获取的，使得PBL观测系统取得重要改进。PBL研究的一个关键需求是湍流变量的观测，因为无处不在的湍流是PBL有别于其上层覆盖的自由对流层（FT）的基本属性。这一固有的湍流性质意味着量化PBL结构，需要观测平均标量（如温度、湿度和化学物），标量和动量通量等湍流变量，以及标量和动量的方差。虽然实地观测是PBL观测的主流，但存在重要的局限。一是传感器的影响以及这种影响的所观测对象属性的结构。另一个是观测点的局限。后者可以通过传感器阵列（例如Patton et al.2011）得到一定程度的解决，但是传感器的数量在实际中依然有限制。获得沿拓展路径同时观测的一个方法是用遥感技术，包括主动遥感如雷达、光达、声达（sodar，SOnic Detection And Ranging）、声学层析成像和闪烁计数器等，以及被动技术（如微波辐射仪和光谱仪）。边界层高度是另一个重要的PBL属性并可用遥感观测（例如Luo et al.2014）。很多这类技术在Wilczak et al.（1996）中进行了讨论，雷达和光达技术在第4节中讨论。Geerts et al.（2017）给出下一代对流和湍流观测技术的概要。

2.1 固定地点湍流观测

　　最重要的湍流变量之一是垂直动量输送，或称为应力。即使在观测应力的传感器开发之前，依据简单但精细、替代方法获得了估计值。例如，Richardson（1920）通过跟踪地面点源释放的“蓟花的冠毛”（即蓟种子周边轻羽毛物质）的轨迹，后来通过估计麦地里茎秆弯曲所需的力（Richardson 1922），来估计近地表应力。

　　早期对地表层湍流热量和水汽通量的直接涡动相关的测量，始于澳大利亚研究者利用热线式测风技术加上小尺寸干湿温度计进行的探索（Swinbank,1951）。从垂直风波动与温湿度波动乘积的平均值，得到通量。这意味着风速计和温度计的反应足以解析所有尺度现象对垂直通量的贡献。这些早期的测量带来对表面层湍流的结构认识的长足进步，特别是针对不稳定PBL（Priestley 1959）。虽然热线风速计一贯反应迅速，足以解析通量的贡献，但其内在的脆弱和苛求性使得在微风情况下运转不好（例如Hicks 1988）。然而，该方法依然是地表层特殊甚高频（细空间分辨率）湍流观测的标准技术（例如Metzger et al.2007）。一项较为粗糙的垂直通量观测方法——“通量仪”观测，在1965年进行了改进，利用螺旋桨测风仪测量垂直风分量（Hicks 1988）。该方法被持续改进和使用，直到被声风速表取代。

　　声风速-温度表是PBL湍流风速和温度波动观测的一项突破性研发成果。其早期版本于1953年夏大平原湍流外场项目（Lettau and Davidson 1957）和1956年夏在内布拉斯加州的O’Neill附近进行的大草原项目期间被研发和布设，但是，如Kaimal（2013）在讨论声风速计历史时所言，成果乏善可陈。这些早期的外场项目表明，全面和全天候的观测对于总体上详细量化PBL过程很有用。这些先驱的努力，以及Kaimal和其他人对声风速计的进一步开发，带来了非常成功的1968年Kansas试验，试验中通过将Monin-Obkuhov相似理论应用于水平均匀地表层到稳定和不稳定层结数据，量化了PBL表面层结构。

2.2 移动平台湍流观测

　　PBL平均热力变量的飞机观测始于20世纪初，飞机投入一般性应用后不久，但是3个风分量的准确测量，包括湍流波动，则出现在较晚的时候。因为从移动平台观测矢量存在的本质性问题，需要测量其位置、速度和角定向，同时计算平台速度和空气相对于地球坐标系平台速度之间的差值才能解决。沿飞机经线轴的平均水平风速，可以从飞机相对于地球地面的速度（即地面速度）与穿过空气的速度（真实空速）之差，以及从飞机漂移角（飞机经线轴与飞行方向的夹角）得到的垂直于经线轴的平均水平风速近似估计。

3. 高空观测系统

　　直到19世纪末，大气观测一直主要来自地表，仅有少量观测来自载人热空气或气体气球。如下面的讨论，过去100年见证了高空测量能力及我们认识大气和为各种气象应用提供高空数据能力的同步主要提升。

3.1 从风筝到无线电探空仪：现代高空观测发展

　　1894年，10年前在波士顿附件建立了Blue Hill观象台的Abbott Lawrence Rotch放飞了第一支装备有测量大气环境层结的记录仪器的风筝¹。这一刻标志着系统高空观测的开始。Balsley et al.（1998）总结了美国天气局直到1933年还利用风筝开展的日常气象观测，后或许被飞机取代。Gregg（1922）给出了一个风筝应用的例子，他描述了依据落基山东部风筝探测站网给出的大气低层热力和动力结构。

　　1899年，Richard Assmann在德国柏林附近建立了航空气象台，该台1905年迁至德国Lindenberg，直到今天一直都是有影响的大气观测研究院所。Assmann除了利用风筝和系留气球外，还放飞载有“注册”仪器的气球，为此他发明了橡胶气球（Fergusson 1909）。这些观测中所有的仪器是复杂的自记气压温湿度计，那时被称为气象计。这些仪器一般用空盒测量气压、金属条测量温度，用毛发湿度计测量湿度。观测结果记录在机械拼条图上，在搭载自由飞行的注册气球开展观测时，需要找到仪器才能取回数据。注册气球和简单的示范气球，后者不载任何仪器，用光学经纬仪进行追踪以获得高层风廓线。

　　从1925年到1943年，美国天气局和陆军航空兵团运行一个在全国有30个飞机探测站的观测网，用于绘制大气低层廓线。但是，和风筝类似，飞机在恶劣天气时无法飞行，获取的数据只有等到探测完成才可使用。携带气象记录仪的飞机，能够记录温度、气压和湿度，和那个时期气球携带的气象仪非常类似（Bemis 1951）。

¹http://bluehill.org/observatory/about-us/history/

3.2 海洋探测问题的化解：下投式探空仪

　　对覆盖地球2/3的海洋进行实地探测的困难一直广为人知，海上探测需要繁重的后勤保障，特别是在风暴肆虐时。然而，当风暴对于居住在陆地上的人群构成威胁时，这种观测又特别有用。1943年，陆军上校Joe Duckworth飞入位于休斯顿附近的飓风眼区，开启了飓风巡查的新纪元。但是，因为穿越激烈风暴的飞行极具危险性，从飞机上发射仪器进入风暴进行附加观测就成为有吸引力的方式。1960年代后期，NCAR研发了下投探空系统，该系统可以从飞机上投放到雷暴中（Bushnell et al.1973）。1970年代早期基于Omega全球导航系统的风探测加入其中（Govind 1975）。LORAN风探测和后来的GPS和先进探测器也成为投放仪器（Hock and Franklin 1999,图4）。下投式探空仪成为飓风巡视的核心仪器，极大提升了飓风如何发展和影响哪个区域的预报能力（Burpee et al.1996）。它们为很多在数据稀疏区域依靠目标观测的研究项目填补了重要的空白。

3.3 高空观测和平流层

　　平流层风分析，始于1955—1960年间在内罗毕坎顿岛和圣诞岛施放的探空仪（McCreary 1959; Reed et al.1961），分析给出对流层低层风随时间出现的减弱，并被称为准两年振荡（Quasi-Biennial Oscillation，QBO, Ebdon and Veryard 1961）。最先对QBO作出理论解释的是Lindzen and Holton（1968），他们给出波动平均流相互作用的新理念（图1）。

　　平流层臭氧层的存在自Fabry和Buisson在地表进行太阳光谱早期观测（Fabry and Buisson 1913）就被知晓。Chapman（1930）提出臭氧是在光化学循环中通过氧原子与氧分子作用而形成。在没有进一步观测时，这是一个在40年里针对平流层臭氧的可以接受的解释。1968年，David Murcray利用美国国家科学气球设施（NSBF）平流层气球将一个太阳红外吸收光谱仪带人平流层，发现了硝酸（Murcray et al.1968）。Paul Crutzen展示了即使十亿分之几的硝酸也是一个指标，表明平流层臭氧可能在含有氧化氮NO和NO₂的光化学循环中因催化作用而消失殆尽。这一重要发现修正了Chapman提出的循环的不足，使得平流层臭氧的理论计算与平流层观测很好地符合。在关注于计划中的超音航空和后来含氯氟烃对平流层臭氧影响的促进下，出现了大量利用大学科学气球作为主要平台之一的平流层化学含量的观测。随着南极臭氧洞的发现，以及认识到多相态化学在平流层化学中起重要作用，气溶胶、火山灰和极地平流层云观测获得极大重视。Rosen和Hoffmann研发的观测平流层冷凝物质的仪器，随尺度不同的科学气球进入所有气候区（Hoffmann et al.1972）。

　　除了遥感技术，平流层臭氧监测需要频繁的实地观测。1960年代出现了一些适合于小型气球的仪器，Walter Komhyr设计了电子化学浓差电池臭氧仪（Electrochemical Concentration Cell ozone sonde）（Komhyr 1969）。该仪器一直与小型橡胶或塑料气球配套使用，成为对流层和平流层低层臭氧廓线实地观测的基准仪器。只能依靠实地观测，才能获得年度臭氧洞垂直范围的准确值。

　　1940年代初，Alan West Brewer在皇家空军气象研究飞机上进行了第一次英格兰上空平流层水汽观测。这些观测主要是为了认识飞机尾迹凝结形成以支持二战战事。但是，它们带来了认识平流层动力学的革命。他和Gordon M.B.Dobson推断，在热带对流层顶空气注入平流层（Dobson et al.1946;Brewer 1949）。他们的模型首次描述了一般平流层环流。但是，能对热带平流层水汽观测时，时间又过去了20年。1950年代后期，在一些地点开展了用霜点湿度计对平流层的观测。海军研究实验室的John Mastenbrook开发了低温过冷霜点湿度计，因为尺寸足够小可作为橡胶气球的负载（Mastenbrook and Dinger 1961）。与温度观测不同，上升使得水汽观测因随气球携带的水汽以及负载本身一般会受到干扰。为了避免这个问题，他开发了从小型橡胶气球释放气体的方法，能够在下降时观测水汽。他将该仪器用在太平洋的一些岛屿、印度以及特立尼达拉岛开展的观测中（Mastenbrook 1965;1966），并收集到2年热带平流层水汽数据，该数据集又是之后40年里没有被重复的。这些观测证实了Brewer和Dobson关于平流层干燥的假设。1980年该仪器被送到位于科州波尔多的NOAA，原始仪器的一些仿造仪器依然在用，并且形成了全球平流层水汽最长数据系列（Hurst et al.2011），是气候变化敏感的指标（Solomon et al.2010）。

4. 遥感观测系统

　　与实地测量和观测形成对比，很多观测必须或最好远距离进行。例如，卫星上的遥测系统在过去100年的后半阶段改变了我们观测大气的方式。今天，天基遥感系统与地基雷达网、气象观测、高空探测及其他数据来源共同组网。卫星遥感系统基于被动和主动遥感技术，开发利用了微波和光学电磁波谱的绝大部分。文集关于大气卫星观测章节（Ackerman et al.2018）讨论了其应用带来的科学进展。Kramer（2002）针对这些技术及相关卫星使命给出了全面评述，还给出一个相关外场项目的详细概述（在附带的CD ROM上）。下面给出其他有关卫星技术和应用的讨论。

　　图5给出一般遥感技术和其利用的电磁波谱部分的例子。这些技术中的大部分是近100年来相对近期才开发的，可以预期其能力和利用将持续推进。雷达无疑是最广为使用的遥感应用，尽管可能认为已经是成熟的，但雷达技术还在继续发展和扩展其应用，我们将在4.1节中讨论。更新的主动遥感技术，例如光达，看来在遵循同样的轨迹，利用复杂的技术从其电磁谱段开发信息内容，我们在4.2节中描述。最后，被动遥感技术广泛应用于空间，但依然有很多地表和空基应用。一些流行技术的例子，我们在4.3节中给出。

4.1 气象雷达系统

　　雷达观测对本文集其他一半以上章的主题做出了重要贡献。雷达的历史及其与气象的联系一直是出版文献充分报道的。在Bigler（1981）、Hitschfeld（1986）和Rogers and Smith（1996）中有记述；更详尽的评述包括了技术、应用和历史可以参考Atlas（1964;1990）以及Whiton et al.（1998a,b）等文献。这里我们仅从气象雷达及其对气象领域的贡献的演化过程中几个关键方面展开。在研究飞机观测系统（6.4节）章节里讨论了气象雷达对研究飞机的特殊用处。

　　正如在引言中讨论的，雷达观测系统对气象领域科学和应用两个方面都具有重要影响。雷达提供了数百公里风暴演化的关键信息，使得临近预报成为可能和近来影响到数值预报。飞机上的风暴回避雷达使得空中交通更为安全和舒适。雷达聚焦云观测（可以包含或不包含降水）对云物理和气候研究做出贡献。雷达观测引领着整个中尺度气象领域（Ligda 1951）。在大尺度，多部雷达的合成场（例如，“Ligda蒙太奇”，又见Carbone et al.2002）显示降水回波如何与天气尺度大气结构联系在一起。雷达气候学家给出风暴事件以及高影响事件或易于风暴形成地点发生频率这类事情的空间和时间分布。雷达降水气候分布对水文和气候科学，甚至是远距离的领域，如公共设施的工程设计都做出了贡献，星载雷达系统正在用于全球降水气候学的估计。

4.2 光达遥感系统

　　光达（Lidar，LIght Detection and Ranging）遥感在大气观测系统中占据了独特地位。尽管在概念上与雷达相似，但光达利用电磁波谱中紫外、可见光和红外区域更短的波长，能够对气溶胶、分子、化学物、云和空气运动（即风和湍流）进行观测。因为其能对很多感兴趣的大气成分（例如，气溶胶和痕量气体）采样，光达系统的研发增加的势头可能会持续。使用光达的时间没有雷达久远，因此其应用历史并不长（图1），但是，利用多种扫描光源在共同高度交叉对大气光散射进行观测的概念，第一次被Synge（1930）提出后，它是沿着与雷达同样的能力、完整性和影响力被改进的轨迹而发展的。

　　尽管基于探射光能够获得大气散射有意义的廓线，但是1960年激光的发明（例如 Bromberg 1988）提供了更强大的单色光源，一下使得光达遥感成为大气监测的主流工具。在红宝石激光开始应用的3年里，出现了光达系统用于气溶胶层观测的报道（例如Collis and Ligda 1964,Fiocco and Grams 1964）。从1960年代至今，新的光达遥感经历了与形成光达系统的光学部件技术的共同进步，特别是在激光发射器和接收器方面。过去50年，不同谱段具有更高性能和更稳定的新来源和探测器的出现，刺激了新观测能力的实现。

4.3 被动遥感系统

　　被动遥感技术，依据来自场景的自然发射或反射的电磁辐射，而非主动远程传感器，能提供自身能量对场景进行描述。早期被动遥感设备的一个例子是照相机；第一次世界大战军事侦察所用的空中摄影是过去100年初期遥感的应用。自空间时代开启，更为复杂的传感器被开发用于卫星，空基平台和地面传感器也有相应的改进。例如，全球降水量观测任务（GPM）核心观测携带一个最先进的微波辐射系计系统，包括2个更短波长频道使得对小雨和冰粒子的敏感性得到增强（Draper et al.2015）。后者在轨观测覆盖从68°S到68°S。GPM核心观测还作为基准系统支持来自其他携带各种特点微波辐射计的卫星星座数据的校准和分析（Hou et al.2014）。

　　利用电磁光谱中可见、红外和微波部分的遥感设备能够反演出大气的属性（图5）。云和气溶胶属性的观测都应用了可见和红外谱段。一个早期的例子是空基多通道云辐射计（Multi-channel Cloud Radiometer，MCR），被King（1987）用来通过观测可见光反射比获得云的光学厚度，后来被Nakajima and King（1990）用来获得利用可见和近红外观测得到有效粒子半径。该技术后来的更新带来了MODIS/ASTER（MASTER）空基模拟器，支持校准、验证，以及星载仪器（例如MODIS和ASTER）算法的研发（King et al.1996; Hook et al.2001）这一空基活动的共同目标（例如Kramer 2002）。

5. 太阳和陆地辐射观测系统

　　过去一个世纪见证了我们对通过地球系统辐射能力流的监测并应用于基本的大气辐射传输、辐射能量评估、遥感和改进气候及天气模式方面能力的显著进步。本节聚焦其中的一些主要成就和最重要的观测系统。

5.1 认识太阳输入的成就

　　来自太阳的辐射能量造就了地球表面和大气的基本气候，形成了滋养万物的地面环境。太阳送到地球大气的能力几乎是其他能源之和的4000倍（Kren et al.2017）。太阳在一个很宽的时间尺度范围的变率影响着地球系统，并且与包括人类带的温室气体和气溶胶变化、ENSO等自然模态、火山驱动等内部驱动一道，决定了过去、现在和未来气候。认识这些过程需要对太阳辐射总量和谱分解量进行持续的观测，以满足长期气候质量准确性和稳定性的严格需要。早期地面观测，例如与在Smithsonian天文观象台开展的太阳常数项目相关的观测（Hoyt 1979），是基于太阳变率特征的仪器观测，而现代卫星对辐射总量和分谱段观测，可以认为是在超过一个世纪的时间持续进步的最高成就，将总辐射的不确定性从20世纪的3%减少到今天的大约0.03%（Kopp and Lean 2011）。

　　自1978年以来，太阳总辐射（total solar irradiance，TSI，有时也称为太阳常数）一直被几个不同系统从空间持续进行观测（见Kyle et al.1993;Willson 1994;Fröelich 1994;Lee et al.1995;Fröelich 1996;Willson 2001;and Kopp et al.2005）。这些系统包括Nimbus-7观测地球辐射收支（Earth Radiation Budget，ERB）；太阳活动强烈年探测卫星（SMM）上的主动腔辐射计辐照度监测-I（Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor-I，ACRIM-I）、高层大气研究卫星（UARS）上的ACRIM-II和ACRIMSAT卫星上的ACRIM III；3颗地球辐射收支卫星（Earth Radiation Budget Satellites，ERBS）上的ERBE；欧洲可回收飞行器（European Retrievable Carrier，EURICA）上的太阳常数和变率仪器（Solar Constant and Variability Instrument，SOVA）；太阳和日球层观测站（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO）上的太阳辐射和重力振荡（Variability of Solar Irradiance and Gravity Oscillation，VIRGO）；以及太阳辐射和气候试验卫星（Solar Radiation and Climate Experiment，SORCE）上的总辐射监测器（Total Irradiance Monitor，TIM）等。这一联合记录显示11-年周期峰-峰的幅度大约为0.1%，变化是与太阳表面黑子短期凌日相关变化的2～3倍。

5.2 辐射测量的进步

　　大气辐射观测系统的进步与辐射测量本身的改进密切相关。19世纪和20世纪初，大部分辐射测量仪器来自认识到达地球及其大气和表明太阳辐射量的需要。Vignola et al.（2017）发表的《太阳和红外辐射观测》，给出了这一阶段太阳和陆地辐射仪器发展的深度评述。尤其是在第3章，关于“太阳和红外辐射观测里程碑历史”，详细阐述了辐射仪器历史和改进。到19世纪末，Ångström已经开发了平衡吸收的辐射能与电能的方法，称为电补偿或替代辐射计。值的注意的是，这种类型的辐射计一直被作为今天的参考标准，而电替代探测器成为最准确测量辐射能收支中任何分量和太阳总辐射的基础。

　　Fröhlich（1991）给出太阳辐射测量的详细历史，该历史始于1837年Pouillet开发的仪器，包括了Ångström和Smithsonian建立的辐射观测标尺。20世纪现代绝对辐射仪的出现，促使世界辐射观测基准（World Radiometric Reference）的建立（0.3%的准确性和保证辐射测量0.l %精确度基础上的均匀性），并且自1981年开始被气象界采用。

5.3 地面观测网：BSRN、Aeronet和ARM

　　地球表面在转化辐射能方面的作用是很多气候过程和一般气象规律的关键所在。1980年代，人们意识到已有的辐射观测网无法提供认识气候的基本需求，验证模式的气候变化模拟则更是无从谈起。1988年世界气象组织国际科联委员会（WMO/ICSU）联合科学委员会世界气候研究计划（WCRP）提出国际基准地面辐射网（Baseline Surface Radiation Network，BSRN）计划，建立地面辐射网监测地面短波和长波辐射分量，用于卫星辐射收支估计的验证、气候模式辐射编码的验证和监测地面辐射收支的趋势。美国能源部（DOE）1989年建立了大气辐射观测（Atmospheric Radiation Measurement，ARM）项目，目的是建立长期观测机制以更好地定义气候中云辐射反馈问题¹。

　　BSRN于1992年实施以支持WCRP和其他科学项目。项目不仅开展观测，还试图改进基本观测能力。最初BSRN仅9个站，随后10年扩展到22个站，覆盖从80°N到90°S。2000年初，该网被指定为全球气候观测系统（GCOS）的全球基准地面辐射网。到2015年，58个站向BSRN数据库提供数据（目前BSRN站目录，见http://bsrn.awi.de/stations/listings/）。基本站观测结果表明，全球散射和直接短波辐射在减少，长波辐射在减少，而气温、相对湿度和气压在升高；很多站记录到增加的辐射分量，以及在紫外、可见和近红外谱段区域谱解析的短波辐射。

¹见https://www.arm.gov/about/history

　　气溶胶自动网（AErosol RObotic NETwork，AERONET）项目由NASA和法国PHOTONS建立，并且通过网络有了很大的扩展（例如，RIMA、AeroSpan、AEROCAN和CARSNET）且在国家机构、研究所、大学、科学家跟人和伙伴间开展合作。25年多以来，该项目提供了气溶胶光学、微物理和辐射特征的长期、持续和易于获取的公共数据库，支持气溶胶研究和、特征分析、卫星反演数据校准以及与其他数据库融合。观测网规范了仪器、校准、处理和发布的标准。

6. 空基观测系统

　　20世纪航空业的发展带来用飞机携带仪器探测大气较低层的新能力。正如本章7节和Haupt et al.（2018a）给出的，航空业以及商业飞机本身，带来很多类型大气观测系统的巨大需求呈现增长趋势。关于已有机载观测能力的信息有多个来源。欧洲空基研究设施（European Facility for Airborne Research，EUFAR）¹项目通过12家欧洲运营商者协调和促进应用17架欧洲研究飞机。他们还主持空基观测技术专家工作组以及相关方法的教育和培训。33架基于美国的研究飞机和选择的仪器信息在大气和地球科学研究设施（Facilities for Atmospheric and Earth Science Research，FAESR）网页上给出²。NASA研究飞机和仪器通过NASA机载科学项目管理³，而NOAA研究飞机则通过海洋和航空业务项目⁴管理。研究飞机的近期更新还包括在Geerts et al.（2017）。然而，这些出处并没有覆盖目前全球布设的所有研究飞机的能力，仅仅是现代研究飞机编队类型和能力的跨领域的全面汇总。

　　可以想象，研究飞机能力是多种多样的，从携带单一仪器的平台到设计成为多目的可移动研究实验室平台。上面描述的较大型探测飞机，大多属于后一种，配备有特殊的仪器舱、外部架线塔、动力和信号布线和入口支持空气采样。获取有代表性的采样所需的入口和气象仪器布局尤其要考虑。例如，空气入口经常位于机身下方，因为巨大多数飞行姿态保持冲角（机翼的翼弦线与环境稳定气流的夹角）为正，这使得入口处更容易进入稳定气流（例如，图6）。

¹http://www.eufar.net/welcome-to-eufar/

²http://faesr.ucar.edu/

³https://airbornescience.nasa.gov/aircraft

⁴https://www.omao.noaa.gov/learn/aircraft-operations/aircraft

6.1 太阳和陆地辐射的空基观测方法

　　飞机经常被作为辐射测量的平台，这是因为其具有在不同大气高度开展辐射观测的能力，同时收集对辐射重要的大气成分信息，如痕量气体、云和气溶胶、黑炭等等。太阳和陆地辐射的空基观测系统的概要，在Wendish and Brenguier（2013）著作中的第7章给出。除了基础大气辐射观测，本章还包括宽带光谱中短波（太阳）和长波（热红外）辐射表，太阳光度计和测量太阳直接和散射辐射的遮光罩辐射计，长波干涉计、光化学通量辐射计和微波辐射计等。每类仪器业务、校准和描述的原则在历史应用个例的描述中给出。需要特别注意的是谱解析空基观测在确定什么是云吸收异常（Cess et al.1995）中所起的作用。本章还包括一个重要的空基太阳辐射观测的进展，即主动基准平台的开发，极大地减少了短波辐射测量中集合原因误差（Wendish and Brenguier 2013）。

6.2 空基云探测的进步

　　如Pruppacher and Klett（2010）所述，云粒子的最早空基观测由Wigand在20世纪开始时完成，据推测后者在一个观测平面上捕捉到了云粒子。如表2，在大约40年后，从驾驶舱伸出的涂满油的盒盖捕捉到了大量冰晶（Weickman 1947;1949）。随后30年，一些撞击采样技术能够完美展示飞机飞过的平面上云滴和冰晶。简单的收集盒能够保存单一片夹或更为复杂的多片云“枪”（Golitzine 1950;Clague 1965;Spyers-Duran and Braham 1967;Hindman 1987）亦或是连续的金属薄片碰撞器。玻璃片先涂上黑炭（煤灰）、氧化镁（MgO）粉、粘性油或聚乙烯醇缩甲醛，之后送到飞机外采样。

　　随着高速摄影（Cannon 1960）、光学阵列探针（Knollenberg 1970）和全息术（Thompson 1974;Trollinger 1975;Brown 1989;Fugal et al.2004）的出现并用于实时云粒子照相，带来更大量的采样，碰撞装置因此被淘汰。一个例外是视频碰撞器它能在移动透明带上捕捉云粒子，之后用摄像机拍照。用光散射进行雨滴测量最早出现在1972年（Knollenberg 1976;1981），之后出现了很多类似的光谱仪，它们的不同点仅仅在于仪器的大小、频率响应和收集角度等（Baumgardner et al.2001;Hirst et al.2001）。

　　与区分单独云粒的尺度和形状传感器平行发展的，是观测总液态降水和/或总凝结水仪器的开发。超冷液态水因引起飞机结冰的问题而尤其重要。至少有四种技术得到应用：1）对受到水滴影响时加热电线或圆柱体所需功率的观测（Owens 1957;Neel 1973;King et al.1978;Nevzorov 1980;Lilie et al.2004）；2）观测水蒸发产生的水汽密度（Kyle, 1975;Nicholls et al.1990;Morgan et al.2000;Weinstock et al.2006;Davis et al.2007;Schiller et al.2008）；3）光衍射模态（Gerber,1991）；和4）受到过冷水影响冰面增厚影响震动圆柱自然频率的改变（例如 Wendish and Brenguier,2013中的第5.4.1.2节）。

6.3 特殊空基观测：T-28风暴穿越飞机

　　大气观测所用的飞机经常要进行特别的改装，以适应特殊观测的需求和携带指定的负载。该战略的一个不寻常的例子是对飞机进行改造从而穿越风暴，但这是一般飞机要避免的（见第7节）。在“雷击带项目”（Project Hailswath）期间，Paul MacCready推动了飞机可以经过改装安全穿越含有冰雹的雷暴的思想（Goyer et al.1966）。在NSF的支持下，得到一架参与二战的T-28飞行员教练飞机，该机前缘和其他关键表面的装甲飞行时能抵抗7.5cm大的冰雹。该飞机被装配上仪器，能观测温度、垂直风和包括冰雹的尺寸在内的云滴水汽特征，以及数据收集和记录系统；所有这些更新均受益于技术的进步。1970年开始，T-28飞机开始穿越风暴并服役超过了30年（该飞机于2004年退役），参与了美国以及瑞士和加拿大等国多风暴研究项目，例如，国家冰雹研究试验（Knight and Squires 1982a,b）、CCOPE（Knight 1982）、Grossversuch IV（Waldvogel et al.1987）、STEPS（Lang et al.2004）和JPOLE（Scharfenberg et al.2005）等。Detwiler et al.（2004）给出T-28飞机观测科学贡献的论述。

6.4 特殊研究飞机：空基雷达

　　很多天气系统位于海上，对这些系统的观测经常需要空基或者船载雷达。二战将要结束时，美国军方成立了几只天气侦查舰队，配有用3.2cm轰炸雷达改良成的天气雷达并安装在B-24和B-25飞机上（Fletcher 1990）。各种波长从3.2cm到10cm的空基天气雷达在“风暴怒吼”项目（Gentry et al.1970）中被布设，以收集飓风眼墙区域多重云凝结之前、过程中和之后的降水数据（Black et al.1972）。

6.5 空基数据系统

　　飞机经常携带多种仪器，需要各种记录技术并涉及不同数据格式。早期（1970年代开始）数字空基数据系统替代带状记录纸记录仪，并基于小型过时计算机，例如，利用磁带驱动系统进行记录的微型计算机数据采集和处理器。这些数据系统作为机上数据处理的核心，很多仪器线直接通过数据系统的前面板（例如，模数转换卡）与数据系统相连。这些数据系统逐步变得更紧凑和轻便，但是存储能力更大，能够允许更高采样频率，能够处理数据的数量也更多。

7. 社会需求和观测系统.

　　如在引言中的讨论，大气观测系统源自基本大气过程研究和业务气象（例如，准备预报、安排航班和扫雪等）的需求。这些需求经常带来高度专业化的能力，以支持特殊企业或行业（例如NRC 2009;2003）。而且，天气数据经常要与业界特殊信息结合，生成高效应对天气影响的指导。社会的兴趣也是一个因素，例如，因为气候变化证据的出现，气候相关的观测系统在过去100年肯定增加了。本节针对观测系统、社会兴趣/需求和科学之间关系，用例子展开。

7.1 社会兴趣

　　环境观测因基本社会需求在增加，例如防灾、找寻食物或其他资源（例如，水）。探索兴趣和基础研究也起到了重要作用。过去一个世纪的社会兴趣在增加，包括了促进效率和可持续性的观测。

　　如图7中概念性的展示，观测推进了科学认知（经常基于来自详尽的外场试验的洞察）和建立模型，后者需要通过增加的观测（图7中的灰色线）进一步验证。社会效益来自预报（图7中绿色线），能够如Ziolkowska et al.（2017）所述，有效地计划以减轻天气气候的影响。这一在反馈循环中的结果来自社会对科学事业的投入以通过改进观测和预报能力增加效益（例如，见Benjamin et al（2018）关于天气预报的评述）。Smith（2010）给出令人关注的事实：气象进步如何在事实上杜绝了因风切变造成的空难以及飓风预警如何挽救数千人的生命。当然，量化社会对科技投入的回报并不简单（依据研究领域），而且并不是立刻就清晰，正如Bornmann（2012）所思考的那样。

　　捕捉大气和地球表面（包括陆地、海洋和冰层）的环境观测，对于可持续地满足人类基本需求（如水、食物、健康、运输和能源）至关重要。公共安全和国防也是从环境观测中获益的其他关键领域。这些社会需求往往导致出现了支持特定行业和部门的高度专业化的观测能力（NRC,2003;2009）。此外，仅靠天气和气候数据只能满足部分社会需求——这些数据必须与具有智能决策支持能力的部门或行业的特定信息相结合，才能为有效应对高影响天气和气候事件提供可行的指导。以下内容旨在提供气象观测所产生的一系列社会效益，而不是提供全面的概述。如有必要，将参考文集的其他章节，以获取更多详细信息。

7.2 水、食品和人类健康

　　淡水和营养是公共健康的基石，因此是人类最基本的关注。水太多可能引发洪涝，而没有充分的水会造成干旱和饥荒，都会给生命带来风险。而且，缺乏高质量的淡水和营养使得民众脆弱，更容易遭受疾病侵袭。考虑到它们的重要性，与水、粮食和人类健康相关的问题被划入国家安全考量范围（例如，Haupt et al.2018a,第4节）。

　　今天，全球一半以上人口居住在城市，而城市拥有大量高度不等的建筑、拥挤的交通，以及街上和停车场的人满为患，这些会形成不同的局地气候（例如城市热岛、局地降水分布改变、气体污染和气溶胶浓度增加和不同建筑之间的通道风）和导致天气灾害（强降水导致的街道洪水），详见NRC（2012）的讨论。持久的低劣空气质量能严重影响人类健康。Wallington et al.（2018）以及Haupt et al.（2018b,第2和4节）讨论了发生在大气中的物理和化学过程带来城市空气质量问题。基于一些特殊外场试验¹收集的数据，污染和空中毒素的扩散被广泛研究（另见LeMone et al.2018, 第10节）。很多城市地区有空气质量监测的特别观测网，正如在NRC（2009, 表B2）给出的。例如，美国环境保护局（EPA）与很多伙伴机构合作，运行国家空气质量通告和预报系统（AIRNow²），向公众提供易于获取的空气污染数据和地图、空气质量预报、空气污染对公共健康和环境影响的信息以及人们保护健康和减少形成污染排放要采取的行动（提升观测的价值）。

　　除了改进地球物理观测外，改善社会福利还需要在地方、区域和全球范围内开展与气候和天气有关的社会、经济和卫生活动的跨学科研究。例如，疾病爆发可受到天气和气候条件的显著影响，例如传播病毒的蚊子的繁殖和生存取决于温暖和潮湿天气。通过将气象信息与社会经济和旅游因素结合起来，捕捉蚊子的季节性。Monaghan et al.（2016）促进了寨卡病毒在美国蔓延的时间和地点的认识（图8）。这样的跨学科研究，有效地把气象观测与其他数据结合起来，将为卫生组织提供专门的预报，预测与寨卡病毒、登革热、脑膜炎和鼠疫等常见致命疾病爆发的开始和结束相关的天气状况。

¹例如，AMS杂志《应用气象学和气候学》2007年12月的特刊——联合城市实地试验论文集。

²https://www.airnow.gov

7.3 能源

　　电网需要在煤炭、核动力和可再生能源（水、风、太阳和地热）等不同发电场的分布载荷间达到精细的平衡。2017年，美国所有电力的18%来自可再生能源，包括太阳能、风能和水电大坝，获得了持续增加¹。治理地面以上可再生能源来源，要依靠对风涡轮机、太阳能板和水流量的认识，以及这些要素是如何随时间变化的，后者则需要详尽的气象观测和与风、太阳辐射、云和降水等的定点预报能力。此外，电网能源的需求要很好地做出预测以保持平衡，这取决于天气。例如，城市热浪或突然降温因空调或加热装置的过度使用影响能源消费。最后，极端天气，如雷暴（闪电）、飓风（狂风和暴雨）以及冰暴引发电网故障。气象观测能在预测电网故障可能的地点方面提供极大帮助并针对已有问题有效备份救急物资。可再生能源，特别是与风能、太阳能相关的评述，见Haupt et al.（2018b, 第3节）。社会对风能和太阳能等可再生资源的兴趣，会因为在空气质量、公共健康和温室气体排放等方面的受益而越发受到关注（例如Millstein et al.2017）。

¹http://fortune.com/2018/02/18/renewable-energy-us-power-mix/ 和https://www.statista.com/topics/1250/renewable-energy/

7.4 交通

　　地面交通，如高速公路、铁路和水路运输受到天气的强烈影响，见Haupt et al.（2018b, 第5节）的评述。极端天气影响交通系统的个例在近来一篇综合报告（NCHRP 2014）中进行了讨论。从这些评述中可以清楚地知道，天气对于大量依靠地面交通行业的安全和生产率都有重要影响。特别的挑战来自有限能见度、强风（例如，吹向卡车的强风，威胁船只的大浪和风海流对大型船只狭窄精准导航的危害）、强降水（局地暴雨或道路及铁路被冲刷）、寒冷状态（路滑、雪崩风险）和极端温度（高速路或铁路变形），都能给安全和既定的旅程带来损害。道路天气信息系统（Road Weather Information System，RWIS）¹是获取环境地面站（Environmental Surface Stations，ESS）信息的特殊报告系统的例子，后者收集美国数千个地点的大气和道路条件数据。该数据经常与附加信息（例如，网络摄像、交通流量和速度等）一起，通过发布及时的驾驶环境灾害预警和冬季天气道路处置决策指南，服务于强化高速路交通安全的目标。同样，铁路运行受益于沿铁道安装的传感器对天气条件的监测以及潜在灾害的预警。

　　海上交通一般需要风速和风向、浪高和方向以及热带天气更新（NRC 2009）。除了船只报告和浮标站，这对海上业务决策可获得的地表观测相对少。海洋浮标站自动报告（从国家浮标数据中心²获取）和卫星对海况和地表风的观测（例如，从散射数据推断）提供了实况和预报输入信息。港口业务需要准确的潮汐信息、水深、风速、浪高和方向以及其他相关信息，以准确为大型船只导航和避免与建筑物或其他船只碰撞。

7.5 公共安全和防御

　　在很多国家，都有针对天气、水和气候相关灾害导致的公共安全或人类健康、环境、经济和安全受到影响的应对机制。需要关注的关键高影响天气事件包括主要的冬季（暴风雪、冰暴）和夏季风暴（雷暴）、洪水、热带气旋登陆、热浪和林火。应对需要核心观测基础设施，例如分布广泛的地面站、装有仪器的浮标、无线电探空、雷达、卫星和飞机（例如，全球观测系统，WMO 2017）以及其他观测设施（NRC 2003;2009）。Ackerman et al.（2018, 第4节）给出了卫星云图对我们认识地球大气和全球天气带来的正面影响。Ackerman et al.（2018, 第6节）讨论了卫星观测系统的一些社会效益。同样，雷达网是监测降水天气系统和相关灾害的关键所在，正如本章4节和Brooks et al.（2018）阐述的那样。

　　林火对生命和财产构成重要卫星。火点生产的烟柱引发空气质量问题，过火区域加剧了突发性洪水和侵蚀。天气信息不仅在火灾将高发时（例如，Erickson et al.2016;Page et al.2018），而且在判断火灾的扩展速度和救援人员面临的威胁是，都是非常重要的。易燃物干燥的环境驱动与大气条件有关，包括温度、湿度、降水和风，尽管火情传播有多快并不仅仅是近地面条件决定的，因为大范围火情可能演化成一个复杂、耦合的非线性动力系统（例如 Coen et al.2013;Johnson et al.2014;Peace et al.2016）。未来准确预报林火，需要计算机模式能够模拟控制火情走势的高度局地化的风（例如，复杂地形）。除了复杂性，主要着火区能够改变局地天气，随火势生成的风可能远强于林火区以外。这些火区内部风有可能促使火情突然加速，强度增加，向不可预知方向扩展，或分解使得火区向多个方向扩展。Haupt et al.（2018c,第4节）和最近NRC（2017）报告对林火火情研究和管理给出了历史回顾。现代观测工具的使用，使得不同植被和燃烧物属性的评估越来越多（例如通过卫星遥感），潜在火点灾害的监测（闪电信息）以及利用快速布设移动平台对林火天气及其特征的考察登也不断出现（例如Kiefer et al.2012; Clements et al.2018）。

¹https://ops.fhwa.dot.gov/weather/faq.htm

²http://www.ndbc.noaa.gov

　　自第一次世界大战以来，应用气象学和气候学的进步对国家安全和国防应用一直具有变革意义，正如Haupt et al.（2018a, 第4节）所讨论的那样。长期以来，有关天气的情报一直被认为是国家安全的关键因素，这就解释了为什么在美国，国防部的每个部门都有自己的气象支持。一些众所周知的例子表明天气如何改变了历史进程，包括1588年西班牙无敌舰队被英国和可怕的风暴击败，1812年拿破仑以及二战时希特勒对俄罗斯的失败入侵（两次都因为遇到严冬），著名的诺曼底登陆是基于盟军气象学家的杰出天气预报（包括德国的天气观测）（Ross 2014）¹。

7.6 外场试验和试验平台的作用

　　大气观测系统一般需要经历一个成熟过程，从探索工具（基础研究为目的）向业务工具（特殊预报应用为目的）过度以满足社会需求。Fujita和同事的工作（例如Fujita 1985;Fujita 1986;McCarthy et al.1982;Wilson et al.1984）描述了这一过程。他们利用1978年NIMROD（Northern Illinois Meteorological Research on Downbursts，伊利诺斯州北部下击暴流气象研究）这样的项目中雷达和外场加密中尺度观测站，以及1982年JAWS（Joint Airport Weather Studies，联合机场天气研究）认识地面附近特别是机场周边危险的风切变出现的原因。他们的研究因复杂的研究级观测系统的出现才成为可能。该系统可以用于研究社会感兴趣的现象——例如，风切变。Fujita能够开发出针对该现象的实际概念模型，关键因素是解释了来自雷达和基于地面观测系统的数据，以及飞机飞行记录的数据。他提出了微下击暴流这个术语，统一用于最危险的风切变现象的原因。一旦下击暴流/微下击暴流被认识，在机场周边定制雷达观测系统致力于探测风切变灾害就成为可能。该系统是机场多普勒天气雷达（Terminal Doppler Weather Radar，TDWR），目前已经在美国的45个机场布设。

¹https://www.metoffice.gov.uk/learning/weather-and-history/weather-and-war

　　与特殊的地面观测系统，例如低层风切变警报系统（Low Level Wind Shear Alert System，LLWAS）¹一道，这些系统提供了防治风切变航空事故的观测系统的支柱。以利用观测系统开展的科学研究为基础，可以向飞行员开展风切变和微下击暴流知识讲解（NRC 1983; Wilson et al.1984）。这类培训是可持续地减少事故率的关键内容（Sand and Biter 1997）。

　　在试验平台试验和评估新观测系统的能力（图9）在NRC（2009）报告中进行了讨论，尽管这一概念出现的时间要早很多。这一原型设计方法还可以用于向决策者引进新的支持能力，因为他们可以学习在可空环境中利用新能力，同时提供有价值的用户反馈。例如，目前在芬兰的赫尔辛基（Koskinen et al.2011）、中国上海（Tan et al.2015）和德克萨斯的Dallas – Fort Worth（Pulkkinen et al.2018）出现的城市试验平台。Muller et al.（2013）评估了城市气象网的状态，研究了与这类网相关的基础科学和后勤问题。

¹https://ral.ucar.edu/projects/low-level-wind-shear-alert-system-llwas

8. 小结

　　比较NRC（1958）和NRC（1998）两份报告中做出的预测是有启发意义的。在NRC（1958）报告中作者指出：“存在这样严重的危险，即我们理想的观测材料和我们利用这些资料的能力可能很快超越我们的技术能力，也很有可能，超越提供这一能力的经济能力。”在建立新卫星、雷达和很多其他重要观测系统取得进步的40年后，NRC（1998）指出“在调查天气动力学基础研究状态中，不时出现我们意识到未来进步受制于缺乏足够的观测能力的情形。”报告进一步提出预测观测系统的改进如何带来更好预报的战略建议。该建议将观测系统投入与更好预报的经济效益联系起来，的确是现代观测系统的现代主题。

　　但是，预报天气的需求与预测气候的需求不同，因为天气预报主要依靠初始条件，而气候预测依赖于长期数据。基林曲线的一个教训是需要一个数据质量控制的有力和一致方法，可以长期应用，Callendar（1958）对大气CO²较早的研究就是一个例子，但也适于应用于很多长期观测战略，例如WMO的GOS所提出的。我们对CO²和其他温室气体作用的认识，不仅依靠较早的直接采样工作，还依赖仔细和准确的早期红外辐射观测系统（例如Callendar 1938）。长期、可持续的生态观测战略是基林在Mauna Loa开展观测的标志，近来越来越多地应用于一些生态观测系统网，如全球温室气体基准网¹、长期生态研究网（1980年建立²）、1996年建立的AmeriFlux网（Boden et al.2013）和国家生态观测网（NEON，预计2018年全面投入运行³）。DOE的ARM项目利用相似的长期方法记录云在地球辐射收支中的作用。

¹http://esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/CCGGhandout.pdf

²http://intranet2.lternet.edu/sites/intranet2.lternet.edu/files/documents/Network_Publications/Brochures/LTERNe tworkBrochure1.pdf

³http://www.neonscience.org/observatory/about

8.1 过去100年的趋势

　　可以看出过去100年大气观测系统及其未来的一些明显趋势。

1.与过去100年前半程不同，百年后半程大气观测的一个推动力是增加数值模式分辨率和对观测数据的需求。这些模式是大气观测转化为很多地球过程社会影响的预报和评估的核心。因此，目前在数值模拟中的趋势会增加对更多和更好观测系统的需求。
2.大气观测系统的改进经常与某个行业，例如交通联系在一起，后者直接让社会受益。但是，还经常带来更广泛的社会效益。需要更好地量化大气观测系统的效益，我们的经济能力就会提供观测，应用于最高优先领域。
3.更好地协调和综合很多观测系统的需求在不断增加，通过“Network of Networks”（NRC, 2009）和类似的战略改进大气观测系统的获取和利用。这一态势反应出NRC（1958）预测的我们在有效利用已有数据能力上的局限。因此，未来观测系统的进步除了改进观测系统的种类和数量之外，还将依赖于改进的数据获取和利用。还有赖于对数据管理的持续关注，包括如何收集数据、如何存档、如何获取和如何最终被使用的战略。

8.2 展望

　　世界气象组织（WMO）认识到快速城市化需要新型服务以更好地利用科学和技术，并将提供这些服务带来的挑战作为气象共同体的主要优先领域（Baklanov et al. 2018）。这样的综合城市天气、环境和气候服务将帮助城市面对灾害，例如风暴潮、洪水、热浪和空气污染时段，特别是在变化的气候背景下。建设提供城市服务的智能城市目标，通过融合密集观测网、高分辨预报、多灾种早期预警系统和减排气候服务满足城市特殊需求，从而让城市走向有弹性和可持续繁荣。

　　目前气象传感器的小型化向低端消费者提供天气监测设备，几乎可以放置在任何地方，包括地面和空中交通工具。相互联系的交通工具（例如Mahoney and O’Sullivan 2013）和人群（Muller et al. 2015）提供的信息，极大地促进了天气相关信息的获取，这是以前无法实时实现的。物联网（IoT）使得通过低功率无线通信手段和云端存储获取和操作数据。Chapman and Bell（2018）讨论了IoT对于观测和预的展示和转化潜在应用的例子。

　　山区、沿海和城市展示的一系列小尺度、局地天气，尚无法被目前观测设施充分观测（例如，无法分辨），而段距离内大气（和化学）的最强梯度变量或许对生命和财产极其重要（NRC 2009）。这些需要更多（台站密度）和更好（更高的测报频率）中-和微-尺度观测网，增加沿海和近海观测能力，以及垂直维度（即地面以上观测）更好的覆盖。交通业新技术提供了大气较低部分增加采样的机会，同样情况也存在于航空业，IoT可能提供实时获得这些数据的方法。

　　强化数据网之间的协调，能提供和促进实时数据更广泛的获取，如NRC（2009）所建议应持续进行。数据存储中心¹能促进数据的有效收集、质量控制和应用领域的宽谱发布。大量气象数据与目标信息的结合，使得利用人工智能开展大数据挖掘和深度学习成为可能，从而形成新的洞察和发展智能决策支持的能力，正如Haupt et al.（2018c, 第5节）所指出的。大气观测系统数据与其他目的收集的数据之间的协同还可能得到意外受益。例如，Thornton et al.（2017）将来自WWLLN数据库的闪电频率与海洋船只排放进行了比较，发现在东印度洋和南中国海闪电频率与排放之间存在显著相关。海洋船只排放清单（来自全球大气研究排放数据库，EDGAR）因为船载用于避免碰撞的自动确定系统（Automatic Identification System，AIS）的应用才成为可能。因此，一个为避免海上碰撞而设计的系统，当与闪电大气观测系统耦合时，提供了海上闪电的重要线索。

　　最后，大气观测系统进步的历史宣示了很多过去100年科学进步里程碑，我们对雷暴的认识仅是其中的一个例子：如果没有观测系统（例如，雷达），且其数十年的开发主要为了其他目的（例如，侦查敌方飞机），是不可能的。这一科学认知带来了新的观测系统（例如TDWR），其设计是为了满足社会特殊需求，例如避免飞机风切变事故。同样的例子可以在业务气象（例如，飓风预报和下投探空仪）、基础研究（例如，改进机载云探测对降水形成的揭示）和气候（长期采样网）发现。值得注意的是直到第二次世界大战后，雷达才在气象界得到应用。在雷达技术可用的时候，强大的气象学界能够应用这一新技术研究风暴，雷达的气象应用快速展开产生巨大的社会效益。这个例子在今后100年技术呈现的时候应该被牢记。

¹一个例子是NOAA的气象同化数据获取系统（MADIS），http://madis.noaa.gov