1.3 处处有警惕的眼睛

　　夜阑人静时，伴着甜甜的鼻息声，你进入了梦乡；白天，你兴味盎然地走在行人如织的大街上。你可知道，此时此刻，从地上到半空中乃至太空中都有一双双不知“疲倦”的眼睛，警惕地注视着地球大气的一举一动，时刻防备它搞一幕幕“恶作剧”，给地球人类造成伤害。

 

　　地面观测网由各地地面气象站、自动气象站、气象观测塔等组成。

 

　　（1）地面气象站：

　　地面气象站有气象观测员连续不断地对天气进行观测。他们用眼睛观测各种气象要素，如云量、能见度、雨量、风向、风速等。一般地说，这只能得到估算的数据参数，经验很重要。此外，他们还用各种仪器设备来测量大气的温度、湿度、气压、风力等。在这里，温度常用摄氏度（℃）表示，湿度常用相对湿度、水汽压或露点湿度来表示。气压计算单位是百帕。风向用方位来表示，风速要在10米高的风杆上测量，其单位是米/秒。地面气象站观测项目很多，雨量、蒸发量、日照量、地温、积雪、太阳辐射等都应包括在里面。要强调的是，地面气象站的观测方法很统一，它们都要参照联合国气象组织和国家气象局制定的《观测规范》。观测的仪器性能、规格和计量单位也要符合国际标准。不用多的解释，大家已经明白，这无非是想保证观测结果的准确性和代表性，以便于比较。

 

　　（2）自动气象站：

　　自动气象站就是没有人工操作、完全由仪器自己完成测定地面各气象要

素的全自动气象站。它们常常被安置在高山、海洋、沙漠、高原上。由于地

球表面面积广大，人力物力有限，建设地面气象站的数目不可能很多，自动

气象站弥补了地面气象站的不足。

 

自动气象站发展到现在已有三代。第一代研制于本世纪 

50年代末，当时

它只能测量温度、湿度、气压、风力、风向、降水等少数几个要素。60年代

中期，由于半导体元件和脉冲数字电路的普及，第二代自动气象站产生。它

的感应元件能观测云高、降水、辐射总量、雷暴等。但是这种气象站不能自

动处理观测资料。70年代后，自动气象站已发展到第三代，电子计算机和卫

星通信技术的兴起，使自动气象站自动化程度大为提高。

 

目前，全世界投入运行的自动气象站有几千台。有一些国家还建立了自

动气象站网系统，称之为自动气象遥测系统。这种系统由中心站和野外站组

成，中心站控制着野外站，野外站的主要任务是观测，它由铁塔、传感器、

电子线路等组成。我国在“七五”期间就研制出了自动气象站，它们分别安

装在内蒙古、青海等地，定期通过静止卫星向地面接收站发送各种气象信息，

效果良好。

 

但是，自动气象站并非完美无缺。它需要定期检修，它的观测项目有限，

而且其准确性和可靠性赶不上目测，所以，它只能是一种地面气象站的辅助

物。未来的气象站或许是两种气象站的有机结合，就像计算机不能完全代替

人一样，将来的气象站只会模糊两者的界限。

 

（3）气象观测塔：

气象观测塔是一种特殊的气象观测装置。前面说过，特殊观测不同于常

规观测，而气象观测器恰好是为特殊观测而设的。

气象观测塔常常是用来观测大气边界层的有效工具。其实，用于边界层

探测的东西很多，如系留气球、低空探测仪、特殊飞机、声雷达、激光雷达、

红外和微波探测器等。但它们的观测效果有很大的局限性，主要是间断不连续，而且因为不是直接探测，结果需要核对，所以人们对之并不十分满意，

而气象观测塔却有这方面的优势。

 

气象观测塔，有专一性质的，如我国 

1979年在北京北郊建立的高约 

325

米的专用气象塔；也有多用途的，如一些电视塔、广播塔、导航信号发射台，

气象观测只是其“业余”任务的一部分。不过，这些塔身都是用钢筋混凝土

筑成的，升温快，降温也快，为了避免观测仪器受塔体的影响，一般仪器感

应部分都离塔体较远，形成水平伸臂。所以，这些塔从近处看去，像全身长

满了长长的刺似的。

 

数不清的空中观测员

 

这儿的空中观测员可不是地面气象站的观测人员，它们是在空中进行各

种气象探测的工具。从空中对各种大气现象进行探测，改变了过去气象观测

的单一形式，呈现出一种立体的效果。

 

（1）风筝：

风筝能够飞上天，当然可以用于大气探测。据说，大约在 

1749年时，携

有温度表的风筝就到达了云层深处进行过温度测量。大家熟悉的科学家富兰

克林也于 

1725年把风筝升到了雷雨云中，从而证明了闪电与摩擦生电是一个

道理。所以说，风筝在大气探测史上还有过功勋呢。风筝最大的好处在于它

设备简单、造价低廉、上升容易，但是它的上升高度有限，充其量不过三千

多米。再者风筝容易断线，在地面建筑物和丛林多的地方还不能施放。这样

一来，到 

19世纪之后，风筝就只作为玩具形式而存在了。

 

（2）探空气球：

早期的气球充满了热空气，后来为了安全，由乳胶制成的气球出现，灌

入适量的氢气，借助空气的浮力就可以上升。现代的载人气球高度已达三十

多公里，是在本世纪 

60年代创下的纪录，对于探测大气的风筝高度来说，是

个不小的突破。气球用于大气探测大约是在 

1893年，当时法国使用的是橡胶

做成的气球，上面携有气象仪器升到了 

16公里的高空。早些时期，气球上面

的气象仪器需要气球破裂，然后摔下来后才能获得各种气象数据；而现代常

常使用无线电探空仪器，无需回收。

 

气球探测可以分成以下几种：

 

一是系留气球，又称风筝气球。它用绳索维系在地面上，其形状有的像

船，有的像球。气球上面都带有测量温度、湿度、风向、风速的仪器。这些

仪器要么用无线电发送测得的数据信号、要么直接采用有线传输的方式。系

留气球的高度可以由绳索控制，不过一般只有几百米，它主要用于低空大气

的探测。

 

二是探空气球。这种气球下面悬挂着探空仪。探空仪带有温度、湿度、气压三个传感器、转换器和发射机。气球升空后，会随时把测得的气压、温度、湿度等数据转换成无线电信号，再发送到地面，地面再经过信号转换得出探测结果。探空气球有的很低，只能测定 

2000米以下范围的大气物理状态；有的很高，可达到三万米的高空。我国的探空气球可达离地面2.5万米以上的位置。

 

目前全球约有一千多个高空气象观测站，每天定时施放探空气球，由此

获得常规的高空气象资料。这些资料可以加工成气象台预报人员使用的高空

天气图。

 

三是平衡气球。它也叫无外力气球或定高气球。此气球施放后，球体可

以保持在某一高度上，随着空气水平飘移。如果使用经纬仪和测风雷达，就

可以判断其所在的位置；再根据其时间的变化，就可以求出同一高度层的大

气各个气象数据。

 

平衡气球有的定点于平流层上，顺着西风带，可以围绕地球飘行。平衡

气球的探测仪器和无线电发报机常常靠太阳能电池来供电，其信号则通过卫

星直接转发到地面接收站。

 

四是“母球”系统。它包括一个大型气球和在飘飞途中逐次下投的探空

仪。探空仪在下落时一边探测大气一边发报，母球接收到它的数据后，再经

过卫星中继站传给地面站。

 

（3）气象火箭：

火箭有上千年的历史，但现代火箭投入运用的时间却不长，致于气象火

箭的使用年限更短。目前使用气象火箭进行大气探测的国家有二十多个。一

些国家，如美、苏、英、法、日等设置了许多气象火箭探测点，建成了全球

气象火箭网，定期发射火箭，互相传递信息。我国的探空火箭已能发射到离

地面 

120～140公里的高度，在海南省还建有探空火箭发射场。

 

火箭飞行依靠的是它本身携带的固、液体燃料，它的速度快，可以达到

上百公里的高度，因而它填补了气球和卫星所在高度之间空白区的大气探

测。但是火箭飞行的时间短，仪器因空气摩擦产生的温度也高，而且火箭本

身需要制导系统，这些都给火箭的大气探测带来了不便。为了取得更大的收

获，一些光学经纬仪、高精度气象雷达、计算机等常常与气象火箭配合，以

弥补气象火箭的先天性不足。

 

运用火箭探测大气的方法有以下几个：一方面，火箭在上升途中运用其

所带的仪器直接测量，这种方法常见于早期，现已淘汰；另一方面，火箭在

上升时，可以按时将其携有的仪器分开，仪器再依靠降落伞缓慢下降，自动

测量；还有一个就是火箭在上升或下降时，陆续释放出不同的仪器。这些仪

器有的是探空仪，它们将所测的温度、湿度、气压和风向的数据，通过无线

电发射机准确地发回地面；有的是各种跟踪物，如纳云、金属丝、无声榴弹、

带反射靶的气球带，用以测量不同高度的风速、风向等。还有的你怎么也想

不到，它们竟然是取样瓶，在取得空气样品后，能返回到地面。

 

气象火箭的类型有大有小。小的只测几种常规要素，大的能探上十种要

素。气象火箭美国有洛基、阿卡斯型号；日本有 

MT—135型号；英国有大鸥

火箭；俄罗斯有 

MP—100和 

MMP—06型号等。

 

（4）多面手的飞机：

飞机的诞生到现在还不到 

100年，但由于飞机有其卓越的性能，这使它

在高空大气探测上显示出得天独厚的优势。飞机在垂直高度和水平范围的机

动灵活性都比较好，因此它比气球、火箭的本领要大得多。飞机在气象上得

到运用的有螺旋桨飞机和喷气式飞机；也有少量中低空飞行的各种飞机，如直升机。

 

气象飞机是为了填补空中气象情报的不足，或者是为了执行某种特殊任

务而用的，它需要安装有特殊的仪器设备。一般地讲，气象飞机除了装有测

量大气温度、湿度、气压、风速、风向的仪器和数据处理机外，部分的还有

红外线、微波遥感设备，用以测量海水温度、云粒子分布、臭氧等。

 

飞机的外表也很独特，如有的飞机机身某处有凸出的雷达天线罩，它是

为保护雷达而设置的，为的是使雷达天线更方便地获取云、降水、台风、冰

雹等数据参数；还有的头部有一个尖尖的鼻子，可别以为它是歼击机的空速

管，其实它是特地用来测量温度的设备。

 

（5）运筹帷幄的雷达：

雷达运用于气象上，是二战期间的事。由于雷达在搜索敌方飞机、舰艇

目标时，云和雨在荧光屏上的意外出现严重干扰了军事搜索，但受其启发却

产生了气象雷达。此后，精明的英国人首次用军事雷达对一块降水云体进行

了成功的观测，并做出了天气预报。于是，各种气象探测雷达如雨后春笋般

地发展起来。

 

气象雷达是如何测定天气的呢？说到这儿，大家会情不自禁地想起蝙蝠

飞行和捕食的原理。没错，蝙蝠靠的是嘴发出的超声波，它的耳朵能接收回

声，井由此判断前方障碍物的位置距离。气象雷达的发射机按时通过天线发

射高频的电磁波，电磁波遇到云雨等目标后，经过折射、散射、绕射，就产

生了回波，雷达天线接收后再交给接受机处理，这样就观察到了云雨的存在。

电磁波的传播速度是每秒 

30万公里，根据发射脉冲和接收回波的时间间隔，

经过核算，就可以得出云雨和雷达之间的距离。另外，根据雷达天线的仰角

与方位角，也可以确定降水的性质和降水强度。

 

气象雷达测定内容有测云、测雨、测风、测雹等等。测云和测雨雷达使

用的波长较短。如有用 

8.6毫米或 

1.25厘米波长的测云雷达，测量不降水的

云；用波长 

3.5或 

10厘米的测雨雷达，可探测可能降水的云。10厘米波长

的雷达宜用于探测大粒子降水（如冰雹）或大范围强降水（如暴雨、台风雨）。

测风雷达常需要悬挂有一个角反射耙的气象气球的帮助。

 

雷达按使用效应不同也可分成不同种类，这里举多普勒雷达、声雷达、

激光雷达简要谈谈。

 

多普勒雷达，是用多普勒效应来测定云和降水粒子等运动速度的雷达。

 

激光雷达，是利用一种特殊的光——激光制造的雷达。激光亮度高，方向性强，发射角小，有人称它为“目光犀利”、“明察秋毫”，一点也不为

过。它的亮度比太阳光还高，红宝石激光器产生的亮度比太阳光要亮上百亿

倍，可以看到大气中的气体分子、烟尘等溶胶粒子。而且它单色性好，一般

普通光源有很宽的光谱，而激光只有单一频率。激光雷达中，红宝石激光雷

达有几十年的历史，我国在 

1966年就研制出了第一台百兆级的红宝石激光雷

达。激光技术发展很快，并出现了分枝，如多普勒激光雷达、拉曼激光雷达、

差分吸收激光雷达等，它们在监测大气环境方面起了不少作用。

 

声波在不均匀的大气中散射本领要比无线电波和光波大，利用这一特点

制造出来的雷达叫声雷达。大气温度、湿度、风速变化对声波折射率的影响，

一般要比无线电波和光波要大上千倍，所以声波的散射量要比无线电波和光

波长。

在 

1975年就研制出了声雷达，据悉，

在大气探测方面已经取得了可喜的成果。

 

雷达技术发展迅速，目前与之相关的一些较完善的探测系统相继问世。

如计算机与天气雷达相联的数字化天气雷达探测系统，它已经远远超出了对

天气现象的监测，对洪水预报、江河水位的监视都完成得很好。再如多普勒

天气雷达系统，它对警戒龙卷风有特殊的本领。还有一些天气雷达系统，如

双波长雷达探测系统、圆盘振波雷达系统，也在发展中。

 

巡天遥看的卫星

 

自从 

1960年 

1月美国第一颗气象卫星泰罗斯 

1号升空以来，俄罗斯、日

本、中国、法国等都拥有了自己的气象卫星。气象卫星的问世，为太空探测

大气翻开了新的一页。

 

气象卫星不同于气球、飞机、火箭等直接运用气象仪器探测，因为它使

用的是遥感技术。遥感技术，就是不实际接触被测对象——大气，而是从远

处高空感知事物的性质。但它又不同于雷达的遥感，如微波雷达、激光雷达、

声雷达都需要人工主动地发射波动信号，通过回收大气相互作用信号来摸清

大气的状况；气象卫星只利用天体信号源（如太阳），或直接接收大气本身

发射的信号（大气信号源），就可达到探测的目的。按专业述语讲，它属于

被动探测系统。

 

气象卫星利用它的探测器，接收被测目标发射或反射的电磁辐射，就可

以测出大气的性质与状况。气象卫星有两个杰出作品，叫可见光云图和红外

云图。可见光云图，简言之，就是用照相方式获得的云图，它用辐射仪器直

接接收大气反射的太阳光成象。可见光云图很直接，只与反射率有关，如白

色部分可能是反射率高的积雪和厚云；黑色的可能是反射率低的陆地或海

洋。红外云图也不难理解，因为任何物体都具有温度，温度不同，发射的红

外辐射就不一样，根据这种原理就可以得到一张反射不同物体的红外特别图

象。当然，我们看到的电视卫星云图是经过计算机加工处理的，并非原图。

 

气象卫星可以探测大气的温度、湿度以及不同气体的含量。如波长为6.3微米左右的水汽对红外辐射吸收能力很强，如果在卫星探测器上装有波长为6.3微米的滤光片，就可以发现大气中的水汽含量。气象卫星的探测能力正

在逐渐增强，它已由最初的电视摄象方式发展为扫描辐射仪和分光计（可见

光、红外和遥感的结合），可以获取昼夜高低分辨率云图和大气要素以及环

境参数的定量资料。卫星资料的传输已发展为速率更高、抗干扰力更强的数

字制方式；在资料处理方面，人机对话系统已经建立。

气象卫星按运行轨道可以分成两种，一种叫地球静止气象卫星，高度约

为36，000公里左右，绕地球一周的时间为 24小时，正好与地球自转速度相同，因而，从地球上看，好像卫星是静止不动的。目前，全球上空的静止卫

星每.. 30分钟可获得一张云图照片，通过连续图片的拼接，可以知道云的移动

形势、高度、湿度、海水温度等。地球静止卫星已经发展了几代。在这之中，

欧洲气象卫星组织已经和准备从.. 1988年到 2006年，分别发射 3—7、 MSG—3，共.. 10颗气象卫星；印度将从.. 1990年到.. 1998年分别发射印度卫星.. 1d、

2a、 2b、 2e气象卫星；日本从.. 1984年到.. 1999年要发射向日葵-3——-5

号，气象卫星-1号共四颗卫星；美国从.. 1987年到.. 2004年要发射地球静止环

境业务卫星-7、I～M号六颗卫星；俄罗斯计划从.. 1994年到.. 1997年发射电子

-1，电子-2气象卫星。

 

同，因而，从地球上看，好像卫星是静止不动的。目前，全球上空的静止卫

星每.. 30分钟可获得一张云图照片，通过连续图片的拼接，可以知道云的移动

形势、高度、湿度、海水温度等。地球静止卫星已经发展了几代。在这之中，

欧洲气象卫星组织已经和准备从.. 1988年到 2006年，分别发射 3—7、 MSG—3，共.. 10颗气象卫星；印度将从.. 1990年到.. 1998年分别发射印度卫星.. 1d、

2a、 2b、 2e气象卫星；日本从.. 1984年到.. 1999年要发射向日葵-3——-5

号，气象卫星-1号共四颗卫星；美国从.. 1987年到.. 2004年要发射地球静止环

境业务卫星-7、I～M号六颗卫星；俄罗斯计划从.. 1994年到.. 1997年发射电子

-1，电子-2气象卫星。9、NPOESS-1—-3，共.. 11颗卫星；中国预计到本世纪末以前发射的风云-1C、-1D

型卫星；俄罗斯预计到.. 2000年发射的流星.. 2—21、3—5～8、3M—1～2六颗

卫星。