郑州应组建多元化气象垂直探测技术体系的建议

2018-07-12崔灿

科技视界 2018年3期

崔灿

（郑州市气象局，河南郑州 450005）

0　引言

随着气象业务现代化建设持续深入推进，以卫星通信、移动通信、雷达、计算机应用技术为主要内容的各类现代化信息化技术探测手段已经或正在渗透到气象建设的方方面面，科学合理组建郑州多元化垂直探测技术体系谈几点看法。

根据河南省人民政府和中国气象局联合制定的河南省“十三五”气象事业发展规划，中国气象局制定的“综合气象观测发展规划（2016-2025）”、2018年全国气象局长会议工作报告、2018年全省气象工作会议暨省政府气象灾害防御暨人工影响天气指挥部工作会议精神，结合河南省和全国高空气象的实际，为落实国家 “一带一路”战略，围绕郑州国家中心城市建设战略，提出相关建议。

1　主要问题

我国的气象信息系统主要由地基、空基和天基系统构成。其中常规高空气象数据系统为基础的垂直气象信息系统。常规高空气象主要探测距地1～30km高空温度、气压、湿度、风向风速等基础气象数据。经历60多年投入数百亿资金积累的高空气象数据系统，是无法用金额度量的。他为气象、航空航天、国防、环境及其它国民经济起着基础的支撑作用。在“攻坚克难，守护碧水蓝天”中，高空气象数据不可缺少。

基于社会发展需要和气象、航空航天、环境及其它国民经济行业的需求，我国常规高空气象存在明显的薄弱环节。

一是垂直气象探测数据不能满足社会发展需求。面对变化复杂的天气变化，网格300km的高空气象监测站网每天进行07、19时两个时次的常规气象探测，捕获天气过程能力较低；对数十公里、甚至数公里范围的天气事件，如龙卷风、冰雹过程，虽能个别指标有所反映，但其精细监测化能力更显不足。现行垂直气象探测主要集中在距地30km以内，30km以上的中空甚至高空，以科研项目试验的部分数据为主，缺乏系统性探测数据。与大气现象密切的云雨层表示数据、边界层数据、对流层顶数据不能满足需求。新型探测系统数据系统的完整性、可靠性存在许多技术难题。

三是气球探测空域存在安全隐患。高空气象监测初期，我国的民航运输几乎为零，随着航空行业的发展，特别是商业航空的发展，常规高空气象探测空域资源日趋紧张。飞行空域又离不开常规高空气象信息服务保障，存在空域资源与保障需求的相互矛盾状态。存在探测空域的“相撞”隐患。

常规高空气象探测降落点信息不明。我国现行高空气象探测，遇到信号消失或得到球炸的信息，就终止高空气象观测，降落点信息不明，存在安全隐患。降落过程中是否对人员和财产造成损失，如何避免损失?对造成的损失如何弥补等对策缺失。

四是湿度传感低温失效问题。我国现行高空气象所用湿度传感器到达-50℃，感应性能下降，-60℃，得到的数据失效，制约常规高空气象的完整性、准确性、代表性。

五是观测信号干扰问题。郑州01时高空气象探测本来是为军航、民航提供数据服务的，而机场在02时再次进行探测，不但造成资源浪费，而且形成同频信号干扰，影响既定探测业务。

六是现行高空气象数据处理软件滞后科研、业务需求，与气象“十三五”规划存在脱节之处。制约相关气象预测预警、人工影响天气、环境气象等业务的发展，常规高空气象数据与新型多元化垂直探测系统同步性问题逐渐清晰化，亟待解决。

七是垂直气象数据融合度偏低。垂直气象“数据孤岛”问题较明显，常规高空气象数据、气象卫星数据、天气雷达、风廓线雷达数据、气溶胶雷达数据、微波辐射计数据关联性低，缺少统一的基础数据处理平台，影响数据产品的应用。天气过程监测所需数据产品单一，数据表示的直观性不足，场景化处理（图形图像处理）支撑数据不足。

八是数据质量控制技术薄弱。系统可靠性依据厂商报告，缺少第三方技术报告。系统部署后，实际与厂商报告往往存在差异。数据质量控制手段单一，新型探测系统数据处理流程的存在不透明处。有的探测系统数据质量控制环节考评样本偏少，导致质量降低。

2　分析

2.1　与探测体制形成、发展有关

我国垂直气象探测起步于建国初期，以高空气象探测为代表。经历从无到有、从原始落后到科学的发展历程。高空气象按照传感器的发展，主要经历机械传感器和电子传感器两个时代。按照高空气象数据处理方式，经历人工处理、计算器具辅助处理、计算机辅助处理、软件系统处理等主要阶段。我国常规高空气象探测系统是基于世界气象组织的业务技术指南设计的。气象数据标准是经过世界气象组织确认的。常规高空气象为我国在该领域直接探测的数据数据系统，为目前该空域代表性、比较性、准确性最好的气象数据系统。

我国的常规高空气象有120个高空气象站（简称高空站），基本上按照300km左右网格距部署。大部分高空站每天进行07、19时两个时次的探测。全国有30多个一级高空站，除每天进行07、19时两个时次的探测外，还要承担01时的高空气象探测。我省有3个高空站，其中郑州为一级高空站，卢氏为雷达单独测风站。

我国垂直气象探测业务的现实是基于社会、科技发展实际所决定，由财政投入所形成的。

这些问题的暴露是随着社会的进步、科技的发展、社会需求、业务需求的变化逐步被从事相关领域技术人员意识到的。有的问题在一定区域一定情况下表现比较突出。如空域资源紧张问题，在人口密度较大、航空业务发达的区域，安全隐患问题可能会表现更突出。

2.2　科技进步是解决问题的关键

为解决高空气象数据时空分辨率问题，20世纪90年代，科技专家提出“无球探空”的构想。几十年过去了，“无球探空”仍路途遥远。值得欣慰的是，常规高空气象相联系的卫星监测数据、飞机观测数据、风廓线雷达（声雷达）数据、微波辐射数据、激光雷达数据先后出现，让我们看到了希望。飞机观测数据为直接观测数据，但受飞行路线、飞行高度、飞行时间、数据采集环境、数据处理方式的制约，观测数据存在较大的不确定性。卫星反演数据、风廓线雷达、微波辐射计为现代新型的遥感遥测数据，为间接观测数据，受资料同化技术、气象条件、地基设备、数据处理软件等制约，其数据系统适应性、完整性存在一定的不足和不确定因素。无云情况下，卫星反演的高空气象数据完整性、系统性制约条件更多。现实情况下，卫星监测数据、飞机观测数据、风廓线雷达、微波辐射计以及激光雷达的同类型数据，均需以常规高空气象为基础参照数据进行校标。要完全替代现有探测方式，需要进行系统的数据积累、科学的数据分析，兼容性地继承已有高空数据系统。在遥感遥测数据系统融合良好的情况下，替代现行常规高空气象探测系统，实现“无球探空”的跨时代目标。从全球气象数据均一化的角度，估计今后三十年甚至更长时间，常规气象探测与新型遥感式数据并存的现状将成为常态。

2.3　改革开放是解决问题重要手段

科学技术问题涉及许多具体环节、关键技术，需要进行科学实验，其解决过程依据其技术难度、知识水平、科学决策的实际而定，应该打破行业部门、区域界限，以创新的理念、辩证思维、改革开放的观念、实事求是观点科学面对。

根据我省进行“三个高地”的建设以及郑州国家中心城市发展战略、国际航空港的发展的有利环境，依托郑州的资源优势，引进国内外优秀科技成果，推动郑州高空气象技术进入世界先进行列。

3　对策与建议

基于上述认识，在国内尚未设立多元化垂直气象探测技术基地，缺少多元化垂直气象探测技术发展平台情况下，建议在郑州设立 “多元化垂直气象探测发展基地”，解决现有垂直气象技术中存在的问题。

“多元化垂直气象发展基地”的基本目标是，按照“公共气象、安全气象、资源气象、生态环境气象”发展需要，通过基地建设解决现行高空气象系统中的问题，推动我国多元化垂直气象技术的发展；通过建设“多元化垂直气象发展基地”落实“三个高地”的“中西部地区科技创新高地、基本形成内陆开放高地”建设和加快郑州国家中心城市发展战略，推动“智慧城市”进程；通过构建国内外科学技术平台促进 “郑州国际硅谷”建设，促进我市信息产业、制造业进入新的时代，增强我市在“一带一路”区位优势，带动我市科技、教育、经济的发展。

多元化垂直气象探测观测站在相关部门领导下，按照中国气象局和河南省人民政府的部署，履行主要职责有：

（1）开展多元化垂直气象探测技术调研活动，掌握国内外多元化垂直气象技术发展动态；收集、整理、翻译国内外有关垂直气象信息技术文献，收集、整理、研究国内外历史垂直气象数据及处理方法，为相关技术部门基础数据支撑。

（2）协助主管部门举办国内外有关多元化垂直气象技术发展的国内外气象组织、高等院校、科研机构、高新技术企业的学术交流和技术合作；参加国内外有关多元化垂直气象科技交流活动。

（3）深度参与国际多元化垂直气象仪器及其数据处理系统对比、测试、质量跟踪活动。

（4）组织科研攻关团队，研究多元化垂直气象探测科研课题；协助主管部门进行多元化垂直气象探测科研成果的现场化试验。

（5）构建国内外新型、高性能雷达研制、测试、试验、终端处理技术科研平台。建立新型、高性能雷达数据评估系统。

（6）研制基于 L波段雷达高空气象探测、GPS卫星高空气象探测、北斗卫星高空气象探测、新型自动探空系统优化的常规高空气象数据服务系统；通过技术攻关，研制国内领先、国际一流的常规气象实时信息系统，填补国内外多元化垂直气象探测数据系统在此领域的空白。

（7）主动征求气象数据处理分析部门、高空气象台站、气象雷达站、气象预报预警、人工影响天气、环境气象、航空部门的意见建议，研究改进现有现有垂直气象探测系统，并对垂直气象数据实时处理软件进行系统化、产品化处理，推广应用国内外先进垂直气象科学技术成果，促进垂直气象技术升级换代，构建符合本地实际的国内新一代多元化垂直气象探测服务系统。

（8）配合中国气象局相关科技部门、中科院、高等院校等单位相关部门，采用合作的方式，通过科学研究、科技实验，逐步解决常规高空气象中存在关键技术难点。

（9）结合郑州国际航空港建设，构建常规高空气象与探测空域飞行业务间友好相遇的握手机制解决探测空域安全隐患问题；研制双程高空气象业务系统解决常规高空气象探测球炸后造成气球降落信息不明的安全隐患。

（10）主动参加国内外现代测试（分硬件系统测试和数据处理系统测试）技术交流；研究基于现代测试技术多元化垂直气象探测数据质量控制技术，构建基于现代互联网技术的多元化垂直气象探测数据质量控制平台。

（11）加强多元化气象探测数据系统的梯型风能、太阳能资源评估与利用，研制多元化垂直气象探测数据系统的梯型风能、太阳能资源信息服务系统。

（12）进行多元化垂直气象探测数据融合技术交流和合作，研制、推广新型多元化垂直气象探测数据融合平台。研制三维气象数据场景化信息系统。