黄河流域生态气象观测体系建设的思考

李彤霄， 赵国强， 邓天宏， 吴 苏

(1.河南省气象科学研究所，郑州 450003； 2.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，郑州 450003； 3.中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州 450003)

引 言

黄河是中国的第二长河,发源于青海高原巴颜喀拉山北麓,在山东东营注入渤海。黄河干流全长5464 km,流域总面积79.5万km2(含黄河内流区)[1]。黄河流域地形地貌复杂，气候多变多样，物种资源丰富，构成了多种多样的生态体系[2]，是我国重要的生态安全屏障，也是人口活动和经济发展的重要区域。

近年来，党中央一直高度重视黄河流域的发展。习近平总书记指出黄河是中华民族的母亲河，保护黄河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计。将黄河流域生态保护和高质量发展上升为国家战略。因此，加强黄河流域生态保护意义重大。

黄河流域生态气象观测体系作为黄河流域生态保护和高质量发展的重要科技支撑，是黄河流域生态安全建设工作的重要一环。做好黄河流域生态气象观测体系建设工作，增强生态系统综合气象观测能力，构建布局合理、定位准确、层次分明、设备先进、功能完备的生态系统气象观测站网，实现对国家禁止开发区、重点生态功能区、农产品主产区、重点开发区和优化开发区等重点区域的实时观测，实现综合气象观测系统覆盖黄河流域山、水、林、田、湖、城等各类典型生态系统，为中小尺度短期气象灾害预报预警、决策服务提供稳定可靠的气象基础数据，为生态环境保护及生态修复能力评估提供气象数据支撑，为局地气象灾害生态指标研究提供基础数据，长期观测数据为气候变化研究及应对气候变化提供历史资料，为国家战略实施和生态文明建设提供有力支撑，对于实现经济社会的可持续发展具有重要作用。

黄河流域横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原、华北平原等四大地貌单元和我国地势三大台阶；拥有黄河天然生态廊道和三江源、祁连山、若尔盖等多个重要生态功能区域；横跨大陆非季风带和季风带、三个降水区、四个温度带[3]。因此，黄河流域生态系统是一个复杂的系统，按照主要功能类型可将流域生态类型分为冰川、积雪、冻土；草原；森林；水体、湿地；荒漠；农田；城市等。其主要生态区域具体分布情况见图1。

图1 黄河流域主要生态类型区分布情况

1 黄河生态气象观测状况

1.1 生态气象观测

生态气象观测是对农田、森林、草地、湖泊、荒漠、湿地等代表性生态系统中水、土壤、大气、生物等生态系统不同要素观测的总称[4-6]，是了解不同生态系统中地气间能量流动和物质循环的基础性工作，也是生态气象信息服务、天气气候预测模式参数获取和相关科学研究工作的基础[7-10]。

目前，气象、林业、环境、水利、海洋等部门都针对不同的生态系统开展了生态气象观测工作，其中以气象部门观测系统设备较为完善，观测内容较为丰富。气象部门凭借覆盖96%以上乡镇的气象监测站网、在轨运行的9颗“风云”气象卫星，以及190部新一代天气雷达、653个农业气象观测站、2111个自动土壤水分观测站，能够从陆地到海洋、从地面到高空，全方位、多层次反映气象条件变化，为生态环境监测评估提供权威数据来源。气象部门长期依托农业气象试验站、气候观象台、国家气象观测站和试验基地等，开展草地、森林等生态系统长期定位生态监测与评估，依托卫星、飞机、雷达等开展不同时空尺度的生态状况及气候变量、温室气体、气溶胶的遥感监测，为国家生态文明建设提供一定的技术支撑。

1.2 黄河生态气象观测现状

建国以前，黄河生态气象观测基本上是空白。建国70年来，特别是近20年来，黄河流域生态气象观测站网逐步形成，从气压、气温、相对湿度、风向风速、日照等基本气象要素观测，到土壤水分、气溶胶、负离子等，为流域生态气象监测与服务提供基础支撑。

根据2019年底中国气象局统计，流域内共有各类气象观测站19651个，以观测层为分类依据，地面观测(陆地和海洋表面-10 m)站共19597个，高空观测(10 m-30 km)站47个，空间天气观测站(30 km以上)7个。初步建立起了天、空、地一体化的立体气象监测网络，为生态气象研究与服务提供数据支撑。

针对不同生态系统，气象部门利用风云卫星工程等项目，建成了由83个省级静止气象卫星中规模接收站，11个省级FY-3(风云3号卫星)气象卫星资料接收站，7个省级EOS/MODIS(美国地球观测系统卫星中分辨率成像光谱仪)接收应用站，9个省级FY-4气象卫星资料接收站和8个生态卫星遥感反演产品真实性检验基地构成的以国家级卫星地面站为主、省级卫星地面站为辅的全国气象卫星数据接收与共享网络体系，流域各省基于EOS/MODIS、FY2/3(风云2、3号卫星)、H-8(日本葵花8号卫星)等可见光和微波等多源遥感数据和美国陆地资源卫星、国产高分系列及欧洲哨兵系列等多源卫星数据，相继开展了农业气象灾害、森林火险、秸秆焚烧、大气环境污染、城市热岛、积雪监测及NDVI(植被覆盖指数)、NPP(净初级生产力)等生态气象服务。同时通过部门合作，实现了高分卫星、环境星等卫星数据的分发与共享，为黄河流域生态环境气象遥感监测提供了业务保证。

1.3 黄河生态气象观测内容

由于生态气象研究的基本单元是生态系统，因此黄河生态系统的观测也主要是依据黄河流域的不同生态系统展开的。按照植被类型分，黄河生态系统从源头到出海口生态类型多种多样，主要生态系统为冰川、积雪、冻土生态系统，草原生态系统，森林生态系统，湿地生态系统，荒漠生态系统，农田生态系统，城市生态系统等生态系统[11-15]。

1.3.1 共性观测内容

由于各类生态系统基本组成是由水、土壤、大气、生物4大要素构成的，因此生态气象最基本的观测也是由基本的常规气象观测构成的。常规气象观测包含气温、日照时数、辐射量、相对湿度、降水量、气压、风向风速、土壤墒情、蒸发量等基本观测内容。

1.3.2 各类生态系统生态气象观测内容

(1)冰川、积雪、冻土生态系统

黄河流域上游主要分布在青藏高原。作为青藏高原生态系统的一部分，冰冻圈综合观测是主要的观测内容。目前开展的常规的地面气象观测主要是冻土、积雪、雪深、雪压相关的地区气象观测。积雪面积、积雪覆盖日数、雪层温度、雪层含水率和雪密度等积雪观测，冻土类型、冻土面积、冻土温度、冻土上下界等冻土观测，冰川面积等冰川观测在逐步开展。

(2)草原生态系统

黄河流域涵盖了北方温带草地区、青藏高原高寒草地区，是我国主要的天然草地资源集中分布区。除了常规的气象观测，黄河流域草原生态气象观测开展了生态环境水文要素、土壤要素、生物要素、气象要素等的观测，包括土壤水分、地下水位、土壤干土层、土壤冻结和解冻、土壤肥力、土壤盐碱成分、干沉降、土壤风蚀度观测，主要天然牧草的生育期动态观测与生物量动态观测，放牧制度监测，主要天然牧草地上生物量监测，以及大气降水的酸碱度和电导率、气溶胶质量浓度、沙尘暴物理特性、气象灾害、气象衍生灾害等的观测。

(3)森林生态系统

黄河流域森林主要分布在川西阿坝州若尔盖、阿坝县川西冷云杉林区、六盘山、秦岭北坡、太行山。森林生态系统是最复杂生态系统，对森林生态系统的监测也是一个非常复杂的过程。因此生态气象观测的内容较多，主要有森林水文要素、森林土壤要素、森林气象要素、森林生物要素和森林其他要素等五个方面的观测。其中，森林水文要素包括蒸散量、水量空间分配格局、配对集水区与嵌套式流域、森林水质等。森林土壤要素包括土壤理化性质、土壤有机碳储量、土壤呼吸、土壤动物、酶活性及微生物、根际微生态区等。森林气象要素包括常规气象要素、森林小气候、微气象法碳通量、温室气体、冻土、降雪、大气干湿沉降、负离子、痕量气体及气溶胶等。森林生物要素包括长期固定样地、植被物候、植被层碳储量、凋落物与粗木质残体、树木年轮和动物资源等。森林其他要素包括氮循环、重金属、森林调控环境空气质量功能、稳定同位素、森林生态系统健康和森林生态系统服务等[16]。

(4)湿地生态系统

黄河流域湿地生态系统主要包括河流、沼泽、湖泊、河口、水库、池塘等多种类型。黄河流域主要湖泊包括扎陵湖、鄂陵湖、乌梁素海、东平湖等。主要水库有龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底等大型水库。黄河湿地指邻近水体，常年浸水湿润的滩地、洪泛区等所形成的湿地，主要由河漫滩湿地及洪泛湿地组成。其生态气象观测主要有湿地总体概况指标、湿地气象观测指标、湿地土壤观测指标、湿地水文观测指标、湿地水质观测指标、湿地生物观测指标、湿地灾害观测指标等七个方面。其中，湿地总体概况指标包括地理坐标、平均海拔高度、地貌形态类型、主要湿地类型、湿地成因类型、湿地总面积、湿地水源类型、湿地蓄水量、湿地积水状况、湿地土壤类型、湿地底泥类型及人为干扰强度等。湿地气象观测指标以常规气象观测的天气现象、气压、风、空气温度、地表温度、空气湿度、辐射、大气降水及蒸发量等为主。湿地土壤观测指标包括土壤物理性质、化学性质、泥炭层及冻土层等。湿地水文观测指标包括近海与海岸湿地、河流湿地、湖泊湿地及沼泽湿地等。湿地水质观测指标包括湿地水体的物理性质、化学性质及溶解性气体(包括部分温室气体)等。湿地生物观测指标包括湿地植被特征、湿地植物群落特征、湿地植物群落生物量、湿地植物凋落物、湿地野生动物、湿地土壤动物、湿地浮游动物、湿地浮游植物、湿地底栖动物、湿地微生物及湿地濒危物种等。湿地灾害观测指标包括疫源疫病、有害入侵物种、虫害、病害、兽害、火灾、水华/赤潮及气象灾害等[17]。

(5)荒漠生态系统

黄河中游分布着我国主要的气候荒漠区——干旱、半干旱荒漠区。荒漠生态系统气象观测重点开展微气象、风蚀、土壤水分、植被长势等观测，其生态观测内容除了常规的观测要素外，增加了蒸发量、天气现象(浮尘、扬沙、沙尘暴日数、出现时间)、土壤常规要素(温度、水分、电导率)、荒漠化要素(风蚀、风积、降尘量)、土壤理化要素(有机质、pH、颗粒组成、含盐量、盐碱占比、风蚀、风积、降尘量)、地表水(蒸散量、地表水位、水温、pH、电导率)、植物物种名录、群落(类型、总生物量、群落高度、盖度)、科属(科属生物量、群落高度、盖度)、物种(生物量、群落组成、高度、盖度、频度、密度)等。

(6)农田生态系统

黄河流域耕地资源丰富、土壤肥沃、光热资源充足，农牧业在全国具有重要地位，宁蒙河套平原、中游汾渭盆地、下游防洪保护区范围内的黄淮海平原，是我国主要的农业生产基地。流域涉及的 9 个省(区)粮食作物总播种面积约占全国粮食作物总播种面积的35.7%，粮食总产量约占全国粮食总产量的 33.1%。目前主要开展农田生态系统环境要素观测、耕作制度观测、作物种植面积观测、主要作物生育期动态观测、主要作物叶面积与生物量动态观测、主要作物收获期植株性状观测、作物产量观测等。

(7)城市生态系统

黄河流域有三个国家战略城市群：黄河流域上游的兰西城市群，中心城市为甘肃省会兰州和青海省会西宁；黄河流域中游的中原城省级市群，中心城市是河南省会郑州；黄河流域下游的山东半岛城市群，中心城市是山东省会济南和副省级市青岛。其重要城市有兰州，银川，巴彦淖尔，西安，渭南，临汾，三门峡，洛阳，郑州，开封，济南，东营等。生态功能是城市功能体系的重要组成部分，为经济发展提供支持和保护。目前开展的生态气象观测内容除了常规的气象观测外，还有酸雨、黑炭浓度、气溶胶、总辐射和紫外线观测等大气成分观测，城市热岛效应监测，大气污染监测，河道污染监测，城市内涝监测、城市土地利用变化等。

1.4 生态气象观测存在问题

由于生态气象观测是在以往气象观测的基础上发展起来的，在开始的设计和布局中还存在一些问题，主要表现在以下几个方面。

(1)观测缺乏布局，要素有限，亟待统筹规划，满足各生态系统气象服务需求

目前，生态气象观测站建设尚处于起步阶段，大多数生态气象观测站都是各省根据本省需要建设的，没有从整个黄河流域生态气象系统上综合考虑，存在布局凌乱，不合理的情况。此外，各个生态气象观测站的观测项目都是在常规气象观测项目的基础上建设的，对生态气象观测的需求考虑不足，进而造成观测要素有限，不能满足当前服务的需要。现有的冻土监测站点仅能进行活动层(3.2 m)最大冻结深度监测，不能满足冻土监测需要。森林生态监测站点有限，土壤水分观测站稀少，不能满足生态脆弱区生态保护及防灾减灾的需要。草原生态环境气象要素监测不足，不能满足突出要素的监测。农田生态气象观测缺乏布局合理、结构完整的观测网络。城市生态环境观测中对气溶胶、一氧化碳、二氧化硫等颗粒物垂直观测的站点稀少。因此，生态气象观测站网建设应该统筹规划、合理布局，进而满足各生态系统气象服务需求。

(2)生态气象观测自动化程度低，时效性差，亟待提高自动化、智能化观测水平

全国地面自动化改革从2020年开始进行，一些观测仍然以人工观测为主，自动化设备布设少。冻土自动化观测设备仍在测试阶段，没有列装，雪深、冻土观测仍以人工观测为主，自动化程序低，观测频次少。农业气象自动化观测工作已经开展多年，除土壤湿度外，如发育期等其他要素观测目前仍以手工观测为主。人工观测劳动强度大，观测时效性差，急需通过产品研发提高农业气象自动化、智能化观测水平。

(3)协同监测开展不足，亟待提升立体监测能力

天基卫星遥感观测以宏观、大尺度监测与服务为主，针对黄河流域局地生态环境要素气象监测开展不足；以无人机为代表的空基生态观测仍处于起步阶段；天基-空基-地基观测系统协同观测及观测数据融合应用能力不足，数据挖掘和多尺度综合应用能力不强。

各生态类别缺乏流域协同、兼顾特色的集约化业务系统。针对冰雪、草地、森林、荒漠、农田、水、城市群的业务化定量遥感监测评估技术有待进一步研究，黄河流域各生态系统监测业务指标体系不完整或缺乏。依托卫星遥感、无人机获取生态气象要素和环境要素的能力薄弱，卫星遥感产品的精度和定量应用水平等相对较低，静止卫星生态相关探测和产品缺失。

(4)生态气象监测缺乏标准和规范，亟待建立完整的观测标准和规范体系

生态气象观测体系是一个庞大复杂的体系，涵盖生态系统的很多方面。当前生态气象观测体系建设在很多地方尚不完善，在标准化规范化方面存在很多不足，甚至是空白。2021年内蒙古新天元防灾减灾研究院联合国家气象中心、国家气象信息中心、浙江大学、南京信息工程大学、河南气象局等20家单位联合制定了国标《陆地生态气象观测数据格式规范》，但这只是生态气象观测体系标准化的开始，生态气象观测体系还有大量的内容需要制定标准和规范，进而建立完整的观测标准和规范体系。

(5)生态气象监测“碎片化”严重，亟待建立健全业务体系建设

目前，生态气象监测体系建设多以单项建设和局地建设为主，缺乏生态学意义上的系统建设。以往的生态气象监测较少考虑监测体系的系统性和生态功能的结构性，并且存在行业分割、行政边界分割的情况，违背了生态系统的整体性，造成生态气象监测“碎片化”，业务体系不完善。

(6) 生态气象监测产品真实性检验能力不足，亟待建立真实性检验体系

目前，针对冰雪、草地、森林、荒漠、农田、水、城市群的监测产品的真实性检验能力不足，特别是与业务服务的结合度不高，产品检验时效性和精准度满足不了实时动态监测业务服务，亟须建立流域协同、分工明确、布局合理的生态气象监测产品真实性检验体系。

2 当前黄河流域生态气象观测系统建设思路

针对黄河流域生态保护与高质量发展气象保障新需求，根据全面落实监测精密、预报精准、服务精细的要求，黄河流域生态环境气象监测应围绕黄河流域生态系统，构建完善立体监测网，丰富水、土壤、大气、生物等相关生态要素观测，采集长期、系统性观测数据，实现各类监测数据互联共享、融合应用，全面提升黄河流域生态气象监测能力和信息化水平，为精细化预报预测预警服务、流域内生态状况观测、区域变化规律研究、气象资源合理利用和调控机制研究、气候变化及对策研究等提供支撑。

2.1 提前规划，综合研判，合理布局生态气象观测站

黄河流域生态气象观测系统是一个综合的观测体系，现有生态气象监测手段和能力已不能满足黄河流域生态文明建设的需求。要做好黄河流域生态气象观测系统，首先要做好顶层设计，综合研判未来发展方向，及早规划生态气象观测站布局，依托黄河流域生态环境地面观测、天-空-地协同遥感监测、生态模型与多源数据同化等多项关键技术，构建生态系统功能综合监测评估及技术评价体系，提升气象部门为流域生态文明建设的整体服务能力。从流域角度而言，黄河主要生态气象观测上游以冰川、积雪、冻土、草地、森林生态系统为主，中游应以荒漠、草地、森林、农田生态系统为主，下游以水体、湿地、农田生态系统为主[18]。

2.2 加强研发，引进技术，及时提高智能化水平

黄河流域生态气象观测内容繁多，观测条件复杂，不利于监测精密度的提高。因此，应以发展智能观测业务技术为导向，发展生态气象观测协同观测技术，引入大数据、物联网、人工智能、图像识别等技术，发展天气现象、灾害性天气、生态环境自动识别技术，研制流域一体化黄河多源资料融合分析平台、黄河生态识别平台，提升流域多圈层、全覆盖、精密型智能观测能力[19-26]。

2.3 立体建设，协同工作，有效提升综合观测能力

生态气象观测不能仅从站网建设考虑，应该充分利用已有的天基、空基、地基观测系统，开展立体化监测，从多个维度去提升生态气象观测能力。建立集天基、空基和地基于一体的黄河流域生态气象立体化监测体系，可以有效发挥卫星、雷达、无人机、地面自动站等生态气象监测手段的优势，突破黄河流域环境复杂、监测困难的瓶颈，实现对黄河流域生态气象的全方位监测。同时，积极推进气象卫星遥感应用，开展生态气象观测试验，推广便捷化观测设备的使用，发展协同观测技术，有利于提升黄河流域生态气象观测协同工作能力，进而有效提升生态气象观测综合观测能力。

2.4 制定标准，规范业务，逐步建立标准化观测体系

目前生态气象观测标准化工作在很多地方刚刚起步，在观测内容、观测仪器、观测方法上尚未形成统一的规范、标准，不利于黄河流域生态气象观测的开展，也不利于黄河流域的生态保护和可持续发展。应当以黄河流域生态气象观测需求为依托，以生态系统构成为框架，从观测内容、观测仪器、观测技术和方法等方面综合谋划，合理规划黄河流域生态气象观测业务体系，逐一制定相关标准，建立标准化观测体系。

2.5 认真梳理，整体谋划，丰富健全观测业务体系

黄河流域生态气象监测体系建设是一个系统性工程，涵盖黄河流域生态系统的众多方面。针对目前黄河流域生态气象监测不能满足生态气象服务的需求问题，认真梳理黄河流域生态气象监测需求、当前已开展观测业务及拟开展观测业务，从生态需求的角度整体谋划，在生态系统的整体性上下功夫，突破疆域限制和思维局限，制定黄河流域生态气象监测工作方案、技术规范、标准、考核办法，形成规范业务体系，建立以需求为导向的流域生态环境监测与服务业务体系[27]。

2.6 加强应用，及时检验，建立健全真实性检验体系

针对遥感生态产品真实性校验的问题，应加强遥感业务产品的应用，在实践中不断检验产品效果，通过一次次的服务去发现问题，解决问题，提升产品的质量。同时应围绕黄河流域生态环境监测评估需求，选取黄河流域冰川、雪地、冻土、湿地、森林、草地、农田、荒漠、城市等主要生态系统关键区域，依托地基地面气象观测站建立生态产品真实性校验场，配备相关仪器设备，与卫星过境同步开展观测，结合地基气象观测网，建设黄河流域生态产品真实性检验体系，实现生态产品真实性的业务化快速检验。

3 黄河生态气象观测系统建设方向

黄河流域生态保护和高质量发展是当前乃至长期的一项重大国家战略。黄河流域生态保护和高质量发展保障工作应当紧扣“生态优先”“绿色发展”两个关键，围绕黄河流域洪水风险大、生态环境脆弱、水资源匮乏、发展质量不够高、民生发展不足等五个突出困难的治理需求，以观测精密为重点发展方向，以气象现代化为发展目标，不断开发和引进先进的技术设备，逐步丰富和完善黄河流域生态气象观测系统，加快推进流域气象观测现代化，健全流域气象服务体制机制，保障黄河流域生态保护和高质量发展战略实施。