气电一体、以气为本理工结合、落实到工——气象观测课程分析

李 浩，刘 凤，孟 鑫，印 敏，邢保书，谢槟泽

（国防科技大学气象海洋学院，长沙 410003）

气象观测是指对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行个别或系统地、连续地观察和测定，并对获得的记录进行整理的过程和方法[1]。气象观测涉及大气物理、普通气象、传感器技术、无线电技术、电子技术和空间技术等多个学科，科学技术每一次进步均促进了气象观测的发展，也给大气科学提供了发展动力。气象观测是大气科学发展的基础，其发展程度是大气科学发展水平的一个重要标尺。气象观测课程是大气科学类专业的基础核心课程，国防科技大学气象海洋学院开设气象观测课程已有三十多年的历史，面对观测技术的快速发展、复合创新的人才培养、岗位任职的能力要求、课程思政的时代要求，教学团队持续开展课程改革[2]。

课程教学改革必须基于具体课程的特点，有针对性地优化教学内容并创新教学方法。本文按教学内容的递进顺序和模块组合分类，气象观测课程分别包括观测对象、观测要素、观测方法、观测技术和观测实践等环节，以及大气物理、普通气象、电子科学、信息技术和空间技术等多学科交叉。本文按教学内容的递进顺序和模块组合分类，运用辩证思维从课程教学内容的递进顺序和模块组合两个交叉维度出发[3]，首先分析课程基本特点，然后讨论若干典型案例，旨在为教学改革提供可供激发联想的参考框架和可以举一反三的基本思路。

一 课程特点

从气象观测感知内容看，气象观测的对象和要素属于气的范畴，气象观测的方法和技术属于电的范畴。气是气象观测的目的，电是气象观测的手段，气电密不可分。从气象观测学科分类模块看，大气物理和普通气象等属于理的范畴，电子科学和信息技术等属于工的范畴，理是气象观测的基础，工是气象观测的实现，理工密切结合。

（一）对象和要素

将气象观测和测量学[4]进行比照，参照测量学中的测量对象概念，可以梳理出气象观测的实体对象，包括太阳和太阳大气层，对流层和平流层中的气体、云、雨、雾、气溶胶、带电粒子、电磁场和辐射，以及地表土壤和表层海洋水体。

实体对象的某些属性是测量参数，叫做被测量。气象观测对象的某些参数即为气象要素，同一个气象观测对象可以有若干个要素，比如云包括云量、云高和云状等要素。不同的气象观测对象可以有相同的要素，比如土壤和空气都有温度要素。气象要素包括单要素和复合要素，比如气温、湿度和气压属于单要素，大气折射率可根据根据气温、湿度和气压测量值计算得到，属于复合要素。气象观测的对象和要素的逻辑框架如图1 所示[5-6]。

图1 气象观测的对象和要素

气象观测的对象和要素属于气的范畴，教学重点在于对大气物理和普通气象知识及其综合运用。探测对象决定传感器的选型和测量机理，两者是相互作用的实体，而探测要素则决定传感器的输入输出关系。可以认为，气象观测的对象和要素决定着气象观测的原理和方法，是气象观测的目标，也是第一个教学环节。

（二）方法和技术

将气象观测和测量学[4]进行比照，从不同角度提出气象观测的三对六个概念，即直接探测和间接探测、现场探测和遥感、主动探测和被动探测，构建比较完备的气象观测的方法和技术体系。气象观测的方法和技术表明了探测技术的自身特征和适用范围。直接和间接主要描述传感器输出和探测要素的量值关系，需要关注直接和间接的量值关系在不同环境下是否普适成立；现场和遥感主要描述传感器和探测对象的位置关系，需要关注现场和遥感如何确定采样空间的大小和位置；主动和被动主要描述传感器和探测对象的作用关系，需要关注主动和被动探测的气器作用是否影响气象要素值。可以认为，气象观测的方法和技术是气象观测的手段，是第二个教学环节。气象观测的方法和技术的逻辑框架如图2所示[5-6]。

图2 气象观测的方法和技术

气象观测是在自然条件下进行的。由于气象要素随时、随地不断变化，而且仪器本身也受到许多复杂因素的影响，因此气象观测是一种复杂的动态测量过程，不同于实验室内的测量。为便于了解大气整体的运动变化规律，气象观测资料必须满足三性要求[1]。代表性是指气象测量值应能代表测站周围较大范围内的或一段时间内的平均状况。准确性是指测量值与真值一致的程度，通常是用系统误差和随机误差合成大小来描述。可比性是指资料必须具有良好的时空比较性，满足天气分析预报和科学研究的需要。从测量学角度看上述三性要求，可以认为代表性是解决气象观测样本是否属于被测对象状态的总体，准确性是反映被测对象总体的抽样误差，比较性是通过气象仪器计量检定等标准化实现的。通过严格执行气象观测规范来保证三性要求，在气象观测学课程教学中需要解析气象观测规范，给出气象观测资料的三性要求如何转化为气象观测技术实现的内在逻辑。转化关键在于对每种气象观测技术的自身特征和适用范围的掌握，可从以下三个角度分别考虑。

①基于直接和间接这对概念，不妨侧重考察传感器输出和探测要素的关系是否普适，这是决定可比性的重要因素。比如，金属电阻属于直接探测，标定温度与电阻之间普适的关系，气温探测可比性较好。前向散射能见度仪属于间接探测，而大气散射复杂多变，用相同的计算模型会使能见度可比性变差[7]。逻辑上，直接探测的可比性优于间接探测。②基于现场探测和遥感这对概念，不妨侧重考察传感器和探测对象的采样空间是否恰当，这是决定代表性的重要因素。比如，百叶箱属于现场探测，其尺寸、高度和环境决定了气温探测的代表性。天气雷达属于遥感，由脉冲宽度和天线方向性确定的有效照射体积决定了云雨探测结果的代表性。逻辑上，遥感的代表性优于现场探测。值得注意，大气遥感技术基于电磁波作用于大气分子、气溶胶、云、雨和湍涡等大气对象，借助于电磁波的大气散射、吸收、折射和多谱勒效应等物理过程，通过实测电磁波的强度、偏振、相位和方向等参数，然后运用微分积分方程、边界初始条件、经验统计模型和多元资料比对等进行气象信息反演。③基于主动和被动这对概念，不妨侧重考察传感器和探测对象的相互作用是否超然，这是决定准确性的重要因素。比如，温度表属于被动探测，其热容量远小于空气，温度表不改变气温也具有超然性，因此气温探测准确性有保证。而干湿表测湿属于主动探测，若湿球液态水使用不当，就有可能改变待测区域空气湿度。逻辑上，被动探测的准确性优于主动探测。

气象观测的方法和技术属于电的范畴，教学时可以将常用气象观测技术填入图2 中，比如百叶箱通风干湿表属于“间接-现场-主动-地基”探测技术，从上述三个角度分别考察，其作为间接探测的计算模型中的系数是否具有普适，其作为现场探测的百叶箱的结构和高度是否具有恰当，其作为主动探测的湿球液态水蒸发对空气湿度是否超然。鉴于不同设计方法，通风干湿表包括百叶箱自然通风干湿表、阿斯曼通风干湿表、手摇通风干湿表等[1]。

二 案例分析

前已论述了气象观测的认知对象和学科分类，并将气象观测课程的特点概括为气电一体、以气为本，理工结合、落实到工。气象观测课程教学内容包括地面气象观测、高空气象探测、主动大气遥感和被动大气遥感四部分，本节从这四部分中分别给出一个典型案例，简明扼要地给出对应的大气科学和电子科学领域的基本知识以及对应关系，用于阐述气电如何一体、怎样落实到工。

（一）地面气象观测

地面气象观测是气象观测中开始最早发展、最普遍的一类。早期全凭目力对风、云等各种可见现象和感觉对冷、热、干、湿等进行判定。由于各种气象仪器的创制和新技术的应用，常规观测逐渐向自动化遥测过渡。以散射式能见度仪观测气象能见度为例进行分析，对照图2 该技术属于“间接-现场-主动-地基”探测技术，为了阐述气电如何一体、怎样落实到工设计了表1，包括涉及的大气科学和电子科学的主要内容及其对应关系。

表1 散射式能见度仪观测气象能见度

大气科学领域知识包括亮度对比在大气中的传输规律、大气散射强度随散射角的分布、大气空间不均匀性与尺度特点、不同波长大气消光系数的关系、大气中漫射散射和背景光特点。目标物的能见与否与目标物和背景的亮度对比有关，由于大气中分子和悬浮微粒的影响，人眼见到的目标物和背景的视亮度与目标物固有亮度是不一样的。大气中气体分子及悬浮粒通过散射、吸收及反射等机制对光起衰减作用导致目标物固有亮度减弱，另一方面空气元对入射光的散射使得目标物亮度增强。大气透明程度不同，物光减弱和气幕光增强的程度不同，从而导致观测到的目标物总视亮度不一样。基于大气辐射得到科希米得定律，表示了以水平天空为背景的目标物视亮度对比随距离衰减的规律。

电子科学领域知识包括间接测量能见度的技术路线、能见度仪散射角和采样体积、能见度仪采样时间平均算法、能见度测量结果的波段修正、能见度仪的抗干扰防护技术。前向散射能见度仪是通过测量某一前向散射角度的散射光来测量能见度的。发射机发射脉冲光，大气中各种粒子对该入射光的散射形成散射光，发射与接收相交的体积中的散射能量被接收机接收到，测量该散射能量便能通过计算确定能见度。发射光束和接收光束之间的夹角称为散射角，在这一角度范围内散射系数与某一限定角度的散射光强之间具有较好的相关性。将散射光强转换成光电流，通过测量光电流确定散射光强。讨论误差因素时，还需要考虑接收器件的光电技术参数，同样发射光强也取决于发射器件光电技术参数。

（二）高空气象探测

高空气象探测是指借助仪器对自由大气中各高度的气象状况进行观察和测定，观测项目有气温、空气湿度、气压和风等，还有一些特殊项目如大气成分、臭氧、辐射和大气电场等，探测技术有常规无线电探空、气象飞机、气象火箭等。以常规高空探测雷达观测风廓线为例进行分析，对照图2 该技术属于“直接-现场-被动-空基”探测技术，为了阐述气电如何一体、怎样落实到工设计了表2，包括涉及的大气科学和电子科学的主要内容及其对应关系。

表2 高空探测雷达观测空中风廓线

大气科学领域知识包括气球在大气中的运动规律、膨胀型气球所受浮力特点、气球上升时净举力和升速、水平投影空中风计算原理、大气中电磁波的折射效应。气球在空气中漂浮可以是以一定的速度上升或在空中某一等密度面高度上平移、也可以是以一定的速度降落；在高空风探测时，一般使用充以氢气或氦气的上升气球作为空气运动的示踪物进行高空风的测量。因为气球的质量很小，在空气中运动的惯性滞后可以忽略，所以气球在水平方向上的运动可以表示气流的水平运动，这就是气球测风法的基本依据；气球施放后短时加速上升，阻力迅速增大，很快与净举力达到平衡，近似作匀速上升运动；此外，在用无线电进行气球定位时，需要掌握大气对电磁波的折射效应。

电子科学领域知识包括有源和无源气球跟踪定位技术、化学法和水电解制取氢气技术、净举力查算和平衡器充球技术、空中风计算程序的设计与实现、高空气象探测雷达的跟踪技术。测风雷达可分为一次测风雷达和二次测风雷达，一次测风雷达采用气球下悬挂无源反射体进行定位，无源反射体一般是反射靶，二次测风雷达采用气球下悬挂有源反射体进行定位，有源反射体一般是回答器；雷达发射的电磁波称为主波，被反射靶或回答器等目标物反射或回答的电磁波称为回波，测量电磁波由雷达到目标物的往返时间则气球的斜距；测定目标物方位是利用雷达天线发射或接收电磁波具有方向性的原理来实现的，其中等信号法利用天线产生的两束对称且有一部分重叠的波束来实现等信号测量。

（三）主动大气遥感

人们在应用军事雷达进行探测时发现云雨等气象目标产生的回波，从而把雷达探测技术应用到气象目标探测中来，并专门研制了天气雷达，可以对数百公里范围内的雷暴中降水分布及其结构进行连续性探测，用于警戒和预报各种中、小尺度天气系统。以天气雷达主动遥感云雨为例进行分析，对照图2 该技术属于“间接-遥感-主动-地基”探测技术，为了阐述气电如何一体、怎样落实到工设计了表3，包括涉及的大气科学和电子科学的主要内容及其对应关系。

表3 天气雷达主动遥感云雨

大气科学领域知识包括大气粒子后向散射截面、大气体积后向散射系数、电磁波在大气中的衰减、散射强度与降雨的关系、降水粒子散射偏振特性。当电磁波在大气中传播时，入射波的电磁场就使粒子极化，感应出复杂的电荷分布和电流分布，以同样的频率发生变化，这种高频变化的电荷分布和电流分布就要向外辐射电磁波，这种二次辐射的电磁波就是散射波，这个粒子即成为散射中心或散射源；如果一个粒子是各向同性的，则粒子的散射特性将由粒子的大小、折射率及入射波的波长决定，这就是散射三要素；电磁波在粒子内部传播，有电流在粒子内部流动，必有一部分能量要被吸收或转化为焦耳热产生介质损耗，这就是粒子对入射波的吸收作用，会造成传播路径上能量的衰减。

电子科学领域知识包括微波天线收发技术、雷达有效照射体积、回波信号接收处理、雷达回波分析应用、电磁波极化与检测。天气雷达通常由天线馈线分系统和伺服分系统、发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、监控分系统、通信分系统、数据处理及显示分系统、电源分系统等组成；其中发射分系统周期性地产生时间上短促而峰值功率强大的高频振荡电磁波，经过天线馈线分系统后再发射出去，有关的主要技术指标为脉冲重复频率与脉冲重复周期、波长、脉冲宽度和发射功率等；一般雷达采用具有高度方向性的定向辐射天线，使大部分能量集中在一个很窄的波束范围内朝一定的方向发射出去，目前的天气雷达大多只发射并接收水平线极化波。

（四）被动大气遥感

被动式大气遥感是指遥感器接收大气自身发射的电磁辐射或反射自然源发射的电磁辐射来获取大气信息的方法和技术，仪器设备没有发射部分可以节省能源、缩小体积、减轻重量、降低造价，适合卫星平台进行的全球气象观测。以气象卫星被动大气遥感温度廓线为例进行分析，对照图2 该技术属于“间接-遥感-被动-天基”探测技术，为了阐述气电如何一体、怎样落实到工设计了表4，包括涉及的大气科学和电子科学的主要内容及其对应关系。

表4 气象卫星被动大气遥感温度廓线

大气科学领域知识包括大气的热辐射定律、气温垂直分布特点、气体含量及其分布、大气的有效辐射层、地表红外辐射特性。大气是由气体分子和悬浮在气体分子中的尘埃、水滴和冰晶等固体和液体微粒构成，对红外波段大气因散射的削弱是可以忽略不计的；当大气中气溶胶含大颗粒数目较多时，散射的影响变大，但此时吸收作用更大；在大气各种气体成分的吸收光谱中，有一些强吸收区域称之为吸收带，成为遥感大气的物理基础；对于弱吸收带辐射主要来自于大气低层，由此得到的温度主要代表大气低层的温度；强吸收带辐射主要来自于大气高层，所表示的温度是大气高层的温度；由于某一波长对应的权重函数有一定的宽度，所以卫星测量的辐射来自某一气层即效辐射层。

电子科学领域知识包括向上红外辐射的测量、遥感通道与权重函数、卫星遥感大气的扫描、大气红外遥感的反演、卫星运行轨道和定标。气象卫星分为极轨气象卫星和静止气象卫星两类，两类卫星在资料获取、存储、发送和处理等方面都有各自的特点；辐射仪器由定向或空间扫描部件、光学系统、探测器、信号处理系统和信号输出装置等部分组成；装载定标设备，用其来确定灵敏度或响应率，或确定自卫星发射以来被动遥感仪器是否发生变化，在轨定标所用参考源为星上内部黑体和宇宙空间；电磁辐射中包含有气温、成分等信息，进一步提取大气的温度、成分和其他大气参数，反演的重要问题是解的存在性、唯一性、稳定性以及求解方法的有关数学问题。

三 结束语

本文梳理了属于大气科学领域的气象观测的对象和要素，以及属于电子科学领域气象观测的方法和技术，分析了气象观测课程具有“气电一体、以气为本，理工结合、落实到工”的特点，并给出典型案例阐述教学过程中“气电如何一体、怎样落实到工”。教学实践表明，本文分析结果和阐述案例可为气象观测课程教学改革提供理论和实践参考。