海陆空全方位的气候监测

联合国专门机构世界气象组织所管理的全球气候观测系统确定了在空中、陆地和海上进行全球监测的54个基本气候变量 (ECV)。

这种监测非常复杂且极富挑战性。监测众多变量需要各种资源，从环绕地球的卫星到大气层中的气球和飞机，再到遍布地球各地的陆基观测站，以及越来越多在海上漫游的机器人平台舰队。

持续监测的地球系统包括：

 

●	生物圈、人类圈 – 由人类制造或改造的环境部分。
●	水圈 - 地球上的所有水，比如湖泊和海洋，有时也包括地面以上的水，如云。
●	冰冻圈 - 地球上的冰冻水域。

 

监测气候可以很简单，比如人工观察， 也可以很复杂，就像轨道卫星网络上用于测量海平面上升的协调传感器阵列，或者像气球上携带的仪器和风廓线雷达，可以从地面上超过16米的高度进行观测。收集的部分数据包括空气化学、温度、降水量、云量、风速和海洋盐度。这需要各种各样的主动和被动传感技术。

本文中，我们将详细介绍一些用于连续监测全球气候变化的传感器和方法，贯穿全球传感器网络的各个层次 - 从轨道、穿过大气层、到达陆地，最后潜入海洋。

ECV卫星监测

ECV的确定基于以下标准：

 

●	相关性 — 该变量对于描述气候系统特征及其变化至关重要。
●	可行性— 使用经过证实的科学方法，观察或从全局推导变量在技术上是可行的。
●	成本效益 — 生成和归档变量数据的成本低廉，主要依靠采用成熟技术的协调观测系统，最大限度地利用历史数据。

 

卫星可以为半数以上的ECV提供详细观测。美国国家航空航天局 (NASA)、美国国家海洋和大气局 (NOAA) 以及欧洲航天局 (ESA) 拥有160多颗卫星，监测气候变化的各个方面，包括大气条件、温度、海洋条件和海平面变化 (图2)。

例如，NASA的Terra和Aqua卫星上的仪器对大气中的气溶胶进行了第一次全球测量，这些气溶胶来自火山、沙尘暴等自然来源，以及化石燃料燃烧等人为来源。Aura卫星上的其他仪器负责研究大气中臭氧丰度的调节过程。来自GRACE和ICESat卫星及星载雷达的数据显示，地球大冰原的变化出人意料地迅速。相比之下，Jason-3、OSTM/Jason-2和Jason-1卫星记录了自1992年以来，海平面平均上升了3英寸。

海平面的变化，以及这种变化的速率，是通过计算海面高度得出的。通过对在同一轨道上运行的卫星所收集的数十万个高度测量值进行平均，可以确定全球平均海平面及其随时间的变化，精度可以达到毫米级。

60GHz附近的卫星遥感可以通过测量氧分子发出的辐射来确定高层大气的温度，氧分子与温度和压力之间有函数关系。国际电信联盟 (ITU) 分配在57GHz至59.3GHz的非独占无源频率用于气象和气候传感应用中的大气监测。由于地球大气中氧的吸收和释放特性，这一点非常重要。

空中大气监测

卫星通过地面传感器系统和雷达从大气层上方、下方进行远程监测，并通过无线电探空仪直接从气球和飞机上进行监测。无线电探空仪是一种电池供电的遥测仪器，通常由气象气球携带到大气层。它测量各种大气参数，并通过无线电将其传输到地面接收器。这些参数包括海拔、气压、温度、相对湿度、风速和风向、高空宇宙射线读数和地理位置（纬度/经度）。

测量臭氧浓度的无线电探空仪被称为臭氧探空仪。在上升以提供风速和风向信息时其位置被跟踪的无线电探空仪被称为无线电探空测风仪（雷达气球）。大多数无线电探空仪都有雷达反射器，可用作无线电探空测风仪。从飞机上投下的，而不是由气球携带的无线电探空仪是一种下投式探空仪。

全球大约有1,300个无线电探空仪发射场。大多数国家通过一系列国际协议共享数据。大多数无线电探空仪的发射时间比0000协调世界时 (UTC) 和1200 UTC的官方观测时间提前45分钟，提供即时的全球大气快照。这对于大气条件和气候变化的数字建模特别重要。

无线电探空仪还可以包括收集高空空气样本，以便在实验室进行后续分析的烧瓶。特别是，二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和臭氧的相对浓度会影响大气捕捉太阳辐射的能力。

陆基监测

陆基感测是最成熟的气候变化监测形式。一个由数千个自动地面观测系统 (ASOS)  — 例如机场、军事设施、教育设施和其他地方的系统组成的全球网络，监测地面空气状况。ASOS装置每小时测量各种气候变量多达12次。地面空气温度是在地面以上两米处测得的。ASOS用来监测地面大气状况的典型仪器包括雨量计，用来测量降落到地球表面的降水量。日射强度计测量到达地球表面的太阳能量。气压计持续监测气压。

风是按水平速度和方向测量的矢量值；风速计测量速度，而风向标和风向袋测量风向。湿度是另一个多维气候变量；湿度计用于测量绝对和相对湿度。绝对湿度是指大气中水汽的实际含量。相对湿度是指空气中所含水蒸气密度与同温度下饱和水蒸气密度的比值。

多普勒雷达被用来监测暴风雨。美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 在美洲大陆拥有159个多普勒雷达塔，可以监测降水量、雷云的旋转速度和方向、龙卷风中的空中碎片以及总体风速和风向。

在海上漫游的机器人

海洋浩瀚无边，要广泛全面地进行检测难度非常大。传统方法是通过船只和浮标网络来测量世界海洋表面温度。今天，卫星远程监测所有海洋的表面温度。但卫星有效监测的范围有限。美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 拥有一支由4,000多个浮标和浮子组成的网络，负责监测海洋化学和洋流。国际Argo计划还部署了3,800多个机器人浮子，称为CTD（电导率、温度和深度）剖面仪，用于监测世界不同深度的海洋。

Argo的浮子是1.3米长的机器人管子，在重新浮出水面并将其位置和数据传输到卫星之前，沉入深度可达2,000米。所有数据都可以在线访问。一个机器人浮子的成本大约相当于一艘研究船在海上两天的费用，但浮子可以自动运行五年，即使在风暴期间，船舶停泊在港口时它们也能继续工作。

最新的Argo浮子是国家科学基金会资助的南大洋碳和气候观测与建模 (SOCCOM) 项目的一部分。南大洋由于其内部和周围的独特现象，正在被研究中。例如，尽管南大洋仅占地球海洋面积的30%左右，但它却约占人为碳吸收量的一半，同时占海洋人为热吸收量的大部分。

除了大多数浮子上都有的基本CTD剖面仪外，SOCCOM浮子还配备了额外的生物地球化学传感器。它们测量：

 

●	水中的溶解氧，它代表该地区的初级生产力水平和呼吸量。氧与碳的比例是相关的，这意味着通过测量溶解氧，还可以确定碳的浓度。
●	pH值，这个值的测量很有意义，因为这片海洋吸收了大量的二氧化碳，当二氧化碳与水反应生成碳酸时，海洋的酸化程度会增加。
●	叶绿素浓度，这个值比较容易测量，它代表浮游植物丰度；因此，绘制叶绿素图有助于更好地了解一个地区的营养物质是如何循环的。
●	硝酸盐，这是浮游植物的一种重要限制性营养物质，硝酸盐丰度可以决定海洋浮游植物的生物量极限。

 

总结

在全球范围内监测几十种ECV是一项复杂而富有挑战性的工作。这需要很多种资源，从环绕地球的卫星到大气层中的气球和飞机，再到遍布地球各地的陆基观测站，以及越来越多在海上漫游的机器人监测平台舰队。这还需要国家之间的协调与合作。

卫星是这项工作的关键，它为超过一半的ESV提供详细观测，监测气候变化的各个方面，包括大气条件、温度、海洋条件和海平面变化。全世界有1300个无线电探空仪发射场在监测高层大气，大多数国家通过一系列国际协议共享数据。大多数无线电探空仪的发射时间比0000协调世界时 (UTC) 和1200 UTC的官方观测时间提前45分钟，提供即时的全球大气快照，支持大气条件和气候变化的数字建模。

对低层大气的陆基感测是最成熟的气候变化监测形式。地面空气状况由数千个自动地面观测系统 (ASOS) 装置组成的全球网络进行监测。ASOS站点每小时测量各种气候变量多达12次。最后，越来越多的机器人浮标和浮子使用生物地球化学传感器来监测世界海洋，收集到的大部分数据在互联网上公开。

审核编辑：郭婷