给大气做“体检”：气象观测背后的“黑科技”

天气预报作为现代生活不可或缺的一部分，其准确性直接关系到人们的日常出行与生产生活，俗话说“天有不测风云”，想要科学地预测未来是非常困难的，但是天气预报却做到了，简单来说，天气预报的本质其实就是“解方程”，气象学家通过我们耳熟能详的物理定律，将大气的运动简化成一组方程组，再将地球划分成数以万计的几十公里见方的小方格，通过超级计算机昼夜不停地求解，便能推算每个方格中未来的天气。

然而，方程的解准不准，在很大程度上取决于已知数是否准确，所以，观测是预报的基础，大气是一个复杂且瞬息万变的混沌系统，想要精准预测未来的天气，首先必须对当前的大气状态进行全方位、高精度的“体检”。那么，要给大气做“体检”，会用到哪些硬核设备呢？让我们先回到千年之前，看看从古至今，人类究竟是如何“观云识天”的。

从“主观”到“科学”，如何保证全球气象数据的可对比性？

在没有科学的观测仪器之前，人们可以通过自己主观的感知去描述天气，但是人与人的体感差异往往是巨大的，这样的观测结论不具有科学性和可对比性。随着温度计、湿度计等科学仪器的发明，人们第一次可以用客观、准确的数值来描述气象要素，但是要进行数据对比的时候，新的问题又出现了：同一个温度计，在树荫下测的温度和在滚烫的地表测得的温度哪个能代表环境气温呢？

于是，气象观测的“元老级员工”——百叶箱登上了历史舞台，百叶箱的叶片与地面呈45度夹角，能够在保证箱体内空气流动的情况下，保护内部的传感器不受太阳辐射、降雨等情况的影响，保证无论白天黑夜、阴晴雨雪，箱体内的观测环境都是一致的，与此同时，百叶箱内的温度和湿度传感器距地面高度为1.5米，刚好对应成年人面部的平均高度，这样测得的温度既能够代表人体所在环境的气温，又能保证全球气象数据都是在相同的观测规范下测得的，科学性和可对比性便得到了保障。

但是，我们人体感受到的温度也会受到风吹日晒的影响，每年夏季热浪来袭的时候，你是否也曾质疑：“地上都能煎鸡蛋了，为什么气温才显示37度？”，因此，在日常生活中仅仅关注气温还不够，我们还要关注天气预报中的“体感温度”，及时做好防晒避暑措施，谨防“热射病”等严重的中暑症状。

图1 百叶箱

新中国成立初期，我国的气象观测站只有101个，早期的气象观测可以说是一份单调且艰苦的工作，仅靠一支笔、一张纸、一台电报机这“老三样”。观测员需按规定时间、程序采集包括气压、气温、湿度、降雨量等几十项数据，并将数据信息制作成报表上报，而且越是遇上恶劣天气，观测员越要往外“冲”，否则，就不能及时地将第一手资料上传共享。

而在2010年后，地面观测全面实现了自动化运行，大大提高了气象观测业务的运行效率，实现了分钟级的不间断观测，业务人员通过数据平台就能实时查看全市甚至全国哪里在刮风、哪里在下雨。截至2026年，我国已累计建成10万余个地面气象观测站，实现了全国乡镇全覆盖，全国自动气象站平均间距缩小至9.8公里。

从地面到高空，如何给高空大气“听诊把脉”？

大气是立体三维的，要给大气层“体检”，不仅要关注地球表面变化，还需洞悉大气垂直柱的整体动态。探空气球被誉为“高空大气的听诊器”，全球高空探测站每天在7:15和19:15同步释放探空气球，国内外放飞时间一致，一天都不能断、一次也不能错，这样的要求同样是为了全球数据交换和数据对比。探空气球内部一般是比空气密度小的氢气，下方悬挂探空仪，最高能升到3万米高空，其球体延展性很好，最大可膨胀到10米直径的大球，而后自行爆裂。

图2 施放探空气球

但是这种常规探空方式一次观测只能获取一段数据，获取气象数据的效率有提升空间。2025年，我国气象探空系统全面升级为自主研发的北斗探空系统，高空探测正式迈入“北斗时代”，跻身国际先进行列。它突破传统探空观测模式，具备一次放球获取“上升—平漂—下降”三段大气连续观测数据的能力，且测风的精度较原模式提高了一个数量级。

从单点到立体，如何用天气雷达给云层“拍CT”？

地面和高空的要素探测都做到了客观、准确，那如何能更直观的“透视”云层内部的结构呢？天气雷达给出了答案。

不知道大家可曾有过这样的疑问：气象局楼顶的大白球是干嘛的？那就是天气雷达的保护罩，保护着里面运转的天线，天线在360度旋转的过程中，不断向天空发射电磁波，通过接收云滴、雨滴等粒子反射回来的电磁波，可以判断云中雨滴、冰晶的大小，甚至能够进一步计算云体移动的速度和方向，绘制出类似“大气CT”的雷达回波图。雷达图的颜色像“西红柿菠菜蛋花汤”，不同的颜色代表着不同的天空状况：蓝色代表降水云系覆盖，绿色代表小到中雨，而黄色、红色甚至紫色区域则预示着大到暴雨或伴有冰雹、雷电等强对流天气，为短临预报提供了关键支撑。

图3 雷达回波示意图

截至2026年，我国已建成由842部天气雷达组成的世界最大天气雷达监测网。能够精准监测短时强降水、冰雹和雷暴大风等中小尺度灾害性天气的新一代天气雷达，距地1公里高度观测覆盖率达54%，监测范围覆盖90%以上人口和主要灾害易发区域。

从大气到太空，“气象天眼”如何捕捉风云脉动？

风云气象卫星构成了我们的“气象天眼”。我国早在20世纪70年代就开始发展气象卫星事业，截至2025年12月已发射了23颗气象卫星，其中10颗在轨运行，是继美国、俄罗斯之后第三个同时拥有极轨气象卫星和静止气象卫星的国家。

图4 2025年风云卫星在轨布局（图片来源：中国气象局国家气象卫星中心）

这两类卫星就像一对默契的搭档，各司其职。静止气象卫星（如风云二号、风云四号系列）悬停在赤道上空约3.6万公里处，就像一颗“钉子”牢牢钉在太空，24小时不间断地凝视着特定区域，时刻捕捉台风、暴雨等灾害性天气的细微变化。而极轨气象卫星（如风云一号、风云三号系列）则像一位不知疲倦的“巡逻兵”，在距离地面仅800-1000公里的近极地轨道上穿梭。由于轨道低，它们看得更清晰、更精准，每天两次飞越地球表面，为全球的数值天气预报和气候变化研究提供核心数据。

我国是全球唯一同时拥有黎明、上午、下午、倾斜4轨气象卫星业务运行的国家。作为国之重器，风云四号B星在全球首次实现了气象卫星区域250米分辨率每分钟连续成像观测；风云三号G星是我国首颗低倾角轨道降水测量卫星；风云三号E星则是全球唯一在晨昏时段开展观测的民用极轨气象卫星。这些卫星不仅守护着国内，还为全球133个国家和地区提供数据服务，填补了全球气象监测的诸多空白。

图5  综合观测业务示意图 （图片来源：中国气象局综合观测司）

除了陆海空天的一体化协同，我国还初步构建起岸海空天一体化海洋气象观测网，整合锚碇浮标、漂流浮标、船舶、海岛及海上平台气象站，与雷达、卫星联动协同，实现大范围海域气象要素实时监测。在这张覆盖天地的“气象天网”支撑下，全国灾害性天气综合监测识别率达83%，精密监测能力达到国际先进水平，变化莫测的气象风云正变得越来越可预知。

（注：本文引用的气象卫星数据、观测站数量及历史事件等事实信息，均综合整理自中国气象局公开资料。）

作者：刘伟  呼伦贝尔市气象局

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