超大城市氣象觀測網的設計與應用

湯緒

（天氣和減災服務司，世界氣象組織，日內瓦 1211）

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超大城市氣象觀測網的設計與應用

湯緒

（天氣和減災服務司，世界氣象組織，日內瓦 1211）

城市化通過改變自然狀態和人類活動對天氣氣候產生重大影響，同時由于城市化帶來的生產、生活活動的密集性，氣象災害對其造成的影響更為集中且嚴重。建立一個以氣象為核心的科學、全面、智能的綜合觀測網是保障城市安全和智能化、個性化的氣象服務的有力支撐。從城市觀測的國內外進展、需求、布局的科學性、新設備的應用、大數據背景下的數據應用和服務等方面給出了超大城市（城市群）綜合觀測網的建設思路。

城市，觀測，應用

0　引言

大規模城市化（城市群）是我國經濟社會發展的重要驅動力和重大戰略。進入21世紀，我國城市化水平每年以1.2個百分點增長［1］。我國城市化發展規模之大、速度之快前所未有。近年來，伴隨著經濟高速發展、城市面積快速擴張，我國已形成長三角、珠三角、京津冀、山東半島、遼中南、中原、長江中游、海峽西岸、川渝、關中等10大城市群。尤其以長三角、珠三角和京津冀三個特大城市群發展迅猛，極大地促進了經濟的高度聚集和快速發展，同時也為高度聚集的人口創造了更好的生活居住條件和更佳品質的集中社會服務。然而，隨之而來的環境壓力和不利的環境效應，城市災害的承災能力降低等問題日益突出，對城市可持續發展帶來嚴重挑戰。本文從城市觀測的需求、布局的科學性、新設備的應用、大數據背景下的數據應用和服務等方面闡述超大城市（城市群）綜合觀測網的建設思路。

1　超大城市（城市群）氣象觀測的目的和需求

1.1超大城市（城市群）氣象觀測的目的和內容

超大城市（城市群）綜合觀測的科學技術目標是觀察自然過程，同時為已有模式的驗證和運行提供驅動數據、參數和驗證數據，并采集高分辨率的數據以將其同化到城市氣象、生態、環境和氣候模式。因此超大城市（城市群）綜合觀測系統的設計要充分考慮大氣、城市（含城市生態）、城市人群及其活動相互影響痕跡的觀察與記錄，并且應用于社會實踐。超大城市（城市群）氣象觀測體系建設主要包括城市邊界層觀測系統、城市參數觀測系統、大氣環境及高影響要素觀測系統和災害天氣觀測系統。

通過建立超大城市（城市群）邊界層觀測系統，為在這一地區進行地表特征參數和能量通量以及近地層的各個參數的衛星遙感參數化和數值模擬提供事實依據，并提供檢驗衛星遙感參數化和數值模擬結果的真值。表1列出了該系統的主要觀測內容。

表1　超大城市（城市群）邊界層觀測系統的主要觀測內容Table 1 The major elements for boundary measurements in mega-city/city-cluster

通過建立超大城市（城市群）參數觀測系統，將城市物理過程（包括土壤—植被—大氣之間水、熱、輻射交換，植物、土壤所表征的系統物理特征的變化）和城市水汽循環（降水、蒸發、滲透、徑流等）之間的協調變化定量關系，以及城市下墊面—天氣相互作用作為研究的內容。當前的城市影響研究也正在倡導這個方面［2-3］。表2列出了該系統的主要觀測內容。

表2　超大城市（城市群）參數觀測系統的主要觀測內容Table 2 The major parameters for the measurements in mega-city/city-cluster

通過建立超大城市（城市群）大氣環境及高影響要素觀測系統，實現大氣環境污染過程、污染物特征變化趨勢解析，有效識別霧霾等級、研究大氣污染形成、表現特征以及變化趨勢，明確污染原因，依據有效數據發布區域污染預報預警；掌握區域大氣污染物基本規律和特征，大氣污染物時空演變監測結果，量化特定地區污染物排放總量，了解、分析污染輸送過程，確定大氣污染物局地和區域輸送來源；實現對大氣環境污染源探索，通過對顆粒物以及大氣成分物理、化學特征分析，解析顆粒物主要成分，確定區域內排放源強，科學回答“三個說不清”（污染來源說不清、污染成分說不清、形成機理說不清）。

與此同時，要針對各種高影響天氣氣候對城市安全運行、城市人居及健康、城市交通及城市人口出行等影響的高關聯度要素組織觀測與數據獲取，開展城市影響要素觀測系統的規劃、設計與建設，實現多專業融合、多關鍵影響要素匯集的城市高影響要素觀測系統的業務運行。超大城市（城市群）高影響要素觀測系統可以包括開展對城市不同下墊面熱傳導及對人健康影響、氣溶膠（如花粉等）對特殊人群的影響、大氣對城市生態的影響、暴雨對城市積澇的影響、風對高層建筑及其人居的影響，高影響天氣對交通的影響等的觀測等等。不同城市可能的影響要素不盡相同，但是其基本的影響特征卻是大致相同的，這為設計和規范城市高影響要素觀測系統提供了基礎。表3列出了該系統的主要觀測內容。

表3　超大城市（城市群）大氣環境及高影響要素觀測系統的主要觀測內容Table 3 The major environmental and high relevant atmospheric elements for the measurement system in mega-city/city-cluster

通過建立災害天氣觀測系統，把改進預報作為大氣觀測的主要目的之一。觀測的改進為預報的改進提供了基礎條件，但是觀測的改進并不一定帶來預報的明顯改進，觀測對預報的貢獻依賴于觀測的要素、位置、時間、天氣形勢等多方面的因素。因此，要由觀測決定預報轉到由預報指引觀測的理念，推進觀測與預報的互動。國際上開展的THORPEX計劃就是通過目標/適應性（targeting/adaptive）加密觀測試驗，確定觀測對于數值預報的敏感區，進而有目的地改進觀測系統。同時利用探測手段去真實地了解強對流系統內部的三維結構和與云微物理過程有關的氣象參數，包括用兩部或三部多普勒雷達建立同步觀測網，其同步觀測區可覆蓋整個城市區域，獲取高時空分辨的三維流場資料，對城區外實施單多普勒雷達對移近的災害天氣系統的有效監測。同時，在城區內和近郊布設空間間隔僅8～12km的多部GPS接收站，利用層析分析獲取水汽垂直廓線。有條件的再布設1～2部風廓線儀，形成有效的邊界層風場與其他氣象要素的觀測。再加上常規氣象觀測網，將基本滿足對大城市災害天氣監測的需求。表4列出了該系統的主要觀測內容。

表4　災害天氣觀測系統的主要觀測內容Table 4 The major measurements on severe weather monitoring in mega-city/city-cluster

1.2超大城市（城市群）氣象觀測的需求

由于城市冠層的存在，地氣之間的交換過程變得非常復雜。熱量交換首先在冠層內的壁面（地面、墻面和屋頂）與空氣之間交換，然后再在冠層與粗糙子層之間交換。盡管在數值模擬研究中已發展出多種城市冠層模式，并可以模擬出熱島特征，但模式中的建筑物形態學模型是簡單的理想模型，與城市的實際形態學特征之間有很大差異。由于已有的觀測研究都是單點觀測，不能代表一定范圍內的平均狀況，因此在有關參數的選取上存在很大的不確定性。同時，城市交通、空調系統等排放的人為熱直接影響地表溫度和近地層氣溫，城市人為熱排放清單的建立及其在數值模擬中的合理引入是建立超大城市（城市群）氣象觀測網的一項重要的基礎性工作。

城市冠層的復雜結構形成的特殊流場（孤立粗糙流、尾流繞流和爬越流）使得冠層與邊界層的交換過程異常復雜。如何對該交換過程進行參數化描述是正確模擬城市地氣耦合的難點和關鍵問題之一。城市下墊面的動力學和熱力學特性都與自然下墊面存在顯著差異，必然影響到城市邊界層的整層結構特征。此外，城市邊界層頂部夾卷過程的觀測研究亦非常重要，它涉及邊界層大氣與自由大氣之間的相互作用。

城市建筑物和不透水路面取代了自然的植被和土壤，減少了蒸發，大大加快了地表徑流，改變了土壤下滲。這些城市地區特有的陸面水文過程在陸面模式和城市冠層模式中均還沒有較好的描述。城市下墊面通過動力、熱力、水文、氣溶膠和云物理等過程對降水產生影響，已經開展的研究工作主要針對其中的一個或幾個物理過程，并且存在很大的不確定性。這也是超大城市（城市群）氣象觀測網需要關注的一個重點。

同時應該看到，由于城市復雜的中小尺度地形環境，且引發暴雨的中尺度對流系統存在著多種組織類型。不同復雜地形環境下，不同組織類型的暴雨中尺度對流系統啟動、組織、發展、維持和消亡的主要物理機制是什么，它們之間存在著何種差異并不清楚，因而相對于大尺度天氣過程引發的降水，對城市暴雨的預報成功率還不是很高 。這說明與影響城市的特大自然災害的科學預測還有不少距離，其主要原因是目前的災害預報是在對災害孕育、發展、發生規律尚不清楚的情況下進行的，這從根本上阻礙了災害性天氣預測預報水平的提高。災害天氣數值預報模式是災害天氣預測預報和機理研究中的重要工具，為了使模式取得最好的預報效果，需要有大氣、陸面、動力、植被、與大氣有相互作用的海洋系統以及大氣化學等諸多過程當前的實際觀測狀況。同時，從數值天氣預報的輸出結果中獲取客觀信息需要觀測和預測結果之間的比較，這就需要觀測和數值模擬一并考慮。但是，目前的超大城市（城市群）觀測系統還沒有充分考慮到數值天氣預報模式的發展，獲得滿足利用數值天氣預報模式進行災害性天氣預報預測所需要的各種初始觀測資料以及與模式結果比對的觀測資料。另一方面，目前的超大城市（城市群）氣象觀測系統還沒有充分考慮到數值天氣預報模式中不同圈層相互作用過程的描述對觀測資料的需求，無法很好地為模式中參數化方案的建立和發展以及模式本身的發展和評估提供觀測依據。

另外，社會需求對城市天氣預報提出了更高可信度的要求，而模式評估是模式發展中的一個重要環節，大量觀測資料的使用為模式評估提供了有力支撐。在城市氣象模式評估中垂直廓線資料尤為重要，它可以為評價模式對城市邊界層高度及垂直結構的模擬能力提供依據。目前還沒有一個能夠對城市氣象模式預測能力進行系統、客觀檢驗的觀測系統。超大城市（城市群）觀測資料要用于支持對未來天氣的預估，必須要考慮到人類活動對天氣的影響以及未來氣候對人類的影響［5］。超大城市（城市群）大氣觀測系統必須超越大氣觀測本身，還應包含加工和支持系統，以便產生可靠和有用的產品［6］。現有的地面觀測站網盡管提供了非常寶貴的資料，但還要確定這些站點的空間代表性，以便更好地用于模式評估。城市小區域尺度氣象模式或計算流體力學模式，通過與中尺度模式相耦合，可以顯式分辨出城市下墊面的空間非均勻性對站點觀測的影響，為解決城市地區站點觀測的代表性問題提供了一個有效的解決途徑。

針對災害性天氣、城市邊界層、氣候生態系統等問題的研究，對觀測項目提出了更高要求，需要更高的精度和合理分布，也需要新一代的觀測儀器代替目前的常規觀測儀器來完成。觀測的項目也更加廣泛，其中包含生態、陸面、大氣與陸面、水文、大氣成分及其化學物質等，必須通過科學設計、優化布局，從地點分布、設備技術、內容要素等方面，增強和改善城市及周邊地區大氣綜合觀測體系。

應該注意到，在當前的超大城市（城市群）運行過程中，僅有天氣預報是不夠的，人們要求更多的信息以確保他們的財產和人身安全，但在超大城市（城市群）觀測項目中缺乏水文氣象災害的影響和后果的相關信息。為了讓政府、經濟部門和公眾采取適當的行動，需要知道水文氣象學的多種危險會如何影響他們的生活、生計、財產和經濟。因此，加強和改善城市水文氣象相關的風險信息調查和收集是降低不利影響的前提。例如，預測降水在高峰時段對道路交通的可能影響，或者由于強風關閉機場對乘客的影響，可以通過使用脆弱性和暴露的數據集以及氣象信息開發一個客觀影響模型。理解和預測城市水文氣象災害風險影響一般超出了氣象學家和水文學家的職責，需要與多種相關專業結合。有效的風險預警需要結合其他必要的專業知識、資源和經驗（如人口數據、人群分類技術、地理信息系統、互操作性、第三方數據集成和使用）提供服務。從服務用戶的角度來看，收集的數據要包括超大城市（城市群）中最容易受到災難影響的信息。

2　城市綜合氣象觀測的進展和前景

2.1國內外城市綜合氣象觀測的進展和經驗

隨著城市化帶來的生產、生活活動的集中化，氣象災害和大氣環境污染造成的影響更為集中且加重。同時，城市化也通過這一特殊的下墊面改變的進程對大氣結構和物理過程造成了明顯的影響。一方面，超大城市（城市群）高層建筑的增多導致冠層、粗糙度和邊界層大氣結構產生變化。研究表明：城市區域的大氣具有“熱島”、“干島”、“空氣穹窿”等特殊結構，這些結構導致了城市區域的天氣顯著異常，進而引起了局地氣候的顯著變化［7-8］。另一方面，城市化使得城市區域天氣預報更為復雜，而城市居民對天氣預報精度亦有更高的要求。氣象觀測是氣象預報預警研究的基礎，其目的是要為氣象預報預測、氣象服務和氣象科學研究提供高質量、可靠的觀測數據［9］。目前，城市氣象觀測與業務應用需求之間仍然存在較大的差距。針對城市的觀測研究主要集中在邊界層以內，北美自2000年開始這方面的研究，在歐洲則更是近幾年內才開始實施的。近年來，國際上進行的城市綜合觀測實驗主要有法國馬賽城市邊界層試驗（UBLCLU/ESCOMPTE）、希臘雅典污染物傳輸與化學轉化試驗（MED CAPHOT-TRACE）、歐洲科技合作研究計劃（COST71）、美國鹽湖城的城市2000試驗（URAN 2000）、美國鳳凰城的試驗亞利桑那中部-鳳凰城長期生態研究計劃（CAPLTER）、美國俄克拉何馬城的城市2003聯合試驗（Joint Urban 2003）、英國伯明翰的城市大氣中的污染物試驗（PUMA）、瑞典巴塞爾的城市邊界層氣象項目（BUBBLE）、日本的城市氣候綜合室外模型試驗（COSMO）、墨西哥的大城市對區域及全球環境的影響研究計劃（MIRAGE）等。這些觀測試驗涉及城市地表參數的獲取（反照率、粗糙度、濕參數）、地表能量平衡、城市邊界層結構、城市熱島效應、城市環流與中尺度局地環流相互作用、城市對降水的影響和城市空氣污染等內容。世界氣象組織也在全球組織開展了一系列城市氣象和環境研究（GURME）項目，主要針對空氣質量及其相關內容的氣象觀測，這些項目包括北京大氣環境污染控制機制研究項目、莫斯科超大城市可持續發展氣象服務、用被動采樣儀進行空氣質量觀測（NOAA）、拉丁美洲城市空氣質量預報的改進以及上海城市氣象和環境研究示范等。

中國專門針對城市邊界層而進行的觀測試驗研究中較全面的試驗是2001—2003年在北京開展的北京空氣污染觀測試驗（BECAPEX），這是針對大氣邊界層動力、熱力和化學開展的綜合觀測試驗。該試驗獲取了北京城市大氣動力和大氣化學三維結構特征。另外，2004 年開展的北京城市邊界層觀測試驗（BUBLEX），2005和2006年開展的南京市城市邊界層觀測，國家科技部“973”項目“中國東部大規模城市化的氣候效應及對策研究”在中國東部長三角城市群區，針對地表物理特性、陸面過程、城市冠層和大氣邊界層、大氣污染物及其輻射特性等，設計和開展了多過程的協同強化觀測試驗。“十二五”國家科技支撐重點計劃“京津冀城市群高影響天氣預報中的關鍵技術研究”圍繞京津冀城市（群）局地環流及其對城市高影響天氣過程影響開展綜合觀測科學試驗，重點對城市（群）山谷風環流、熱島環流和海陸風環流及邊界層結構進行觀測。這些試驗主要針對城市邊界層結構、城市空氣質量、城市化的氣候效應和城市化的天氣效應等開展研究并取得不同程度的進展。通過這些大型項目的實施，逐步形成了“城市冠層—粗糙子層—慣性子層”的城市近地層垂直結構認識，對其中物質、能量的分布和交換規律的研究，為數學模型和數值模式的建立及其業務應用奠定了基礎。國內的城市氣象觀測研究增強了對中國城市氣象個性化問題的認識（如城市與地形相互作用對強對流天氣的影響），為超大城市（城市群）氣象觀測網建設和城市氣象精細預報提供了科學基礎。與此同時，許多省市氣象部門根據服務需要組織開展了觀測適應性試驗和高影響要素觀測，極大地豐富了觀測業務，增強了服務的針對性，受到地方政府和社會的廣泛好評。

綜合起來，國內外關于城市下墊面不同尺度的觀測研究主要集中在以下方面：l）城市五島效應對天氣過程的影響。近年來，人們逐漸發現城市化引起的干島、濕島、混濁島和雨島等現象，與城市熱島一起，形成了所謂的城市五島效應，它們在很大程度上是互相關聯的并且與變化的天氣條件相互作用，日益明顯地影響著城市的天氣和環境條件；2）城市化對城市大氣邊界層風場的影響。城市密集高聳的建筑結構特征和大量的人為活動，會對邊界層大氣動力場產生影響，從而影響大氣邊界層的風向和風速變化；3）城市化對降水的影響；4）城市化進程對強對流天氣發生發展的影響；5）城市對氣候觀測的影響以及歷史氣候數據在城市氣候服務中的應用問題。

在觀測的時間和頻率上應該遵循國際通用的標準［10-14］。需要關注的水平觀測尺度有3個等級［15］，如圖1所示。

圖1　城市觀測多尺度概念圖Fig. 1 The conceptal map on multi-scale urban measurement

1）微尺度：每種下墊面及其上的物體都有其自己的微氣候特征和周邊環境，相距不遠的陸面和空氣溫度有時會相差幾度，而很小的物體也會造成空氣的擾動。典型的城市微氣候尺度從厘米跨越到幾百米，與每個個體的尺度都有關系，包括建筑、樹木、道路、街道、院落、花園等等。

2）局地尺度：這是標準氣候站的設計觀測尺度，重點關注大地形特征帶來的周邊環境的平均信息，如地表覆蓋、建筑物的尺度和間隔、人為活動的影響等。典型的尺度跨距從1km到幾千千米。

3）中尺度：典型的尺度跨距從幾十千米到上萬千米。需要多站的信息融合分析。

在需要關注的垂直觀測尺度方面，由于城市不同于農村和海洋等較為平坦的下墊面，其動力、熱量和濕度的垂直交換不僅僅由單一地面特征決定，而是一定厚度層的綜合貢獻，該層稱為城市冠層（UCL），其高度約為主要建筑物和樹木的平均高度。在其上仍有混合發生，觀測和理論研究表明，這種混合的頂高在高密度建筑物地區是城市冠層的1.5倍，而在低密度建筑物地區是城市冠層的4倍［16-17］。位于其下的儀器設備能夠觀測到微氣候特征，而架設在這種混合頂高以上的設備能夠獲得代表局地尺度的空間平均特征信息。同樣，有地形粗糙度引起的內邊界層也要在觀測時考慮進去。總的來講，垂直方向覆蓋了整個對流層。

2.2城市綜合氣象觀測的發展趨勢

從國內外相關研究進展可以看到城市氣象觀測研究與應用實踐呈現出五個發展趨勢：觀測從描述城市大氣基本狀態到更多關注地氣之間的能量和物質交換；研究尺度上強調對不同尺度進行觀測和研究；新科技推動了對城市地氣相互作用的觀測，新的傳感器、新技術和新方法被大量采用；觀測上更多地采用業務觀測和科研觀測相結合的方式，力爭獲取較長時間的觀測資料；應用上，城市基礎設施與城市生態、人類活動的高影響要素觀測及其相關大數據的獲取越來越成為未來城市觀測、數據應用系統設計與業務的導向［18］。

隨著觀測手段的發展和科技水平的進步，城市氣象觀測的發展趨勢也由人工觀測轉向自動化遙測遙感，從定性觀測到定量觀測，從單一的大氣觀測到地氣及其相互作用的綜合觀測；綜合利用多種手段、多種技術，實現高精度、高時空分辨率、連續、自動、一體化定量觀測。為了滿足城市精細化氣象服務的需求，探測設備空間網格更密，垂直層次更多更高，資料時間密度更高，大數據特征更加顯著。在觀測方式上，呈現出以下幾個轉變，即從大尺度的天氣觀測向中小尺度天氣觀測發展的轉變，從二維觀測向三維立體觀測發展的轉變，從離散數據分時獲取向多光譜連續掃描獲取發展的轉變，從固定觀測向固定與移動觀測及連續移動掃描并重方向轉變，從分學科專業的觀測向多專業學科的綜合觀測方向轉變，從單純追求把握大氣及其與城市邊界層相互作用特征向把握這一特征對城市人群及城市經濟社會發展影響并重的方向轉變，從觀測業務的自我包攬一條龍形式向更加開放各種社會資源兼收并蓄的數據獲取方式轉變。

3　超大城市（城市群）氣象綜合觀測網設計

鑒于城市結構的復雜性和災害的多樣性，針對超大城市（城市群）的災害相關觀測系統應該既是嚴謹的專業化系統，又是開放的系統，可以有多模塊化觀測和層面觀測的加入。因此，超大城市（城市群）觀測網的設計思路應該分基本層面的觀測和多拓展層面的觀測。

3.1基本層面的觀測

基本層面的觀測包括所有的超大城市（城市群）氣象觀測體系，同時為了發揮超大城市（城市群）觀測系統的最大潛力，必須仔細考慮觀測所需的設備和整個觀測系統，包括設備類型、位置和技術參數等。另外，不同觀測設備的相互配合相比單一設備的觀測可以發揮更大的作用。因此需要合理安排觀測設備的類型、數量以及安放位置。同時所有觀測系統的元數據（描述數據的數據）也非常重要，尤其對于設備升級和觀測環境改變等情況。超大城市（城市群）觀測網絡設計時首先要對觀測目標和觀測目的有一個清晰的理解，因為這對于研究和業務中如何使用這些觀測數據十分重要，所以需要一個方法去客觀評價觀測系統設計的合理性。系統設計應該包含三個方面：應用、觀測和模擬。在現代城市中最重要的觀測目標是大氣化學和高影響天氣。按照這個目標，最重要的變量包括：地表通量、大氣熱動力特征、全相態水成物、空氣質量參數（氣溶膠光學和微物理屬性）。對于城市復雜的下墊面條件，對這些變量的觀測需要獲得其三維分布信息。垂直尺度從地面到低對流層，時間分辨率達到小時級甚至分鐘級。

在觀測網絡的設計時還應利用已有的觀測或模式結果充分考慮超大城市（城市群）的當前天氣和氣候統計特征，進而明確對于超大城市（城市群）重要的上游區域和敏感點。根據這些信息確定觀測網絡的疏密程度和覆蓋范圍以及不同設備之間的搭配方式。通過影響研究或觀測系統模擬試驗（OSSEs）分析不同設計方案（密度、覆蓋范圍、設備類型）對預報的提升作用。結合幾類有代表性的超大城市（城市群）高影響天氣事件，如臺風和暴雨，確定所關心預報對象的預報敏感區，通過一定數量的數值試驗，從模擬觀測和實際觀測兩條途徑來分析敏感目標區加強觀測對高影響天氣預報的可能影響。適應性觀測結果可能因季節、地域、天氣系統時空尺度以及數值預報系統的差異而不同。評估不同適應性觀測方法對城市高影響天氣數值預報的適用范圍，為建設超大城市（城市群）交互式觀測預報系統提供合理的可行性分析。

觀測網絡的設計需要考慮土壤和地表的原位傳感器和遙感系統的配合。地面網絡應達到一定密度以滿足一些氣象參數的網格化需求，如溫度和降水。同時也需要在一些點增加土壤濕度、地表通量和輻射的測量，目的是獲得氣溶膠和城市大氣物理因子的相互影響。針對超大城市（城市群）中不同服務目的，應考慮不同環境下的觀測，如溫度的觀測應有嚴格按照標準的觀測（百葉箱），也應有樹蔭下、建筑遮擋處、完全暴露在不同下墊面上的觀測等。交通安全在超大城市（城市群）氣象保障中具有非常重要的作用，對不同路面（柏油、水泥、土路和砂石路等）摩擦系數的觀測是保證交通安全的必要手段。對于降水的觀測，除了常規氣象站觀測外，還應針對城市安全運行需求在不同代表性的區域放置測雨裝置，甚至在關鍵節點（排澇泵、高架下匝道、地下通道等低洼處）放置積水深度觀測設備。對于風的觀測，一方面要獲得不同高度的風，手段包括風廓線儀的遙感和超大城市（城市群）中不同高度建筑物頂部的測風，另一方面要關注街區尺度的風的變化，這是因為城市建筑林立，空氣流動會形成“狹管效應”，在建筑之間有可能存在急流、強風等影響城市安全的現象。對于城市街區尺度的觀測設計，應在城市的建筑之間以及建筑頂部布置溫濕觀測設備，同時考慮盛行風向的影響應建設順風成線觀測陣列。同時在沿海的大城市更應該關注臺風對城市的影響觀測，涉及的觀測內容主要包括風和降水等參數。

由于城市環境下復雜的小尺度特征（建筑物、建筑稠密度和形狀、植被類型），足跡的測量與氣象條件密切相關。不同變量的足跡也是不同的，考慮能量閉合時需要明確這些足跡是否重疊以及如何重疊。圖2給出了傳感器觀測輻射源和湍流通量源影響足跡的概念示意圖。利用渦度相關儀和輻射觀測設備測量人為熱通量，同時考慮模式驗證和改進的需求做通量升尺度測量，進行城市冠層參數化測試，利用衛星和地面觀測數據獲取地面溫度場信息。

圖2　傳感器觀測輻射源和湍流通量源影響足跡的概念示意圖Fig. 2 Conceptual map of sensor measurement on the impact foot-print of the radiation source and turbulent flux source

近年來，很多主被動的遙感技術已經在城市觀測中得到了應用。像微波輻射計（MWRs） 和傅里葉傳輸紅外光譜儀（FTIR） 這些被動遙感設備可以獲得溫濕廓線，但這些技術的最大缺陷是對初值的依賴進而造成結果的不唯一性。另外由于遙感反演的獨立信息受到輻射傳輸方程核函數寬度的限制，微波輻射計在大氣邊界層范圍內只能獲得4層水汽，而傅里葉傳輸紅外光譜儀僅能有6～8層水汽反演結果［19］。這種技術無法獲得城市邊界層的細微結構。另一種被動遙感技術全球定位系統（GPS）接收信號中的相位延遲和彎曲角數據中也包含了水汽信息，更多的接收器可保證天頂總延遲（ZTD）或大氣可降水量（IWV）以及傾斜延遲（STDs）的測量精度，其中傾斜延遲包含更豐富的低層水汽場信息，使用層析技術也可以獲得三維水汽場，也可以直接同化在數值預報中，但傾斜延遲信息的同化效果還需進一步研究。在GPS 建站的時候，應考慮周圍的凈空情況和電磁環境，以確保不受高樓遮擋。在城市中心，一般選擇在樓頂，而樓層的高度會有限制。樓頂的GPS基座在大樓建設時就會考慮，會將基座和大樓整體澆筑在一起，如果是在已有的樓頂建設，也要構筑一個2m左右高度的基座，和樓頂澆筑在一起，以確保穩定性。

光學和微波主動遙感技術可以達到對城市邊界層細微觀測的目的。激光雷達具有很高的時空分辨率，多普勒激光雷達能夠獲得大氣動力變量，拉曼雷達和差分吸收雷達可以獲得溫濕廓線信息和部分大氣痕量氣體的信息，微脈沖激光雷達還能夠獲得城市氣溶膠的光學屬性，結合最新的掃描動力系統可以獲得這些參數的三維分布，同時時間分辨率可達到小時級甚至分鐘級。其反演技術可以獲得更高精度的結果。

微波波段的雷達可以獲得云和降雨的微物理信息，在定量降水估計（QPE）和預報（QPF）中發揮了重要的作用，而雙偏振雷達能夠獲得包括云或降水滴譜分布在內的更多信息。在極端天氣預警和降水機制研究中由于其高精度和高時空分辨率，能夠發揮更大作用。常規雷達對大中尺度天氣系統（例如3km以上的颮線）的觀測表現很好，但它的時空分辨率有限，另外對低空的觀測能力也不足，而這些要素正是超大城市（城市群）觀測的最大需求。小型雷達組網可以彌補這個缺陷，X波段和C波段組網觀測可以獲得高時空分辨率的降水信息，配合激光雷達觀測可以對超大城市（城市群）高影響的降水和大風天氣起到監測和預警作用。與傳統雷達相比，這種觀測十分有利于小尺度極端天氣的探測，可以提供更精確的定量降水估計和短期定量降水預報。在雷達網的設計中應考慮多用戶以及多應用需要，如降水預報、數值同化、大型活動服務及災害天氣臨近預報。因此與該雷達網相配合的觀測還應包括閃電定位測量和衛星以及布點觀測。風廓線儀可以獲得對流層內高時空分辨率的風和反射率廓線，但數據質量受降水的影響較大。多種雷達相互配合在超大城市（城市群）觀測中能夠發揮更大作用。目前多家天氣預報中心（如德國氣象局和瑞士氣象局）已經在業務中使用了垂直指向的雷達系統。

不同天氣條件下需要不同的大氣垂直信息。對于已有的或鄰近的降雨事件，常規雷達發揮了重要作用，但對正在發展的天氣系統，能夠獲取高時空分辨率風、溫、濕廓線和大氣穩定度等熱動力信息的激光雷達更有效。這兩種設備的相互補充可以獲得更多的信息。因此首先要確保觀測、分析、模擬和應用之間相互匹配。

在超大城市（城市群）中還應考慮建立幾個測試基地和對應不同目標的大氣環境監測站，包括背景站、城市尺度站和街區尺度站。為保障地區大氣污染、重污染天氣預警預報和精細化預報的正常開展，以及中小尺度監測、臨近預報、災害預警分析、發布、檢驗和模式預報等提供重要支撐。采用多種手段測量城市邊界層高度，如激光雷達、云高儀、聲雷達和風廓線儀，測試不同遙感手段（光學和微波）的特性和配合觀測效果。建立一個激光雷達網并在幾個關鍵位置增加掃描功能，能夠獲得氣溶膠光學屬性以及溫濕分布。由于初始條件對于模式預報的結果具有重要影響，因此觀測的三維氣象參數對于提高初始場精度很關鍵。進行氣溶膠吸濕性和不同尺度粒子吸濕增長因子的測量，這在霾天氣預報中非常重要。多種地面氣溶膠測量設備應和常規觀測協同觀測。在塔上分層次安裝輻射測量設備獲得氣溶膠和其他城市大氣因子對輻射的影響。在超大城市（城市群）的敏感地區應建立超級站，站內包含地面觀測和遙感的協同觀測，另外要有移動觀測，以滿足突發事件需求，如危險品泄露、火災和化工廠爆炸等。在超大城市（城市群）中尺度觀測網框架中，還要考慮超大城市（城市群）對氣候觀測的影響以及歷史氣候數據在超大城市（城市群）氣候服務中的應用問題。鑒于人類對氣候系統認識的深化和對氣候變化問題強烈的關注，應參照全球氣候觀測系統（GCOS），采取地基觀測與空基觀測、直接測量與遙感相結合的方法探測整個氣候系統。表5列出以上基本觀測所涉及的儀器設備的一些功能參數。

表5　基本觀測儀器設備的功能參數Table 5 The functional parameters of the instruments for basic measurements

3.2多拓展層面的觀測

多拓展層面的觀測在超大城市（城市群）氣象觀測體系中更多偏重城市參數觀測系統和高影響要素觀測系統。超大城市（城市群）綜合氣象觀測網所涉及的影響預報和風險預警的一個關鍵要素是暴露度數據。暴露度指的是領域內可能發生危險事件時可能會受到影響的對象。如果人口和經濟資源沒有處于（暴露）潛在危險的范圍內，就不存在災害風險。暴露是決定風險的必要因素，但不是充分因素。暴露是與時間（t）和空間（x）相關的。影響預報和風險預警的一個關鍵要素是脆弱性，它是指暴露的敏感性元素，比如人類，他們的生命和財產遭受不利影響時影響的風險。脆弱性與素質、敏感、脆弱、弱點、不足或缺乏能力等易于遭受不利影響的因素有關。脆弱性是隨情況而變的，與危害交互產生的風險。因此脆弱性也可能依賴于時間和空間。脆弱性評估可以提供理想的基礎設施脆弱性數據來源。風險數據是根據暴露風險和脆弱性對人類，生命和資產造成的危害的概率和大小。風險的大小可以通過減少暴露度和脆弱性而降低。然而，氣象學家通常不會了解脆弱性、暴露度和突發災害管理。因此，必須有政府、國際組織、科研機構和當地社區的合作和支持才能做出有效的風險評估，提高監測、預警和應對災害的能力。需要與城市安全有直接責任的組織建立關鍵合作伙伴關系。他們可以幫助評估暴露度、潛在影響和應急措施。風險預警的標準是基于特定天氣條件、風險評估、地理信息和社會經濟數據等多種因素制訂的，包括風險信息、暴露度和脆弱性信息，同時也需要一種手段來監控和應對不斷變化的情況，以確保信息的更新。同時觀測方案可能也需要不斷調整，以便把更新的數據應用到預測系統中。

應該看到，隨著氣象服務社會化進展，僅靠氣象部門的數據很難滿足各行各業及公眾對氣象服務的需求。在大數據時代，遍布城市的工業設備、汽車、電表上有著無數的數碼傳感器，隨時測量和傳遞著有關位置、溫度、濕度乃至空氣中化學物質的變化。這些信息都可以用于超大城市（城市群）氣象觀測和服務。氣象數據要和行業數據、地理信息數據結合起來才更能發揮作用。例如，預報降雨對大壩的影響，就必須了解當地地形、周邊設施、上下游情況等。如今，簡單的晴雨氣溫預報早已無法滿足社會的需要。針對不同領域、不同行業、不同群體，氣象部門要制作相應的氣象產品，例如提供給政府的決策氣象服務，水利、電力、交通、農業等部門對氣象也各有需求，各類企業對氣象信息的需求也不一樣，有的關注降水，有的關注氣溫，有的關注災害，有的關注風速風向，而且在不同時間、不同地域，各行各業對氣象的需求也不一樣。氣象產品越來越龐雜，內容越來越豐富，也構成了氣象大數據中的一部分。針對能源方面，可以通過分析電力負荷歷史，加上氣象數據進行用電量估算；在農業領域，可以通過某一地的農耕歷史加上氣候信息就可以進行農作物結構調整指導；對于交通運輸，航班準點率歷史加上機場歷史天氣特征，就可以得到航班延誤預測；結合公共衛生，通過門診量和藥品銷量加上氣象歷史就可以推測發病率趨勢。一般公眾對天氣預報的需求也不限于是否下雨、溫度如何升降了，他們渴望更精細、更準確、更長時效的預報，甚至需要氣象部門直接指導他們的生活。需要突破數據不能充分共享以及共享渠道阻塞成為大數據時代下不可忽視的難題。事實上，氣象信息、高精度的地理信息是受到法律保護的具有較高機密級別的信息。除此之外，各行各業都握有大量的行業數據，但這些數據往往局限在部門內部，很難流通。在實現氣象大數據的過程中，“數據壁壘”是一個實實在在的障礙。氣象觀測數據在進行融合處理后會進入信息數據庫，使用者可以根據自身的安全等級獲得相應安全等級的數據，進行延伸使用。如何令有關管理部門和責任人確信這些數據是安全的，是打通數據孤島的必要科學性問題。需要建立雙方及多方的信息基礎環境進行數據融合，對各個行業的數據都需要融合深度分析。真正做到數據共享，才能更大地實現氣象大數據的價值，從而更大程度減輕災害損失，為社會創造更多的財富。

3.3超大城市（城市群）觀測網服務應用

城市是人口、經濟要素和社會活動高度密集的載體。大氣與城市人群、城市生態、城市經濟的相互作用必然會影響到城市的經濟效益和社會發展。為促進氣象信息服務市場發展，滿足日益增長的社會需求，在對現行氣象資料共享管理政策、氣象資料提供使用情況梳理的基礎上，需要制訂超大城市（城市群）氣象資料和產品開放共享政策。需要解決的問題包括在資料開放是否應征求軍隊和安全部門意見、是否應分批逐步開放、涉外開放策略、用戶分類管理、對氣象服務業務影響及資料服務能力建設等方面。通過制訂超大城市（城市群）基本氣象資料和產品面向社會開放目錄和使用政策，完善基本氣象資料和產品開放共享平臺，促進氣象信息資源共享和高效應用。超大城市（城市群）氣象綜合觀測網應考慮建設面向全社會的氣象服務大數據平臺，提高全社會氣象服務信息利用能力和水平。建立氣象觀測資料獲取、存儲、使用監管制度，維護氣象數據安全。制訂氣象信息資源產權保護和激勵政策，加強氣象信息資源產權保護。

為了充分發揮超大城市（城市群）綜合觀測的作用和效益，應積極引導氣象信息服務和氣象科普等氣象服務消費，形成不同層面、不同群體的城市氣象服務市場消費主體。利用市場機制，改進氣象服務供給方式。推行政府購買、附加商業價值開發等氣象服務供給方式，實現氣象服務供給主體和供給方式多元化。推動將公共氣象服務納入各級政府向社會力量購買公共服務的指導性目錄，制訂政府購買公共氣象服務管理辦法，開展政府購買公共氣象服務。制訂鼓勵和支持社會資本參與公共氣象服務提供以及公共氣象服務設施建設和運營管理的相關政策，探索建立公共氣象服務設施社會化運營管理機制。探索超大城市（城市群）氣象服務產業示范園或示范基地建設，鼓勵和引導各類市場主體參與氣象服務產品市場和氣象服務技術、資本、人才、信息、產權、版權等要素市場競爭。建立氣象服務產業發展情況統計和信息發布制度。

以世界氣象組織服務提供戰略實施計劃為指導框架，對接國際社會氣象和水文部門（NMHS）的氣象服務標準，建立以用戶為導向，涵蓋監測、預報、需求獲取、產品研發、產品制作、服務提供、服務反饋、服務改進等服務環節的氣象服務標準體系。通過建立符合ISO9000系列標準的質量管理體系（QMS）來驅動服務改進，促進氣象服務企業更好地為用戶提供國際化、高標準的天氣、氣候相關服務。加強公眾氣象服務、專業氣象服務、氣象工程服務等的標準體系建設，形成以標準引領市場、以標準管理市場的制度體系。

4　結論

超大城市（城市群）氣象觀測網的設計和應用是一個復雜而宏大的工程，應從科學的基礎性、技術的可用性和服務的導向性等方面綜合考慮，在設計之初應有比較全面系統的安排，同時在后續的應用過程中還應該根據新的情況和需求不斷補充和完善。

本文從超大城市（城市群）觀測的需求、布局的科學性、新設備的應用、大數據背景下的數據應用和服務等方面給出了超大城市（城市群）綜合觀測網的建設思路。為了全面了解超大城市復雜的下墊面及其對邊界層和中小尺度天氣系統的影響，提出了超大城市（城市群）氣象觀測網需要包括城市邊界層觀測系統、城市參數觀測系統、大氣環境及高影響要素觀測系統和災害天氣觀測系統等四大系統。在具體觀測內容上，不僅要考慮到基本層面的觀測，即常規地氣系統信息的觀測，還要顧及以城市參數觀測系統和高影響要素觀測系統為代表的多拓展層面的觀測。尤其應該注意這些觀測數據的服務應用，以最大限度發揮出超大城市（城市群）綜合觀測的作用和效益。

按照中國今后的城市化進程，城市安全和智能化、個性化的氣象服務保障越來越迫切地擺在眼前，建立一個以氣象為核心的科學、全面、智能的綜合觀測網是滿足城市發展和社會進步的有力支撐。

致謝：感謝上海市氣象局在這項工作中的協助支持和大力幫助。審稿人的意見非常有助于提高這篇文章的質量，在此一并致謝。

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The Design and Application of Meteorological Observation Network in Megacities

Tang Xu
（Weather and Disaster Risk Reduction Service Department， World Meteorological Organization， Geneva 1211）

Urbanization has exerted the signifcant impact on the weather and climate in the process of human activities to change the conditions of natural environment. The effect of meteorological disasters becomes much denser and more severe due to higher intensity of economic production and human habitation and activities in the mega-city areas. So that， It is urgently to build a science based and service driven observation network to support the seamless data processing， impact based forecasting and to serve further the safety of people's life and property in mega cities. This work discusses a conceptual design and possible application about building an integrated meteorological observation network in megacity based on the achievements of science and technology. It includes the application of variety of sensors， deployment for monitoring high impact and high relevant factors，the application for integration technology and the applications of ‘big data' and its associated data sourcing.

urban， measurement， application

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.04.001

2015年7月20日；

2016 年3月24日

作者：湯緒（1957—），Email: xtang@wmo.int

資助信息：上海市科學技術委員會科研計劃項目（16ZR1431700）