國家氣候觀象臺建設的發展歷程與幾點思考

■ 徐安倫 李建

從目前建設的24個觀象臺分布來看，青藏高原與天山冰川水文觀測區、敦煌沙漠陸面過程觀測區和海洋綜合觀測區3個關鍵區沒有建設觀象臺，這24個觀象臺組成的網絡仍不能完全覆蓋我國氣候系統關鍵觀測區。

氣候的形成是氣候系統5個圈層（大氣圈、水圈、巖石圈、冰凍圈和生物圈）相互作用的結果。要了解和認識氣候、氣候變化及其驅動因子，預測未來氣候變化，必須將氣候系統作為一個整體進行研究，而且首先應對氣候系統各圈層及其之間的相互作用和反饋過程進行綜合觀測，特別是能量收支、水循環和碳循環過程。1992年，世界氣象組織（WMO）、聯合國教科文組織（UNESCO）的政府間海洋學委員會（IOC）、國際科學聯盟理事會（ICSU）、聯合國環境規劃署（UNEP）共同發起并建立了全球氣候觀測系統（GCOS）。GCOS能夠很好地獲取氣候相關問題的陸地、海洋和大氣的綜合觀測信息并提供給用戶，在IPCC評估報告以及氣候相關研究和決策方面起到了重要的支撐作用。例如，GCOS發布的地球系統熱儲量評估報告指出，地球能量失衡不僅持續而且呈加速變化趨勢，2010—2018年地球系統失衡熱增量大約是1971—2018年的2倍。2002年，中國氣候大會審議通過《中國氣候觀測系統計劃》。2005年，GCOSCHINA組織專家完成《中國氣候觀測系統實施方案》，規劃了地基、空基、天基一體化的氣候系統綜合觀測網，完善和建立一個滿足氣候和氣候變化預測與服務需求的中國氣候觀測系統（CCOS），同時中國氣象局首次提出建設國家氣候觀象臺的目標。2006年，中國氣象局啟動國家氣候觀象臺的試點建設，并于2018年在全國推廣，建設10多年來取得了顯著成效，為國家和地區應對氣候變化、有效利用氣候資源、服務生態文明建設、服務經濟社會發展等都發揮著重要作用。本文主要對國家氣候觀象臺的發展脈絡進行了梳理，回顧了國家氣候觀象臺的發展歷程，以大理國家氣候觀象臺為例，系統總結了10多年的試點建設成果，并圍繞站網設計、觀測項目、資料應用、模式建立等方面提出了一些建議，為國家氣候觀象臺的高質量可持續發展提供支撐。

1 全國國家氣候觀象臺的發展歷程

1.1 試點站建設階段（2005—2017年）

2003—2004年，中國氣象局牽頭組織開展《中國氣象事業發展戰略研究》，指出了我國氣象事業發展還存在綜合觀測能力不能滿足實際需求、氣象業務技術體制不完善等問題，提出了21世紀頭20年要實現“建立一體化氣象觀測體系，構建氣候系統觀測平臺”等四個戰略目標，要開展“建設氣象綜合觀測與信息網絡系統工程”等八大重點項目。2005年，中國氣象局在制定業務技術體制改革氣象綜合觀測體系分方案時，首次提出了要構建國家氣候觀象臺、國家氣象觀測站、區域氣象觀測站（簡稱“三站”）以及形成國家氣候監測網、國家天氣觀測網、國家專業氣象觀測網、區域氣象觀測網（簡稱“四網”）的站網布局調整，要從單一的大氣圈層觀測向氣候系統各圈層及其相互作用的綜合觀測轉變，以滿足我國氣候系統模式發展、氣候預測預估、氣候與氣候變化應對等方面的需求。2006年，中國氣象局監測網絡司、中國氣象科學研究院聯合編制了《國家氣候觀象臺觀測系統功能設計》和《國家氣候觀象臺試點建設實施方案》，完成了國家氣候觀象臺建設實施的頂層設計。本著先試點、再逐步推開的原則，根據觀測目標、下墊面代表性以及基礎條件（如氣候代表性好、觀測資料歷史序列完整、觀測場地等基礎條件成熟），中國氣象局在不同氣候關鍵區選取了5個觀象臺（內蒙古錫林浩特、甘肅張掖、安徽壽縣、云南大理、廣東電白）作為試點站并啟動建設，為國家氣候觀象臺在全國布點、觀測項目確定、場地和儀器布局、基礎設施改造、觀測環境保護提供樣板和積累經驗。2008年，中國氣象局完成了5個試點觀象臺的中期評估。2011年，重點梳理和總結了錫林浩特和大理2個觀象臺在觀測項目、觀測規范、業務流程、規章制度、軟件系統、資料分析應用等方面取得的成果。2017年，中國氣象局出臺的《綜合氣象觀測業務發展規劃（2016—2020年）》文件中，明確提出了要大力推進國家氣候觀象臺建設的要求。

1.2 全國推廣建設階段（2018年至今）

2018年5月，中國氣象局印發《氣象觀測站分類及命名規則》文件中，將氣候觀象臺和大氣本底站作為一個獨立站類（綜合觀測站）命名，規定了氣候觀象臺是對氣候系統多圈層及其相互作用開展長期、連續、立體和綜合觀測，并承擔氣候系統資料分析及研究評估服務的地面氣象站。2018年11月，中國氣象局印發了《國家氣候觀象臺建設指導意見》（以下簡稱《指導意見》），從總體要求、功能定位、布局設計、申報遴選、觀測任務、組織管理、保障措施等方面對觀象臺建設進行了規范和指導，進一步加強了國家氣候觀象臺建設的統籌規劃和頂層設計。《指導意見》規劃了十三五期間要在各氣候系統關鍵觀測區至少完成1個氣候觀象臺遴選及相應能力建設，以及十四五期間要建成一批運行穩定、觀測項目齊全、規范標準統一、數據質量達標的國家氣候觀象臺的目標，提出了觀象臺一站（綜合觀測站）三平臺（科學研究、開放合作、人才培養平臺）的功能定位，明確了觀象臺主要承擔7項基本觀測任務（地面基準氣候觀測、高空觀測、近地面/海面通量觀測、基準輻射觀測、地基遙感廓線觀測、生態系統觀測、大氣成分觀測）和5項拓展觀測任務（冰川凍土積雪觀測、海洋觀測、生物圈觀測、水文觀測、氣候資源觀測）。2019年1月，中國氣象局組織專家評估和遴選，根據優先在我國氣候系統16個關鍵觀測區建設觀象臺的原則，在原來5個試點的基礎上增選了19個觀象臺（圖1），開始在全國范圍內推廣建設。24個觀象臺公布實施建設以來，中國氣象局進一步強化頂層設計，完善管理和運行體制機制，穩步推進觀象臺的基礎設施、研究型業務、氣候系統多圈層觀測能力等工作。觀象臺的功能定位逐步完善、更加準確，從2018年提出的“一站三平臺”調整為“一站四平臺”（增加了生態與氣候服務平臺功能）；運行管理更加科學、高效，建立了“國家級指導、省級管理、屬地保障、團隊運行”的前瞻性管理模式；建設目標更加明確、合理，成立了國家級和省級觀象臺科學指導委員會，并按照“一臺一方向”“一臺一方案”的發展思路，指導各地觀象臺凝練科學問題并編制印發2020—2025年建設發展方案。

圖1 中國氣象局24個國家氣候觀象臺分布①葉珊杉.探秘24個國家氣候觀象臺的誕生前后.中國氣象局,2019,https://mp.weixin.qq.com/s/lI1xut9fOUPFxScvNi9xTw。

2 大理國家氣候觀象臺的發展現狀

2.1 臺站歷史沿革

大理國家氣候觀象臺依托大理市氣象局而建。1939年成立中央氣象局大理測候所，其成立公函是著名地理學家、氣象學家竺可楨院士簽發（圖2a），1939年12月取得了首份地面觀測月報表（圖2b）。1950年成立大理氣象站。1954年體制劃歸地方管理，改稱大理縣人民政府氣象站。1984年體制改歸中國氣象局管理，更名為大理市氣象站。1990年更名為大理市氣象局。2006年成為中國氣象局首批5個試點觀象臺之一。2018和2019年先后成功申報中國氣象局大理山地氣象野外科學試驗基地、大理國家綜合氣象觀測專項試驗外場，是全國唯一一個學科方向為山地氣象的野外基地。2019年經專家評估和擇優遴選，列入中國氣象局24個國家氣候觀象臺名單。至今已積累了80多年的地面觀測資料，2020年榮獲中國百年氣象站（七十五年）稱號。大理國家氣候觀象臺經過10多年的試點建設，圍繞國家氣候觀象臺“一站四平臺”的功能定位，建成了一批先進的氣象探測設備，實施了一系列的科研項目和外場觀測試驗，積累了大量寶貴的基本氣候觀測資料，搭建了研究型業務開放式創新平臺，取得了一批原創性的研究成果，培養了一支優秀的青年人才隊伍，在支撐氣象業務系統建設、科技研發等方面發揮了積極的作用。

圖2 中央氣象局大理測候所成立公函（a）和首份地面觀測月報表（b）

2.2 “一站四平臺”建設現狀

2.2.1 氣候系統多圈層綜合觀測站

大理蒼山洱海位于青藏高原東南延伸區，屬于我國西南水汽輸送通道的關鍵區和青藏高原大氣熱源加熱的敏感區（圖3），同時也是南亞和東亞季風的交匯區以及各類數值模式模擬和衛星遙感反演的難點地區。此區域所處地理位置獨特、地形地貌復雜，其觀測資料可代表3種尺度地形影響的結果，大尺度地形是青藏高原復雜地形，中等尺度是橫斷山脈南北向山地和狹長谷底地形，小尺度是蒼山洱海局地復雜地形。因此，大理蒼山洱海區域是開展氣候系統多圈層陸/湖－氣相互作用以及復雜山地氣象綜合觀測和科學研究的天然場所。

圖3 青藏高原及其周邊地區、鄰近海洋的地形分布以及區域內的關鍵科學問題

目前，大理國家氣候觀象臺以蒼山洱海為青藏高原東南延伸區中小尺度復雜地形的典型代表，采用一臺多點的布局，除長期穩定的基準氣候和農業氣象觀測外，在洱海東岸、蒼山山頂及其東西兩側不同海拔高度建成典型山地氣象剖面觀測系統（觀測要素包括氣溫、相對濕度、氣壓、風速風向、降水量、土壤溫度、土壤水分和輻射四分量），在洱海北部、中部和南部近岸水域建成3套水上平臺生態氣象觀測系統（觀測要素包括氣溫、相對濕度、氣壓、風速風向、降水量、日照時數、光合有效輻射、輻射四分量、三維風速、超聲虛溫、H2O和CO2密度、動量、感熱和潛熱通量、CO2和CH4通量、水位、水溫廓線、流速流向等，如圖4所示），環洱海周邊布設17套六要素（氣溫、相對濕度、風速風向、氣壓、降水量）自動站，在蒼山洱海東南區域建成多普勒天氣雷達，在大理國家氣候觀象臺觀測試驗場建成邊界層風（溫）廓線雷達、20 m邊界層鐵塔通量觀測系統、地基GPS水汽監測系統、地面基準輻射站、雙波長（紅外波和微波）閃爍儀、閃電定位儀、大氣電場儀、單點和區域尺度土壤水分自動觀測系統等先進探測設備，組成了一個復雜地形環境下的山地氣象綜合觀測體系（圖5），覆蓋了從地面、水面到高空大氣物理參數的立體、三維監測，能夠獲取長時間序列、千米級分辨率的山地氣象資料。

圖4 洱海水上平臺生態氣象觀測系統實物圖（a）銀橋南磻溪點，代表洱海中部水域；（b）海東向陽點，代表洱海南部水域；（c）挖色康廊點，代表洱海北部水域

圖5 大理國家氣候觀象臺綜合氣象觀測網

2.2.2 科學研究平臺

大理國家氣候觀象臺作為觀測基地和研究平臺，助力中日氣象災害合作研究JICA項目（2006—2009年，該項目建設的邊界層觀測塔、風廓線儀和水面觀測站分布如圖6所示）、西南地區非絕熱加熱敏感區綜合觀測試驗（2010—2013年）、青藏高原東緣對流云和水汽觀測試驗（2012年）、第三次青藏高原大氣科學試驗（2014年至今）、國家重點研發計劃“面向強降水短臨預報的模式評估和訂正方法研究”（2018—2021年）、第二次青藏高原綜合科學考察（2019年至今）等國家級科研項目和科學試驗取得重要研究成果。此外，作為研究型業務試點和科技創新平臺，將為中國氣象局橫斷山區（低緯高原）災害性天氣研究中心解決復雜地形影響下云南天氣預報的難點問題提供重要的科技支撐。

圖6 中日氣象災害合作研究JICA項目建設的風廓線儀、邊界層觀測系統和水面觀測站點分布

經過十多年的持續探索和發展，大理國家氣候觀象臺組建了學術委員會，并梳理了清晰的研究思路和主攻方向，主要聚焦山地氣象生態環境核心業務面臨的關鍵科學問題以及圍繞洱海保護治理氣象保障服務需求開展觀測試驗和研究。目前主要有四個觀測研究方向：一是針對大理所代表的地形地貌特點（復雜地形、水體），圍繞復雜山地對大氣影響的關鍵科學問題，開展復雜地形區氣象要素高時空分辨率監測及精細化特征研究，揭示復雜山地天氣氣候變化規律及其形成機理。二是圍繞青藏高原大氣熱源敏感區的核心科學問題，開展非絕熱加熱監測及其對周邊天氣氣候的影響研究，揭示青藏高原東南延伸區地氣相互作用過程及其對周邊天氣氣候的影響。三是針對云南低緯高原地理位置特點，圍繞季風水汽輸送關鍵區的核心科學問題，開展西南季風水汽輸送關鍵區水汽監測及其變化特征研究，揭示水汽變化和水分循環對區域及下游地區的影響。四是針對大理及周邊的陸地生態系統，圍繞生態文明建設氣象保障服務需求，開展區域生態氣象監測及服務，研究適合高原湖泊生態環境監測技術，為生態文明建設氣象保障服務提供技術支撐。截止到2021年4月，共發表學術論文76篇，其中以大理國家氣候觀象臺為第一署名單位發表50篇（SCI收錄1篇，中文核心27篇），出版專著2部，參編國家標準1項，獲得3項軟件著作權，許多成果在觀測、預報、服務中得到了推廣應用。

2.2.3 生態與氣候服務平臺

建設生態文明，關系人民福祉，關乎民族未來。2015年1月，習近平總書記到大理考察時，強調生態環境保護是一個長期任務，要久久為功，一定要把洱海保護好，希望水更干凈清澈，讓“蒼山不墨千秋畫、洱海無弦萬古琴”的自然美景永駐人間。從2009—2020年連續12年的洱海水質類別逐月變化趨勢來看（圖7）①云南省生態環境廳.九大高原湖泊水質監測月報.http://sthjt.yn.gov.cn/hjzl/9dgyhpsjjcyb/。，洱海水質在Ⅱ～Ⅲ類之間波動，干季（1—4月，次年11—12月）主要為Ⅱ類水質，雨季（5—10月）轉為Ⅲ類水質，這表明洱海水環境變化受氣候條件影響顯著。洱海保護治理是系統性、綜合性的復雜工程，需要大量的氣象監測資料及其相關研究成果作為基礎支撐。為滿足這一重大服務需求，大理國家氣候觀象臺2008年、2020年先后建設3套洱海水上平臺生態氣象觀測系統，組成輻射洱海南、中、北部以及東、西岸的氣象和水環境綜合觀測網，同時開展氣象條件對洱海水環境的影響等研究型業務工作。

圖7 2009—2020年洱海水質類別的逐月變化

2.2.4 開放合作平臺

從2006年建臺開始，大理國家氣候觀象臺始終秉持“立足云南、面向全國、躋身世界，帶領跨越式發展”的發展理念，以開放的姿態，敞開的胸懷，加強合作交流。據不完全統計，先后有200多位省內外氣象部門的各級領導到大理就觀象臺的功能設計、科學問題、管理體制、觀測項目、合作研究、人才培養、發展思路、研究型業務等進行深入交流和探討，100多位國內外著名專家學者到大理調研指導并開展學術交流。面向國家和地方的重大需求，始終秉持“開放共享、聯合共建、協同創新”的思想，充分發揮資源優勢，與中國氣象科學研究院、中國科學院大氣物理研究所等機構合作開展了聯合觀測試驗，共享觀測資料，并在相關領域聯合開展攻關研究、成果轉化應用、人才培養等工作。目前，與世界氣象組織南京區域培訓中心、南京信息工程大學、成都信息工程大學、云南大學、大理農林職業技術學院等共建實習基地。

2.2.5 人才培養平臺

打造一支精英團隊是大理國家氣候觀象臺建設的重中之重。建臺初期就通過“輸血”和“換血”兩種方式，提高業務人員的綜合素質，學歷層次從原來的最高學歷本科到現在的碩士4人，職稱層次從原來的最高職稱工程師到現在的副高級工程師3人，地方編制從原來沒有到現在的2人。隨著觀象臺的建設和發展，通過項目合作、專家帶動、自身努力，不斷提升業務人員的綜合能力和水平，獲得全國氣象工作先進單位等榮譽稱號，多人在中國氣象局、云南省氣象局業務競賽以及科技論文評選中獲獎，涌現出了青年氣象英才、全國優秀青年氣象科技工作者、全國氣象行業技術能手、云南省三八紅旗手、云南省五一巾幗標兵等一批優秀青年人才。同時，聯合中國氣象科學研究院、云南省氣象科學研究所、云南省氣象臺等單位組建了相對穩定、充滿活力的科研創新團隊，就復雜山地氣象相關的科學問題合作開展野外觀測和科學研究。

3 全國國家氣候觀象臺的建設思考

3.1 整合現有資源，優化站網的空間和要素布局

國家氣候觀象臺是地面觀測層次中級別最高、實力最強的綜合觀測站，其重要性不言而喻。從目前建設的24個觀象臺分布（表1）來看，青藏高原與天山冰川水文觀測區、敦煌沙漠陸面過程觀測區和海洋綜合觀測區3個關鍵區沒有建設觀象臺，南海海氣綜合觀測區建設的觀象臺最多（5個），其次是洞庭、鄱陽兩湖平原湖河綜合觀測區（3個），青藏高原大氣水分循環與生態環境綜合觀測區等4個關鍵區有2個，其余關鍵觀測區均建設1個。總體而言，這24個觀象臺組成的網絡仍不能完全覆蓋我國氣候系統關鍵觀測區。在觀象臺站網設計方面，建議綜合考慮觀象臺分布現狀、區域代表性，整合現有資源，避免與大氣本底站（表1）所在位置重復建設，優化站網的空間布局，在一些空白觀測區增加觀象臺的建設。建議統籌協調各省、自治區、直轄市的資源，充分發揮區域優勢，在省級氣象部門所轄區內至少建設1個觀象臺，可考慮在新疆、青海、藏北、貴州、重慶、湖北、陜西、山西、吉林等地適當增加觀象臺的布點，更全面地覆蓋我國氣候系統關鍵區。

表1 我國氣候系統關鍵觀測區建設的氣候觀象臺和大氣本底站

現有觀象臺在后續發展中，要深入評估所代表氣候區域的監測狀況，包括各類已有站點對氣候系統的監測情況，重點關注亟需補充的觀測項目，以期盡可能地全面掌握各圈層狀況及不同圈層間的物質和能量交換信息。

3.2 規范觀測項目，提升觀測能力

基本氣候變量是一種物理、化學、生物變量，或者是一組對地球氣候有重要貢獻的變量。從全國各地氣候觀象臺的觀測現狀來看，儀器設備、觀測項目、數據產品、質量控制等基本根據各地需求而開展或者依托科研項目而建設，沒有統一標準，不利于資料共享和推廣應用，也不利于充分發揮觀測項目的建設效益。國家氣候觀象臺的觀測項目，可參考GCOS指定的54個基本氣候變量（表2）來開展，實現對氣候系統乃至地球系統的長期、連續、立體、穩定、規范的綜合觀測，滿足國家和地區的重大戰略需求（如國家實現“碳達峰”“碳中和”目標等），同時與國際上建設的GCOS接軌。建議制定觀象臺相關業務流程和標準，規范觀測項目、設備型號、安裝維護、運行監控、數據格式、質量控制、信息傳輸等內容，構建統一的設備監控以及數據存儲、管理、共享平臺，形成穩定運行的觀測業務，實時輸出標準化的觀測產品，真正提升氣候系統多圈層的綜合觀測業務能力和水平。

表2 全球氣候觀測系統規定的基本氣候變量

3.3 提高數據質量，強化數據應用

觀測數據的質量直接影響到分析結論的可信度。國家氣候觀象臺開展的許多觀測都是通過非常規手段來進行，需要積累觀測經驗，加強數據處理技術和質量控制方法研究，逐步完善設備安裝、日常維護、數據采集、質量控制等全程規范化的觀測業務，不斷提高觀測數據質量，同時強化觀測數據的分析應用，充分發揮儀器設備的建設效益。

3.4 建立統一的觀象臺數值模擬系統

以大理國家氣候觀象臺為例，該觀象臺聚焦復雜地形影響問題，將外場觀測與數值模式緊密結合，利用公里級觀測支撐百米級模擬，實現了大理區域的大渦模型構建，提出了大理蒼山洱海區域大氣流場概念模型圖（圖8），初步揭示了大理“風花雪月”中“風”的形成機理。考慮到當前各地觀象臺的實際情況，建議依托國家級科研單位，組織多方力量，為觀象臺建立局地高分辨率數值模擬系統，實現觀測與模擬間的良性互動。觀象臺數值模擬系統應包含不同復雜程度的數值模式，從僅考慮關鍵過程的簡化模式到完備的包含主要地球系統過程的復雜模式，真正把觀象臺打造成邁入地球系統科學的先鋒。

圖8 大理蒼山洱海區域流場概念模型示意圖

3.5 強化區域關聯，構建觀象臺網絡

逐步形成觀象臺網絡，將單獨臺站的發展方式轉變為區域協同發展，推進觀象臺整體業務流程的規范化建設，在保持和進一步突出各地觀象臺特色的同時，發揮觀象臺整體網絡對地球系統科學的促進作用。

3.6 強調問題導向，強化科研屬性

瞄準所在區域天氣氣候業務中的難點問題，面對業務難題時，觀象臺應更強調對問題的科學理解，針對性設計觀測試驗，開展科學研究，為所在區域的科研工作提供精耕細作的示范和標桿，實現以點帶面。

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