聯(lián)合國(guó)專門機(jī)構(gòu)世界氣象組織所管理的全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)確定了在空中、陸地和海上進(jìn)行全球監(jiān)測(cè)的54個(gè)基本氣候變量 (ECV)。

這種監(jiān)測(cè)非常復(fù)雜且極富挑戰(zhàn)性。監(jiān)測(cè)眾多變量需要各種資源，從環(huán)繞地球的衛(wèi)星到大氣層中的氣球和飛機(jī)，再到遍布地球各地的陸基觀測(cè)站，以及越來(lái)越多在海上漫游的機(jī)器人平臺(tái)艦隊(duì)。

持續(xù)監(jiān)測(cè)的地球系統(tǒng)包括：

監(jiān)測(cè)氣候可以很簡(jiǎn)單，比如人工觀察， 也可以很復(fù)雜，就像軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上用于測(cè)量海平面上升的協(xié)調(diào)傳感器陣列，或者像氣球上攜帶的儀器和風(fēng)廓線雷達(dá)，可以從地面上超過(guò)16米的高度進(jìn)行觀測(cè)。收集的部分?jǐn)?shù)據(jù)包括空氣化學(xué)、溫度、降水量、云量、風(fēng)速和海洋鹽度。這需要各種各樣的主動(dòng)和被動(dòng)傳感技術(shù)。

本文中，我們將詳細(xì)介紹一些用于連續(xù)監(jiān)測(cè)全球氣候變化的傳感器和方法，貫穿全球傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次 - 從軌道、穿過(guò)大氣層、到達(dá)陸地，最后潛入海洋。

ECV衛(wèi)星監(jiān)測(cè)

ECV的確定基于以下標(biāo)準(zhǔn)：

衛(wèi)星可以為半數(shù)以上的ECV提供詳細(xì)觀測(cè)。美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA)、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局 (NOAA) 以及歐洲航天局 (ESA) 擁有160多顆衛(wèi)星，監(jiān)測(cè)氣候變化的各個(gè)方面，包括大氣條件、溫度、海洋條件和海平面變化 (圖2)。

例如，NASA的Terra和Aqua衛(wèi)星上的儀器對(duì)大氣中的氣溶膠進(jìn)行了第一次全球測(cè)量，這些氣溶膠來(lái)自火山、沙塵暴等自然來(lái)源，以及化石燃料燃燒等人為來(lái)源。Aura衛(wèi)星上的其他儀器負(fù)責(zé)研究大氣中臭氧豐度的調(diào)節(jié)過(guò)程。來(lái)自GRACE和ICESat衛(wèi)星及星載雷達(dá)的數(shù)據(jù)顯示，地球大冰原的變化出人意料地迅速。相比之下，Jason-3、OSTM/Jason-2和Jason-1衛(wèi)星記錄了自1992年以來(lái)，海平面平均上升了3英寸。

海平面的變化，以及這種變化的速率，是通過(guò)計(jì)算海面高度得出的。通過(guò)對(duì)在同一軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星所收集的數(shù)十萬(wàn)個(gè)高度測(cè)量值進(jìn)行平均，可以確定全球平均海平面及其隨時(shí)間的變化，精度可以達(dá)到毫米級(jí)。

60GHz附近的衛(wèi)星遙感可以通過(guò)測(cè)量氧分子發(fā)出的輻射來(lái)確定高層大氣的溫度，氧分子與溫度和壓力之間有函數(shù)關(guān)系。國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU) 分配在57GHz至59.3GHz的非獨(dú)占無(wú)源頻率用于氣象和氣候傳感應(yīng)用中的大氣監(jiān)測(cè)。由于地球大氣中氧的吸收和釋放特性，這一點(diǎn)非常重要。

空中大氣監(jiān)測(cè)

衛(wèi)星通過(guò)地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)和雷達(dá)從大氣層上方、下方進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線電探空儀直接從氣球和飛機(jī)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)。無(wú)線電探空儀是一種電池供電的遙測(cè)儀器，通常由氣象氣球攜帶到大氣層。它測(cè)量各種大氣參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線電將其傳輸?shù)降孛?a target="_blank">接收器。這些參數(shù)包括海拔、氣壓、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向、高空宇宙射線讀數(shù)和地理位置（緯度/經(jīng)度）。

測(cè)量臭氧濃度的無(wú)線電探空儀被稱為臭氧探空儀。在上升以提供風(fēng)速和風(fēng)向信息時(shí)其位置被跟蹤的無(wú)線電探空儀被稱為無(wú)線電探空測(cè)風(fēng)儀（雷達(dá)氣球）。大多數(shù)無(wú)線電探空儀都有雷達(dá)反射器，可用作無(wú)線電探空測(cè)風(fēng)儀。從飛機(jī)上投下的，而不是由氣球攜帶的無(wú)線電探空儀是一種下投式探空儀。

全球大約有1,300個(gè)無(wú)線電探空儀發(fā)射場(chǎng)。大多數(shù)國(guó)家通過(guò)一系列國(guó)際協(xié)議共享數(shù)據(jù)。大多數(shù)無(wú)線電探空儀的發(fā)射時(shí)間比0000協(xié)調(diào)世界時(shí) (UTC) 和1200 UTC的官方觀測(cè)時(shí)間提前45分鐘，提供即時(shí)的全球大氣快照。這對(duì)于大氣條件和氣候變化的數(shù)字建模特別重要。

無(wú)線電探空儀還可以包括收集高空空氣樣本，以便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)分析的燒瓶。特別是，二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和臭氧的相對(duì)濃度會(huì)影響大氣捕捉太陽(yáng)輻射的能力。

陸基監(jiān)測(cè)

陸基感測(cè)是最成熟的氣候變化監(jiān)測(cè)形式。一個(gè)由數(shù)千個(gè)自動(dòng)地面觀測(cè)系統(tǒng) (ASOS) — 例如機(jī)場(chǎng)、軍事設(shè)施、教育設(shè)施和其他地方的系統(tǒng)組成的全球網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)地面空氣狀況。ASOS裝置每小時(shí)測(cè)量各種氣候變量多達(dá)12次。地面空氣溫度是在地面以上兩米處測(cè)得的。ASOS用來(lái)監(jiān)測(cè)地面大氣狀況的典型儀器包括雨量計(jì)，用來(lái)測(cè)量降落到地球表面的降水量。日射強(qiáng)度計(jì)測(cè)量到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能量。氣壓計(jì)持續(xù)監(jiān)測(cè)氣壓。

風(fēng)是按水平速度和方向測(cè)量的矢量值；風(fēng)速計(jì)測(cè)量速度，而風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)向袋測(cè)量風(fēng)向。濕度是另一個(gè)多維氣候變量；濕度計(jì)用于測(cè)量絕對(duì)和相對(duì)濕度。絕對(duì)濕度是指大氣中水汽的實(shí)際含量。相對(duì)濕度是指空氣中所含水蒸氣密度與同溫度下飽和水蒸氣密度的比值。

多普勒雷達(dá)被用來(lái)監(jiān)測(cè)暴風(fēng)雨。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局 (NOAA) 在美洲大陸擁有159個(gè)多普勒雷達(dá)塔，可以監(jiān)測(cè)降水量、雷云的旋轉(zhuǎn)速度和方向、龍卷風(fēng)中的空中碎片以及總體風(fēng)速和風(fēng)向。

在海上漫游的機(jī)器人

海洋浩瀚無(wú)邊，要廣泛全面地進(jìn)行檢測(cè)難度非常大。傳統(tǒng)方法是通過(guò)船只和浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)量世界海洋表面溫度。今天，衛(wèi)星遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)所有海洋的表面溫度。但衛(wèi)星有效監(jiān)測(cè)的范圍有限。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局 (NOAA) 擁有一支由4,000多個(gè)浮標(biāo)和浮子組成的網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)海洋化學(xué)和洋流。國(guó)際Argo計(jì)劃還部署了3,800多個(gè)機(jī)器人浮子，稱為CTD（電導(dǎo)率、溫度和深度）剖面儀，用于監(jiān)測(cè)世界不同深度的海洋。

Argo的浮子是1.3米長(zhǎng)的機(jī)器人管子，在重新浮出水面并將其位置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫l(wèi)星之前，沉入深度可達(dá)2,000米。所有數(shù)據(jù)都可以在線訪問(wèn)。一個(gè)機(jī)器人浮子的成本大約相當(dāng)于一艘研究船在海上兩天的費(fèi)用，但浮子可以自動(dòng)運(yùn)行五年，即使在風(fēng)暴期間，船舶停泊在港口時(shí)它們也能繼續(xù)工作。

最新的Argo浮子是國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的南大洋碳和氣候觀測(cè)與建模 (SOCCOM) 項(xiàng)目的一部分。南大洋由于其內(nèi)部和周圍的獨(dú)特現(xiàn)象，正在被研究中。例如，盡管南大洋僅占地球海洋面積的30%左右，但它卻約占人為碳吸收量的一半，同時(shí)占海洋人為熱吸收量的大部分。

除了大多數(shù)浮子上都有的基本CTD剖面儀外，SOCCOM浮子還配備了額外的生物地球化學(xué)傳感器。它們測(cè)量：

總結(jié)

在全球范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)幾十種ECV是一項(xiàng)復(fù)雜而富有挑戰(zhàn)性的工作。這需要很多種資源，從環(huán)繞地球的衛(wèi)星到大氣層中的氣球和飛機(jī)，再到遍布地球各地的陸基觀測(cè)站，以及越來(lái)越多在海上漫游的機(jī)器人監(jiān)測(cè)平臺(tái)艦隊(duì)。這還需要國(guó)家之間的協(xié)調(diào)與合作。

衛(wèi)星是這項(xiàng)工作的關(guān)鍵，它為超過(guò)一半的ESV提供詳細(xì)觀測(cè)，監(jiān)測(cè)氣候變化的各個(gè)方面，包括大氣條件、溫度、海洋條件和海平面變化。全世界有1300個(gè)無(wú)線電探空儀發(fā)射場(chǎng)在監(jiān)測(cè)高層大氣，大多數(shù)國(guó)家通過(guò)一系列國(guó)際協(xié)議共享數(shù)據(jù)。大多數(shù)無(wú)線電探空儀的發(fā)射時(shí)間比0000協(xié)調(diào)世界時(shí) (UTC) 和1200 UTC的官方觀測(cè)時(shí)間提前45分鐘，提供即時(shí)的全球大氣快照，支持大氣條件和氣候變化的數(shù)字建模。

對(duì)低層大氣的陸基感測(cè)是最成熟的氣候變化監(jiān)測(cè)形式。地面空氣狀況由數(shù)千個(gè)自動(dòng)地面觀測(cè)系統(tǒng) (ASOS) 裝置組成的全球網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。ASOS站點(diǎn)每小時(shí)測(cè)量各種氣候變量多達(dá)12次。最后，越來(lái)越多的機(jī)器人浮標(biāo)和浮子使用生物地球化學(xué)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)世界海洋，收集到的大部分?jǐn)?shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上公開。

審核編輯：郭婷