湯緒

（天氣和減災(zāi)服務(wù)司，世界氣象組織，日內(nèi)瓦 1211）

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超大城市氣象觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

湯緒

（天氣和減災(zāi)服務(wù)司，世界氣象組織，日內(nèi)瓦 1211）

城市化通過(guò)改變自然狀態(tài)和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)天氣氣候產(chǎn)生重大影響，同時(shí)由于城市化帶來(lái)的生產(chǎn)、生活活動(dòng)的密集性，氣象災(zāi)害對(duì)其造成的影響更為集中且嚴(yán)重。建立一個(gè)以氣象為核心的科學(xué)、全面、智能的綜合觀測(cè)網(wǎng)是保障城市安全和智能化、個(gè)性化的氣象服務(wù)的有力支撐。從城市觀測(cè)的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展、需求、布局的科學(xué)性、新設(shè)備的應(yīng)用、大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)據(jù)應(yīng)用和服務(wù)等方面給出了超大城市（城市群）綜合觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)思路。

城市，觀測(cè)，應(yīng)用

0　引言

大規(guī)模城市化（城市群）是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力和重大戰(zhàn)略。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)城市化水平每年以1.2個(gè)百分點(diǎn)增長(zhǎng)［1］。我國(guó)城市化發(fā)展規(guī)模之大、速度之快前所未有。近年來(lái)，伴隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、城市面積快速擴(kuò)張，我國(guó)已形成長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀、山東半島、遼中南、中原、長(zhǎng)江中游、海峽西岸、川渝、關(guān)中等10大城市群。尤其以長(zhǎng)三角、珠三角和京津冀三個(gè)特大城市群發(fā)展迅猛，極大地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的高度聚集和快速發(fā)展，同時(shí)也為高度聚集的人口創(chuàng)造了更好的生活居住條件和更佳品質(zhì)的集中社會(huì)服務(wù)。然而，隨之而來(lái)的環(huán)境壓力和不利的環(huán)境效應(yīng)，城市災(zāi)害的承災(zāi)能力降低等問(wèn)題日益突出，對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)。本文從城市觀測(cè)的需求、布局的科學(xué)性、新設(shè)備的應(yīng)用、大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)據(jù)應(yīng)用和服務(wù)等方面闡述超大城市（城市群）綜合觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)思路。

1　超大城市（城市群）氣象觀測(cè)的目的和需求

1.1超大城市（城市群）氣象觀測(cè)的目的和內(nèi)容

超大城市（城市群）綜合觀測(cè)的科學(xué)技術(shù)目標(biāo)是觀察自然過(guò)程，同時(shí)為已有模式的驗(yàn)證和運(yùn)行提供驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)、參數(shù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，并采集高分辨率的數(shù)據(jù)以將其同化到城市氣象、生態(tài)、環(huán)境和氣候模式。因此超大城市（城市群）綜合觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分考慮大氣、城市（含城市生態(tài)）、城市人群及其活動(dòng)相互影響痕跡的觀察與記錄，并且應(yīng)用于社會(huì)實(shí)踐。超大城市（城市群）氣象觀測(cè)體系建設(shè)主要包括城市邊界層觀測(cè)系統(tǒng)、城市參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)、大氣環(huán)境及高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)和災(zāi)害天氣觀測(cè)系統(tǒng)。

通過(guò)建立超大城市（城市群）邊界層觀測(cè)系統(tǒng)，為在這一地區(qū)進(jìn)行地表特征參數(shù)和能量通量以及近地層的各個(gè)參數(shù)的衛(wèi)星遙感參數(shù)化和數(shù)值模擬提供事實(shí)依據(jù)，并提供檢驗(yàn)衛(wèi)星遙感參數(shù)化和數(shù)值模擬結(jié)果的真值。表1列出了該系統(tǒng)的主要觀測(cè)內(nèi)容。

表1　超大城市（城市群）邊界層觀測(cè)系統(tǒng)的主要觀測(cè)內(nèi)容Table 1 The major elements for boundary measurements in mega-city/city-cluster

通過(guò)建立超大城市（城市群）參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)，將城市物理過(guò)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(tǒng)物理特征的變化）和城市水汽循環(huán)（降水、蒸發(fā)、滲透、徑流等）之間的協(xié)調(diào)變化定量關(guān)系，以及城市下墊面—天氣相互作用作為研究的內(nèi)容。當(dāng)前的城市影響研究也正在倡導(dǎo)這個(gè)方面［2-3］。表2列出了該系統(tǒng)的主要觀測(cè)內(nèi)容。

表2　超大城市（城市群）參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)的主要觀測(cè)內(nèi)容Table 2 The major parameters for the measurements in mega-city/city-cluster

通過(guò)建立超大城市（城市群）大氣環(huán)境及高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境污染過(guò)程、污染物特征變化趨勢(shì)解析，有效識(shí)別霧霾等級(jí)、研究大氣污染形成、表現(xiàn)特征以及變化趨勢(shì)，明確污染原因，依據(jù)有效數(shù)據(jù)發(fā)布區(qū)域污染預(yù)報(bào)預(yù)警；掌握區(qū)域大氣污染物基本規(guī)律和特征，大氣污染物時(shí)空演變監(jiān)測(cè)結(jié)果，量化特定地區(qū)污染物排放總量，了解、分析污染輸送過(guò)程，確定大氣污染物局地和區(qū)域輸送來(lái)源；實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境污染源探索，通過(guò)對(duì)顆粒物以及大氣成分物理、化學(xué)特征分析，解析顆粒物主要成分，確定區(qū)域內(nèi)排放源強(qiáng)，科學(xué)回答“三個(gè)說(shuō)不清”（污染來(lái)源說(shuō)不清、污染成分說(shuō)不清、形成機(jī)理說(shuō)不清）。

與此同時(shí)，要針對(duì)各種高影響天氣氣候?qū)Τ鞘邪踩\(yùn)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(guān)聯(lián)度要素組織觀測(cè)與數(shù)據(jù)獲取，開(kāi)展城市影響要素觀測(cè)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與建設(shè)，實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)融合、多關(guān)鍵影響要素匯集的城市高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)運(yùn)行。超大城市（城市群）高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)可以包括開(kāi)展對(duì)城市不同下墊面熱傳導(dǎo)及對(duì)人健康影響、氣溶膠（如花粉等）對(duì)特殊人群的影響、大氣對(duì)城市生態(tài)的影響、暴雨對(duì)城市積澇的影響、風(fēng)對(duì)高層建筑及其人居的影響，高影響天氣對(duì)交通的影響等的觀測(cè)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(shè)計(jì)和規(guī)范城市高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。表3列出了該系統(tǒng)的主要觀測(cè)內(nèi)容。

表3　超大城市（城市群）大氣環(huán)境及高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)的主要觀測(cè)內(nèi)容Table 3 The major environmental and high relevant atmospheric elements for the measurement system in mega-city/city-cluster

通過(guò)建立災(zāi)害天氣觀測(cè)系統(tǒng)，把改進(jìn)預(yù)報(bào)作為大氣觀測(cè)的主要目的之一。觀測(cè)的改進(jìn)為預(yù)報(bào)的改進(jìn)提供了基礎(chǔ)條件，但是觀測(cè)的改進(jìn)并不一定帶來(lái)預(yù)報(bào)的明顯改進(jìn)，觀測(cè)對(duì)預(yù)報(bào)的貢獻(xiàn)依賴于觀測(cè)的要素、位置、時(shí)間、天氣形勢(shì)等多方面的因素。因此，要由觀測(cè)決定預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)到由預(yù)報(bào)指引觀測(cè)的理念，推進(jìn)觀測(cè)與預(yù)報(bào)的互動(dòng)。國(guó)際上開(kāi)展的THORPEX計(jì)劃就是通過(guò)目標(biāo)/適應(yīng)性（targeting/adaptive）加密觀測(cè)試驗(yàn)，確定觀測(cè)對(duì)于數(shù)值預(yù)報(bào)的敏感區(qū)，進(jìn)而有目的地改進(jìn)觀測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)利用探測(cè)手段去真實(shí)地了解強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)和與云微物理過(guò)程有關(guān)的氣象參數(shù)，包括用兩部或三部多普勒雷達(dá)建立同步觀測(cè)網(wǎng)，其同步觀測(cè)區(qū)可覆蓋整個(gè)城市區(qū)域，獲取高時(shí)空分辨的三維流場(chǎng)資料，對(duì)城區(qū)外實(shí)施單多普勒雷達(dá)對(duì)移近的災(zāi)害天氣系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)。同時(shí)，在城區(qū)內(nèi)和近郊布設(shè)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(shè)1～2部風(fēng)廓線儀，形成有效的邊界層風(fēng)場(chǎng)與其他氣象要素的觀測(cè)。再加上常規(guī)氣象觀測(cè)網(wǎng)，將基本滿足對(duì)大城市災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)的需求。表4列出了該系統(tǒng)的主要觀測(cè)內(nèi)容。

表4　災(zāi)害天氣觀測(cè)系統(tǒng)的主要觀測(cè)內(nèi)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(cè)的需求

由于城市冠層的存在，地氣之間的交換過(guò)程變得非常復(fù)雜。熱量交換首先在冠層內(nèi)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(shù)值模擬研究中已發(fā)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(tài)學(xué)模型是簡(jiǎn)單的理想模型，與城市的實(shí)際形態(tài)學(xué)特征之間有很大差異。由于已有的觀測(cè)研究都是單點(diǎn)觀測(cè)，不能代表一定范圍內(nèi)的平均狀況，因此在有關(guān)參數(shù)的選取上存在很大的不確定性。同時(shí)，城市交通、空調(diào)系統(tǒng)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(shù)值模擬中的合理引入是建立超大城市（城市群）氣象觀測(cè)網(wǎng)的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。

城市冠層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成的特殊流場(chǎng)（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(guò)程異常復(fù)雜。如何對(duì)該交換過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化描述是正確模擬城市地氣耦合的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題之一。城市下墊面的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)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(jié)構(gòu)特征。此外，城市邊界層頂部夾卷過(guò)程的觀測(cè)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(fā)，大大加快了地表徑流，改變了土壤下滲。這些城市地區(qū)特有的陸面水文過(guò)程在陸面模式和城市冠層模式中均還沒(méi)有較好的描述。城市下墊面通過(guò)動(dòng)力、熱力、水文、氣溶膠和云物理等過(guò)程對(duì)降水產(chǎn)生影響，已經(jīng)開(kāi)展的研究工作主要針對(duì)其中的一個(gè)或幾個(gè)物理過(guò)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(cè)網(wǎng)需要關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。

同時(shí)應(yīng)該看到，由于城市復(fù)雜的中小尺度地形環(huán)境，且引發(fā)暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)存在著多種組織類(lèi)型。不同復(fù)雜地形環(huán)境下，不同組織類(lèi)型的暴雨中尺度對(duì)流系統(tǒng)啟動(dòng)、組織、發(fā)展、維持和消亡的主要物理機(jī)制是什么，它們之間存在著何種差異并不清楚，因而相對(duì)于大尺度天氣過(guò)程引發(fā)的降水，對(duì)城市暴雨的預(yù)報(bào)成功率還不是很高 。這說(shuō)明與影響城市的特大自然災(zāi)害的科學(xué)預(yù)測(cè)還有不少距離，其主要原因是目前的災(zāi)害預(yù)報(bào)是在對(duì)災(zāi)害孕育、發(fā)展、發(fā)生規(guī)律尚不清楚的情況下進(jìn)行的，這從根本上阻礙了災(zāi)害性天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平的提高。災(zāi)害天氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式是災(zāi)害天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和機(jī)理研究中的重要工具，為了使模式取得最好的預(yù)報(bào)效果，需要有大氣、陸面、動(dòng)力、植被、與大氣有相互作用的海洋系統(tǒng)以及大氣化學(xué)等諸多過(guò)程當(dāng)前的實(shí)際觀測(cè)狀況。同時(shí)，從數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的輸出結(jié)果中獲取客觀信息需要觀測(cè)和預(yù)測(cè)結(jié)果之間的比較，這就需要觀測(cè)和數(shù)值模擬一并考慮。但是，目前的超大城市（城市群）觀測(cè)系統(tǒng)還沒(méi)有充分考慮到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展，獲得滿足利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)所需要的各種初始觀測(cè)資料以及與模式結(jié)果比對(duì)的觀測(cè)資料。另一方面，目前的超大城市（城市群）氣象觀測(cè)系統(tǒng)還沒(méi)有充分考慮到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中不同圈層相互作用過(guò)程的描述對(duì)觀測(cè)資料的需求，無(wú)法很好地為模式中參數(shù)化方案的建立和發(fā)展以及模式本身的發(fā)展和評(píng)估提供觀測(cè)依據(jù)。

另外，社會(huì)需求對(duì)城市天氣預(yù)報(bào)提出了更高可信度的要求，而模式評(píng)估是模式發(fā)展中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，大量觀測(cè)資料的使用為模式評(píng)估提供了有力支撐。在城市氣象模式評(píng)估中垂直廓線資料尤為重要，它可以為評(píng)價(jià)模式對(duì)城市邊界層高度及垂直結(jié)構(gòu)的模擬能力提供依據(jù)。目前還沒(méi)有一個(gè)能夠?qū)Τ鞘袣庀竽Ｊ筋A(yù)測(cè)能力進(jìn)行系統(tǒng)、客觀檢驗(yàn)的觀測(cè)系統(tǒng)。超大城市（城市群）觀測(cè)資料要用于支持對(duì)未來(lái)天氣的預(yù)估，必須要考慮到人類(lèi)活動(dòng)對(duì)天氣的影響以及未來(lái)氣候?qū)θ祟?lèi)的影響［5］。超大城市（城市群）大氣觀測(cè)系統(tǒng)必須超越大氣觀測(cè)本身，還應(yīng)包含加工和支持系統(tǒng)，以便產(chǎn)生可靠和有用的產(chǎn)品［6］?，F(xiàn)有的地面觀測(cè)站網(wǎng)盡管提供了非常寶貴的資料，但還要確定這些站點(diǎn)的空間代表性，以便更好地用于模式評(píng)估。城市小區(qū)域尺度氣象模式或計(jì)算流體力學(xué)模式，通過(guò)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(duì)站點(diǎn)觀測(cè)的影響，為解決城市地區(qū)站點(diǎn)觀測(cè)的代表性問(wèn)題提供了一個(gè)有效的解決途徑。

針對(duì)災(zāi)害性天氣、城市邊界層、氣候生態(tài)系統(tǒng)等問(wèn)題的研究，對(duì)觀測(cè)項(xiàng)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(cè)儀器代替目前的常規(guī)觀測(cè)儀器來(lái)完成。觀測(cè)的項(xiàng)目也更加廣泛，其中包含生態(tài)、陸面、大氣與陸面、水文、大氣成分及其化學(xué)物質(zhì)等，必須通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)、優(yōu)化布局，從地點(diǎn)分布、設(shè)備技術(shù)、內(nèi)容要素等方面，增強(qiáng)和改善城市及周邊地區(qū)大氣綜合觀測(cè)體系。

應(yīng)該注意到，在當(dāng)前的超大城市（城市群）運(yùn)行過(guò)程中，僅有天氣預(yù)報(bào)是不夠的，人們要求更多的信息以確保他們的財(cái)產(chǎn)和人身安全，但在超大城市（城市群）觀測(cè)項(xiàng)目中缺乏水文氣象災(zāi)害的影響和后果的相關(guān)信息。為了讓政府、經(jīng)濟(jì)部門(mén)和公眾采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，需要知道水文氣象學(xué)的多種危險(xiǎn)會(huì)如何影響他們的生活、生計(jì)、財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)。因此，加強(qiáng)和改善城市水文氣象相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)信息調(diào)查和收集是降低不利影響的前提。例如，預(yù)測(cè)降水在高峰時(shí)段對(duì)道路交通的可能影響，或者由于強(qiáng)風(fēng)關(guān)閉機(jī)場(chǎng)對(duì)乘客的影響，可以通過(guò)使用脆弱性和暴露的數(shù)據(jù)集以及氣象信息開(kāi)發(fā)一個(gè)客觀影響模型。理解和預(yù)測(cè)城市水文氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)影響一般超出了氣象學(xué)家和水文學(xué)家的職責(zé)，需要與多種相關(guān)專(zhuān)業(yè)結(jié)合。有效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警需要結(jié)合其他必要的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、資源和經(jīng)驗(yàn)（如人口數(shù)據(jù)、人群分類(lèi)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、互操作性、第三方數(shù)據(jù)集成和使用）提供服務(wù)。從服務(wù)用戶的角度來(lái)看，收集的數(shù)據(jù)要包括超大城市（城市群）中最容易受到災(zāi)難影響的信息。

2　城市綜合氣象觀測(cè)的進(jìn)展和前景

2.1國(guó)內(nèi)外城市綜合氣象觀測(cè)的進(jìn)展和經(jīng)驗(yàn)

隨著城市化帶來(lái)的生產(chǎn)、生活活動(dòng)的集中化，氣象災(zāi)害和大氣環(huán)境污染造成的影響更為集中且加重。同時(shí)，城市化也通過(guò)這一特殊的下墊面改變的進(jìn)程對(duì)大氣結(jié)構(gòu)和物理過(guò)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(dǎo)致冠層、粗糙度和邊界層大氣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。研究表明：城市區(qū)域的大氣具有“熱島”、“干島”、“空氣穹窿”等特殊結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了城市區(qū)域的天氣顯著異常，進(jìn)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(qū)域天氣預(yù)報(bào)更為復(fù)雜，而城市居民對(duì)天氣預(yù)報(bào)精度亦有更高的要求。氣象觀測(cè)是氣象預(yù)報(bào)預(yù)警研究的基礎(chǔ)，其目的是要為氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、氣象服務(wù)和氣象科學(xué)研究提供高質(zhì)量、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)［9］。目前，城市氣象觀測(cè)與業(yè)務(wù)應(yīng)用需求之間仍然存在較大的差距。針對(duì)城市的觀測(cè)研究主要集中在邊界層以內(nèi)，北美自2000年開(kāi)始這方面的研究，在歐洲則更是近幾年內(nèi)才開(kāi)始實(shí)施的。近年來(lái)，國(guó)際上進(jìn)行的城市綜合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)主要有法國(guó)馬賽城市邊界層試驗(yàn)（UBLCLU/ESCOMPTE）、希臘雅典污染物傳輸與化學(xué)轉(zhuǎn)化試驗(yàn)（MED CAPHOT-TRACE）、歐洲科技合作研究計(jì)劃（COST71）、美國(guó)鹽湖城的城市2000試驗(yàn)（URAN 2000）、美國(guó)鳳凰城的試驗(yàn)亞利桑那中部-鳳凰城長(zhǎng)期生態(tài)研究計(jì)劃（CAPLTER）、美國(guó)俄克拉何馬城的城市2003聯(lián)合試驗(yàn)（Joint Urban 2003）、英國(guó)伯明翰的城市大氣中的污染物試驗(yàn)（PUMA）、瑞典巴塞爾的城市邊界層氣象項(xiàng)目（BUBBLE）、日本的城市氣候綜合室外模型試驗(yàn)（COSMO）、墨西哥的大城市對(duì)區(qū)域及全球環(huán)境的影響研究計(jì)劃（MIRAGE）等。這些觀測(cè)試驗(yàn)涉及城市地表參數(shù)的獲取（反照率、粗糙度、濕參數(shù)）、地表能量平衡、城市邊界層結(jié)構(gòu)、城市熱島效應(yīng)、城市環(huán)流與中尺度局地環(huán)流相互作用、城市對(duì)降水的影響和城市空氣污染等內(nèi)容。世界氣象組織也在全球組織開(kāi)展了一系列城市氣象和環(huán)境研究（GURME）項(xiàng)目，主要針對(duì)空氣質(zhì)量及其相關(guān)內(nèi)容的氣象觀測(cè)，這些項(xiàng)目包括北京大氣環(huán)境污染控制機(jī)制研究項(xiàng)目、莫斯科超大城市可持續(xù)發(fā)展氣象服務(wù)、用被動(dòng)采樣儀進(jìn)行空氣質(zhì)量觀測(cè)（NOAA）、拉丁美洲城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的改進(jìn)以及上海城市氣象和環(huán)境研究示范等。

中國(guó)專(zhuān)門(mén)針對(duì)城市邊界層而進(jìn)行的觀測(cè)試驗(yàn)研究中較全面的試驗(yàn)是2001—2003年在北京開(kāi)展的北京空氣污染觀測(cè)試驗(yàn)（BECAPEX），這是針對(duì)大氣邊界層動(dòng)力、熱力和化學(xué)開(kāi)展的綜合觀測(cè)試驗(yàn)。該試驗(yàn)獲取了北京城市大氣動(dòng)力和大氣化學(xué)三維結(jié)構(gòu)特征。另外，2004 年開(kāi)展的北京城市邊界層觀測(cè)試驗(yàn)（BUBLEX），2005和2006年開(kāi)展的南京市城市邊界層觀測(cè)，國(guó)家科技部“973”項(xiàng)目“中國(guó)東部大規(guī)模城市化的氣候效應(yīng)及對(duì)策研究”在中國(guó)東部長(zhǎng)三角城市群區(qū)，針對(duì)地表物理特性、陸面過(guò)程、城市冠層和大氣邊界層、大氣污染物及其輻射特性等，設(shè)計(jì)和開(kāi)展了多過(guò)程的協(xié)同強(qiáng)化觀測(cè)試驗(yàn)?！笆濉眹?guó)家科技支撐重點(diǎn)計(jì)劃“京津冀城市群高影響天氣預(yù)報(bào)中的關(guān)鍵技術(shù)研究”圍繞京津冀城市（群）局地環(huán)流及其對(duì)城市高影響天氣過(guò)程影響開(kāi)展綜合觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)城市（群）山谷風(fēng)環(huán)流、熱島環(huán)流和海陸風(fēng)環(huán)流及邊界層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。這些試驗(yàn)主要針對(duì)城市邊界層結(jié)構(gòu)、城市空氣質(zhì)量、城市化的氣候效應(yīng)和城市化的天氣效應(yīng)等開(kāi)展研究并取得不同程度的進(jìn)展。通過(guò)這些大型項(xiàng)目的實(shí)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(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，對(duì)其中物質(zhì)、能量的分布和交換規(guī)律的研究，為數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模式的建立及其業(yè)務(wù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)的城市氣象觀測(cè)研究增強(qiáng)了對(duì)中國(guó)城市氣象個(gè)性化問(wèn)題的認(rèn)識(shí)（如城市與地形相互作用對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的影響），為超大城市（城市群）氣象觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)和城市氣象精細(xì)預(yù)報(bào)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，許多省市氣象部門(mén)根據(jù)服務(wù)需要組織開(kāi)展了觀測(cè)適應(yīng)性試驗(yàn)和高影響要素觀測(cè)，極大地豐富了觀測(cè)業(yè)務(wù)，增強(qiáng)了服務(wù)的針對(duì)性，受到地方政府和社會(huì)的廣泛好評(píng)。

綜合起來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市下墊面不同尺度的觀測(cè)研究主要集中在以下方面：l）城市五島效應(yīng)對(duì)天氣過(guò)程的影響。近年來(lái)，人們逐漸發(fā)現(xiàn)城市化引起的干島、濕島、混濁島和雨島等現(xiàn)象，與城市熱島一起，形成了所謂的城市五島效應(yīng)，它們?cè)诤艽蟪潭壬鲜腔ハ嚓P(guān)聯(lián)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(huán)境條件；2）城市化對(duì)城市大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)的影響。城市密集高聳的建筑結(jié)構(gòu)特征和大量的人為活動(dòng)，會(huì)對(duì)邊界層大氣動(dòng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，從而影響大氣邊界層的風(fēng)向和風(fēng)速變化；3）城市化對(duì)降水的影響；4）城市化進(jìn)程對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的影響；5）城市對(duì)氣候觀測(cè)的影響以及歷史氣候數(shù)據(jù)在城市氣候服務(wù)中的應(yīng)用問(wèn)題。

在觀測(cè)的時(shí)間和頻率上應(yīng)該遵循國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)［10-14］。需要關(guān)注的水平觀測(cè)尺度有3個(gè)等級(jí)［15］，如圖1所示。

圖1　城市觀測(cè)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(huán)境，相距不遠(yuǎn)的陸面和空氣溫度有時(shí)會(huì)相差幾度，而很小的物體也會(huì)造成空氣的擾動(dòng)。典型的城市微氣候尺度從厘米跨越到幾百米，與每個(gè)個(gè)體的尺度都有關(guān)系，包括建筑、樹(shù)木、道路、街道、院落、花園等等。

2）局地尺度：這是標(biāo)準(zhǔn)氣候站的設(shè)計(jì)觀測(cè)尺度，重點(diǎn)關(guān)注大地形特征帶來(lái)的周邊環(huán)境的平均信息，如地表覆蓋、建筑物的尺度和間隔、人為活動(dòng)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(wàn)千米。需要多站的信息融合分析。

在需要關(guān)注的垂直觀測(cè)尺度方面，由于城市不同于農(nóng)村和海洋等較為平坦的下墊面，其動(dòng)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(xiàn)，該層稱為城市冠層（UCL），其高度約為主要建筑物和樹(shù)木的平均高度。在其上仍有混合發(fā)生，觀測(cè)和理論研究表明，這種混合的頂高在高密度建筑物地區(qū)是城市冠層的1.5倍，而在低密度建筑物地區(qū)是城市冠層的4倍［16-17］。位于其下的儀器設(shè)備能夠觀測(cè)到微氣候特征，而架設(shè)在這種混合頂高以上的設(shè)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(nèi)邊界層也要在觀測(cè)時(shí)考慮進(jìn)去。總的來(lái)講，垂直方向覆蓋了整個(gè)對(duì)流層。

2.2城市綜合氣象觀測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展可以看到城市氣象觀測(cè)研究與應(yīng)用實(shí)踐呈現(xiàn)出五個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：觀測(cè)從描述城市大氣基本狀態(tài)到更多關(guān)注地氣之間的能量和物質(zhì)交換；研究尺度上強(qiáng)調(diào)對(duì)不同尺度進(jìn)行觀測(cè)和研究；新科技推動(dòng)了對(duì)城市地氣相互作用的觀測(cè)，新的傳感器、新技術(shù)和新方法被大量采用；觀測(cè)上更多地采用業(yè)務(wù)觀測(cè)和科研觀測(cè)相結(jié)合的方式，力爭(zhēng)獲取較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料；應(yīng)用上，城市基礎(chǔ)設(shè)施與城市生態(tài)、人類(lèi)活動(dòng)的高影響要素觀測(cè)及其相關(guān)大數(shù)據(jù)的獲取越來(lái)越成為未來(lái)城市觀測(cè)、數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與業(yè)務(wù)的導(dǎo)向［18］。

隨著觀測(cè)手段的發(fā)展和科技水平的進(jìn)步，城市氣象觀測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)也由人工觀測(cè)轉(zhuǎn)向自動(dòng)化遙測(cè)遙感，從定性觀測(cè)到定量觀測(cè)，從單一的大氣觀測(cè)到地氣及其相互作用的綜合觀測(cè)；綜合利用多種手段、多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度、高時(shí)空分辨率、連續(xù)、自動(dòng)、一體化定量觀測(cè)。為了滿足城市精細(xì)化氣象服務(wù)的需求，探測(cè)設(shè)備空間網(wǎng)格更密，垂直層次更多更高，資料時(shí)間密度更高，大數(shù)據(jù)特征更加顯著。在觀測(cè)方式上，呈現(xiàn)出以下幾個(gè)轉(zhuǎn)變，即從大尺度的天氣觀測(cè)向中小尺度天氣觀測(cè)發(fā)展的轉(zhuǎn)變，從二維觀測(cè)向三維立體觀測(cè)發(fā)展的轉(zhuǎn)變，從離散數(shù)據(jù)分時(shí)獲取向多光譜連續(xù)掃描獲取發(fā)展的轉(zhuǎn)變，從固定觀測(cè)向固定與移動(dòng)觀測(cè)及連續(xù)移動(dòng)掃描并重方向轉(zhuǎn)變，從分學(xué)科專(zhuān)業(yè)的觀測(cè)向多專(zhuān)業(yè)學(xué)科的綜合觀測(cè)方向轉(zhuǎn)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(duì)城市人群及城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響并重的方向轉(zhuǎn)變，從觀測(cè)業(yè)務(wù)的自我包攬一條龍形式向更加開(kāi)放各種社會(huì)資源兼收并蓄的數(shù)據(jù)獲取方式轉(zhuǎn)變。

3　超大城市（城市群）氣象綜合觀測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)

鑒于城市結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和災(zāi)害的多樣性，針對(duì)超大城市（城市群）的災(zāi)害相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該既是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?zhuān)業(yè)化系統(tǒng)，又是開(kāi)放的系統(tǒng)，可以有多模塊化觀測(cè)和層面觀測(cè)的加入。因此，超大城市（城市群）觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路應(yīng)該分基本層面的觀測(cè)和多拓展層面的觀測(cè)。

3.1基本層面的觀測(cè)

基本層面的觀測(cè)包括所有的超大城市（城市群）氣象觀測(cè)體系，同時(shí)為了發(fā)揮超大城市（城市群）觀測(cè)系統(tǒng)的最大潛力，必須仔細(xì)考慮觀測(cè)所需的設(shè)備和整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)，包括設(shè)備類(lèi)型、位置和技術(shù)參數(shù)等。另外，不同觀測(cè)設(shè)備的相互配合相比單一設(shè)備的觀測(cè)可以發(fā)揮更大的作用。因此需要合理安排觀測(cè)設(shè)備的類(lèi)型、數(shù)量以及安放位置。同時(shí)所有觀測(cè)系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)（描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)）也非常重要，尤其對(duì)于設(shè)備升級(jí)和觀測(cè)環(huán)境改變等情況。超大城市（城市群）觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)首先要對(duì)觀測(cè)目標(biāo)和觀測(cè)目的有一個(gè)清晰的理解，因?yàn)檫@對(duì)于研究和業(yè)務(wù)中如何使用這些觀測(cè)數(shù)據(jù)十分重要，所以需要一個(gè)方法去客觀評(píng)價(jià)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該包含三個(gè)方面：應(yīng)用、觀測(cè)和模擬。在現(xiàn)代城市中最重要的觀測(cè)目標(biāo)是大氣化學(xué)和高影響天氣。按照這個(gè)目標(biāo)，最重要的變量包括：地表通量、大氣熱動(dòng)力特征、全相態(tài)水成物、空氣質(zhì)量參數(shù)（氣溶膠光學(xué)和微物理屬性）。對(duì)于城市復(fù)雜的下墊面條件，對(duì)這些變量的觀測(cè)需要獲得其三維分布信息。垂直尺度從地面到低對(duì)流層，時(shí)間分辨率達(dá)到小時(shí)級(jí)甚至分鐘級(jí)。

在觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)利用已有的觀測(cè)或模式結(jié)果充分考慮超大城市（城市群）的當(dāng)前天氣和氣候統(tǒng)計(jì)特征，進(jìn)而明確對(duì)于超大城市（城市群）重要的上游區(qū)域和敏感點(diǎn)。根據(jù)這些信息確定觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的疏密程度和覆蓋范圍以及不同設(shè)備之間的搭配方式。通過(guò)影響研究或觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（OSSEs）分析不同設(shè)計(jì)方案（密度、覆蓋范圍、設(shè)備類(lèi)型）對(duì)預(yù)報(bào)的提升作用。結(jié)合幾類(lèi)有代表性的超大城市（城市群）高影響天氣事件，如臺(tái)風(fēng)和暴雨，確定所關(guān)心預(yù)報(bào)對(duì)象的預(yù)報(bào)敏感區(qū)，通過(guò)一定數(shù)量的數(shù)值試驗(yàn)，從模擬觀測(cè)和實(shí)際觀測(cè)兩條途徑來(lái)分析敏感目標(biāo)區(qū)加強(qiáng)觀測(cè)對(duì)高影響天氣預(yù)報(bào)的可能影響。適應(yīng)性觀測(cè)結(jié)果可能因季節(jié)、地域、天氣系統(tǒng)時(shí)空尺度以及數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的差異而不同。評(píng)估不同適應(yīng)性觀測(cè)方法對(duì)城市高影響天氣數(shù)值預(yù)報(bào)的適用范圍，為建設(shè)超大城市（城市群）交互式觀測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供合理的可行性分析。

觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要考慮土壤和地表的原位傳感器和遙感系統(tǒng)的配合。地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)達(dá)到一定密度以滿足一些氣象參數(shù)的網(wǎng)格化需求，如溫度和降水。同時(shí)也需要在一些點(diǎn)增加土壤濕度、地表通量和輻射的測(cè)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(duì)超大城市（城市群）中不同服務(wù)目的，應(yīng)考慮不同環(huán)境下的觀測(cè)，如溫度的觀測(cè)應(yīng)有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的觀測(cè)（百葉箱），也應(yīng)有樹(shù)蔭下、建筑遮擋處、完全暴露在不同下墊面上的觀測(cè)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(duì)不同路面（柏油、水泥、土路和砂石路等）摩擦系數(shù)的觀測(cè)是保證交通安全的必要手段。對(duì)于降水的觀測(cè)，除了常規(guī)氣象站觀測(cè)外，還應(yīng)針對(duì)城市安全運(yùn)行需求在不同代表性的區(qū)域放置測(cè)雨裝置，甚至在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（排澇泵、高架下匝道、地下通道等低洼處）放置積水深度觀測(cè)設(shè)備。對(duì)于風(fēng)的觀測(cè)，一方面要獲得不同高度的風(fēng)，手段包括風(fēng)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(cè)風(fēng)，另一方面要關(guān)注街區(qū)尺度的風(fēng)的變化，這是因?yàn)槌鞘薪ㄖ至?，空氣流?dòng)會(huì)形成“狹管效應(yīng)”，在建筑之間有可能存在急流、強(qiáng)風(fēng)等影響城市安全的現(xiàn)象。對(duì)于城市街區(qū)尺度的觀測(cè)設(shè)計(jì)，應(yīng)在城市的建筑之間以及建筑頂部布置溫濕觀測(cè)設(shè)備，同時(shí)考慮盛行風(fēng)向的影響應(yīng)建設(shè)順風(fēng)成線觀測(cè)陣列。同時(shí)在沿海的大城市更應(yīng)該關(guān)注臺(tái)風(fēng)對(duì)城市的影響觀測(cè)，涉及的觀測(cè)內(nèi)容主要包括風(fēng)和降水等參數(shù)。

由于城市環(huán)境下復(fù)雜的小尺度特征（建筑物、建筑稠密度和形狀、植被類(lèi)型），足跡的測(cè)量與氣象條件密切相關(guān)。不同變量的足跡也是不同的，考慮能量閉合時(shí)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(cè)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(guān)儀和輻射觀測(cè)設(shè)備測(cè)量人為熱通量，同時(shí)考慮模式驗(yàn)證和改進(jìn)的需求做通量升尺度測(cè)量，進(jìn)行城市冠層參數(shù)化測(cè)試，利用衛(wèi)星和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取地面溫度場(chǎng)信息。

圖2　傳感器觀測(cè)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(lái)，很多主被動(dòng)的遙感技術(shù)已經(jīng)在城市觀測(cè)中得到了應(yīng)用。像微波輻射計(jì)（MWRs） 和傅里葉傳輸紅外光譜儀（FTIR） 這些被動(dòng)遙感設(shè)備可以獲得溫濕廓線，但這些技術(shù)的最大缺陷是對(duì)初值的依賴進(jìn)而造成結(jié)果的不唯一性。另外由于遙感反演的獨(dú)立信息受到輻射傳輸方程核函數(shù)寬度的限制，微波輻射計(jì)在大氣邊界層范圍內(nèi)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(jié)果［19］。這種技術(shù)無(wú)法獲得城市邊界層的細(xì)微結(jié)構(gòu)。另一種被動(dòng)遙感技術(shù)全球定位系統(tǒng)（GPS）接收信號(hào)中的相位延遲和彎曲角數(shù)據(jù)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(cè)量精度，其中傾斜延遲包含更豐富的低層水汽場(chǎng)信息，使用層析技術(shù)也可以獲得三維水汽場(chǎng)，也可以直接同化在數(shù)值預(yù)報(bào)中，但傾斜延遲信息的同化效果還需進(jìn)一步研究。在GPS 建站的時(shí)候，應(yīng)考慮周?chē)膬艨涨闆r和電磁環(huán)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(huì)有限制。樓頂?shù)腉PS基座在大樓建設(shè)時(shí)就會(huì)考慮，會(huì)將基座和大樓整體澆筑在一起，如果是在已有的樓頂建設(shè)，也要構(gòu)筑一個(gè)2m左右高度的基座，和樓頂澆筑在一起，以確保穩(wěn)定性。

光學(xué)和微波主動(dòng)遙感技術(shù)可以達(dá)到對(duì)城市邊界層細(xì)微觀測(cè)的目的。激光雷達(dá)具有很高的時(shí)空分辨率，多普勒激光雷達(dá)能夠獲得大氣動(dòng)力變量，拉曼雷達(dá)和差分吸收雷達(dá)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(dá)還能夠獲得城市氣溶膠的光學(xué)屬性，結(jié)合最新的掃描動(dòng)力系統(tǒng)可以獲得這些參數(shù)的三維分布，同時(shí)時(shí)間分辨率可達(dá)到小時(shí)級(jí)甚至分鐘級(jí)。其反演技術(shù)可以獲得更高精度的結(jié)果。

微波波段的雷達(dá)可以獲得云和降雨的微物理信息，在定量降水估計(jì)（QPE）和預(yù)報(bào)（QPF）中發(fā)揮了重要的作用，而雙偏振雷達(dá)能夠獲得包括云或降水滴譜分布在內(nèi)的更多信息。在極端天氣預(yù)警和降水機(jī)制研究中由于其高精度和高時(shí)空分辨率，能夠發(fā)揮更大作用。常規(guī)雷達(dá)對(duì)大中尺度天氣系統(tǒng)（例如3km以上的颮線）的觀測(cè)表現(xiàn)很好，但它的時(shí)空分辨率有限，另外對(duì)低空的觀測(cè)能力也不足，而這些要素正是超大城市（城市群）觀測(cè)的最大需求。小型雷達(dá)組網(wǎng)可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，X波段和C波段組網(wǎng)觀測(cè)可以獲得高時(shí)空分辨率的降水信息，配合激光雷達(dá)觀測(cè)可以對(duì)超大城市（城市群）高影響的降水和大風(fēng)天氣起到監(jiān)測(cè)和預(yù)警作用。與傳統(tǒng)雷達(dá)相比，這種觀測(cè)十分有利于小尺度極端天氣的探測(cè)，可以提供更精確的定量降水估計(jì)和短期定量降水預(yù)報(bào)。在雷達(dá)網(wǎng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮多用戶以及多應(yīng)用需要，如降水預(yù)報(bào)、數(shù)值同化、大型活動(dòng)服務(wù)及災(zāi)害天氣臨近預(yù)報(bào)。因此與該雷達(dá)網(wǎng)相配合的觀測(cè)還應(yīng)包括閃電定位測(cè)量和衛(wèi)星以及布點(diǎn)觀測(cè)。風(fēng)廓線儀可以獲得對(duì)流層內(nèi)高時(shí)空分辨率的風(fēng)和反射率廓線，但數(shù)據(jù)質(zhì)量受降水的影響較大。多種雷達(dá)相互配合在超大城市（城市群）觀測(cè)中能夠發(fā)揮更大作用。目前多家天氣預(yù)報(bào)中心（如德國(guó)氣象局和瑞士氣象局）已經(jīng)在業(yè)務(wù)中使用了垂直指向的雷達(dá)系統(tǒng)。

不同天氣條件下需要不同的大氣垂直信息。對(duì)于已有的或鄰近的降雨事件，常規(guī)雷達(dá)發(fā)揮了重要作用，但對(duì)正在發(fā)展的天氣系統(tǒng)，能夠獲取高時(shí)空分辨率風(fēng)、溫、濕廓線和大氣穩(wěn)定度等熱動(dòng)力信息的激光雷達(dá)更有效。這兩種設(shè)備的相互補(bǔ)充可以獲得更多的信息。因此首先要確保觀測(cè)、分析、模擬和應(yīng)用之間相互匹配。

在超大城市（城市群）中還應(yīng)考慮建立幾個(gè)測(cè)試基地和對(duì)應(yīng)不同目標(biāo)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，包括背景站、城市尺度站和街區(qū)尺度站。為保障地區(qū)大氣污染、重污染天氣預(yù)警預(yù)報(bào)和精細(xì)化預(yù)報(bào)的正常開(kāi)展，以及中小尺度監(jiān)測(cè)、臨近預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警分析、發(fā)布、檢驗(yàn)和模式預(yù)報(bào)等提供重要支撐。采用多種手段測(cè)量城市邊界層高度，如激光雷達(dá)、云高儀、聲雷達(dá)和風(fēng)廓線儀，測(cè)試不同遙感手段（光學(xué)和微波）的特性和配合觀測(cè)效果。建立一個(gè)激光雷達(dá)網(wǎng)并在幾個(gè)關(guān)鍵位置增加掃描功能，能夠獲得氣溶膠光學(xué)屬性以及溫濕分布。由于初始條件對(duì)于模式預(yù)報(bào)的結(jié)果具有重要影響，因此觀測(cè)的三維氣象參數(shù)對(duì)于提高初始場(chǎng)精度很關(guān)鍵。進(jìn)行氣溶膠吸濕性和不同尺度粒子吸濕增長(zhǎng)因子的測(cè)量，這在霾天氣預(yù)報(bào)中非常重要。多種地面氣溶膠測(cè)量設(shè)備應(yīng)和常規(guī)觀測(cè)協(xié)同觀測(cè)。在塔上分層次安裝輻射測(cè)量設(shè)備獲得氣溶膠和其他城市大氣因子對(duì)輻射的影響。在超大城市（城市群）的敏感地區(qū)應(yīng)建立超級(jí)站，站內(nèi)包含地面觀測(cè)和遙感的協(xié)同觀測(cè)，另外要有移動(dòng)觀測(cè)，以滿足突發(fā)事件需求，如危險(xiǎn)品泄露、火災(zāi)和化工廠爆炸等。在超大城市（城市群）中尺度觀測(cè)網(wǎng)框架中，還要考慮超大城市（城市群）對(duì)氣候觀測(cè)的影響以及歷史氣候數(shù)據(jù)在超大城市（城市群）氣候服務(wù)中的應(yīng)用問(wèn)題。鑒于人類(lèi)對(duì)氣候系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的深化和對(duì)氣候變化問(wèn)題強(qiáng)烈的關(guān)注，應(yīng)參照全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)（GCOS），采取地基觀測(cè)與空基觀測(cè)、直接測(cè)量與遙感相結(jié)合的方法探測(cè)整個(gè)氣候系統(tǒng)。表5列出以上基本觀測(cè)所涉及的儀器設(shè)備的一些功能參數(shù)。

表5　基本觀測(cè)儀器設(shè)備的功能參數(shù)Table 5 The functional parameters of the instruments for basic measurements

3.2多拓展層面的觀測(cè)

多拓展層面的觀測(cè)在超大城市（城市群）氣象觀測(cè)體系中更多偏重城市參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)和高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)。超大城市（城市群）綜合氣象觀測(cè)網(wǎng)所涉及的影響預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的一個(gè)關(guān)鍵要素是暴露度數(shù)據(jù)。暴露度指的是領(lǐng)域內(nèi)可能發(fā)生危險(xiǎn)事件時(shí)可能會(huì)受到影響的對(duì)象。如果人口和經(jīng)濟(jì)資源沒(méi)有處于（暴露）潛在危險(xiǎn)的范圍內(nèi)，就不存在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。暴露是決定風(fēng)險(xiǎn)的必要因素，但不是充分因素。暴露是與時(shí)間（t）和空間（x）相關(guān)的。影響預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的一個(gè)關(guān)鍵要素是脆弱性，它是指暴露的敏感性元素，比如人類(lèi)，他們的生命和財(cái)產(chǎn)遭受不利影響時(shí)影響的風(fēng)險(xiǎn)。脆弱性與素質(zhì)、敏感、脆弱、弱點(diǎn)、不足或缺乏能力等易于遭受不利影響的因素有關(guān)。脆弱性是隨情況而變的，與危害交互產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。因此脆弱性也可能依賴于時(shí)間和空間。脆弱性評(píng)估可以提供理想的基礎(chǔ)設(shè)施脆弱性數(shù)據(jù)來(lái)源。風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)是根據(jù)暴露風(fēng)險(xiǎn)和脆弱性對(duì)人類(lèi)，生命和資產(chǎn)造成的危害的概率和大小。風(fēng)險(xiǎn)的大小可以通過(guò)減少暴露度和脆弱性而降低。然而，氣象學(xué)家通常不會(huì)了解脆弱性、暴露度和突發(fā)災(zāi)害管理。因此，必須有政府、國(guó)際組織、科研機(jī)構(gòu)和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的合作和支持才能做出有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提高監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)對(duì)災(zāi)害的能力。需要與城市安全有直接責(zé)任的組織建立關(guān)鍵合作伙伴關(guān)系。他們可以幫助評(píng)估暴露度、潛在影響和應(yīng)急措施。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)是基于特定天氣條件、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、地理信息和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等多種因素制訂的，包括風(fēng)險(xiǎn)信息、暴露度和脆弱性信息，同時(shí)也需要一種手段來(lái)監(jiān)控和應(yīng)對(duì)不斷變化的情況，以確保信息的更新。同時(shí)觀測(cè)方案可能也需要不斷調(diào)整，以便把更新的數(shù)據(jù)應(yīng)用到預(yù)測(cè)系統(tǒng)中。

應(yīng)該看到，隨著氣象服務(wù)社會(huì)化進(jìn)展，僅靠氣象部門(mén)的數(shù)據(jù)很難滿足各行各業(yè)及公眾對(duì)氣象服務(wù)的需求。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，遍布城市的工業(yè)設(shè)備、汽車(chē)、電表上有著無(wú)數(shù)的數(shù)碼傳感器，隨時(shí)測(cè)量和傳遞著有關(guān)位置、溫度、濕度乃至空氣中化學(xué)物質(zhì)的變化。這些信息都可以用于超大城市（城市群）氣象觀測(cè)和服務(wù)。氣象數(shù)據(jù)要和行業(yè)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)才更能發(fā)揮作用。例如，預(yù)報(bào)降雨對(duì)大壩的影響，就必須了解當(dāng)?shù)氐匦?、周邊設(shè)施、上下游情況等。如今，簡(jiǎn)單的晴雨氣溫預(yù)報(bào)早已無(wú)法滿足社會(huì)的需要。針對(duì)不同領(lǐng)域、不同行業(yè)、不同群體，氣象部門(mén)要制作相應(yīng)的氣象產(chǎn)品，例如提供給政府的決策氣象服務(wù)，水利、電力、交通、農(nóng)業(yè)等部門(mén)對(duì)氣象也各有需求，各類(lèi)企業(yè)對(duì)氣象信息的需求也不一樣，有的關(guān)注降水，有的關(guān)注氣溫，有的關(guān)注災(zāi)害，有的關(guān)注風(fēng)速風(fēng)向，而且在不同時(shí)間、不同地域，各行各業(yè)對(duì)氣象的需求也不一樣。氣象產(chǎn)品越來(lái)越龐雜，內(nèi)容越來(lái)越豐富，也構(gòu)成了氣象大數(shù)據(jù)中的一部分。針對(duì)能源方面，可以通過(guò)分析電力負(fù)荷歷史，加上氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行用電量估算；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以通過(guò)某一地的農(nóng)耕歷史加上氣候信息就可以進(jìn)行農(nóng)作物結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)；對(duì)于交通運(yùn)輸，航班準(zhǔn)點(diǎn)率歷史加上機(jī)場(chǎng)歷史天氣特征，就可以得到航班延誤預(yù)測(cè)；結(jié)合公共衛(wèi)生，通過(guò)門(mén)診量和藥品銷(xiāo)量加上氣象歷史就可以推測(cè)發(fā)病率趨勢(shì)。一般公眾對(duì)天氣預(yù)報(bào)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(xì)、更準(zhǔn)確、更長(zhǎng)時(shí)效的預(yù)報(bào)，甚至需要?dú)庀蟛块T(mén)直接指導(dǎo)他們的生活。需要突破數(shù)據(jù)不能充分共享以及共享渠道阻塞成為大數(shù)據(jù)時(shí)代下不可忽視的難題。事實(shí)上，氣象信息、高精度的地理信息是受到法律保護(hù)的具有較高機(jī)密級(jí)別的信息。除此之外，各行各業(yè)都握有大量的行業(yè)數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)往往局限在部門(mén)內(nèi)部，很難流通。在實(shí)現(xiàn)氣象大數(shù)據(jù)的過(guò)程中，“數(shù)據(jù)壁壘”是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的障礙。氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)在進(jìn)行融合處理后會(huì)進(jìn)入信息數(shù)據(jù)庫(kù)，使用者可以根據(jù)自身的安全等級(jí)獲得相應(yīng)安全等級(jí)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行延伸使用。如何令有關(guān)管理部門(mén)和責(zé)任人確信這些數(shù)據(jù)是安全的，是打通數(shù)據(jù)孤島的必要科學(xué)性問(wèn)題。需要建立雙方及多方的信息基礎(chǔ)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，對(duì)各個(gè)行業(yè)的數(shù)據(jù)都需要融合深度分析。真正做到數(shù)據(jù)共享，才能更大地實(shí)現(xiàn)氣象大數(shù)據(jù)的價(jià)值，從而更大程度減輕災(zāi)害損失，為社會(huì)創(chuàng)造更多的財(cái)富。

3.3超大城市（城市群）觀測(cè)網(wǎng)服務(wù)應(yīng)用

城市是人口、經(jīng)濟(jì)要素和社會(huì)活動(dòng)高度密集的載體。大氣與城市人群、城市生態(tài)、城市經(jīng)濟(jì)的相互作用必然會(huì)影響到城市的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)發(fā)展。為促進(jìn)氣象信息服務(wù)市場(chǎng)發(fā)展，滿足日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求，在對(duì)現(xiàn)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(chǔ)上，需要制訂超大城市（城市群）氣象資料和產(chǎn)品開(kāi)放共享政策。需要解決的問(wèn)題包括在資料開(kāi)放是否應(yīng)征求軍隊(duì)和安全部門(mén)意見(jiàn)、是否應(yīng)分批逐步開(kāi)放、涉外開(kāi)放策略、用戶分類(lèi)管理、對(duì)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)影響及資料服務(wù)能力建設(shè)等方面。通過(guò)制訂超大城市（城市群）基本氣象資料和產(chǎn)品面向社會(huì)開(kāi)放目錄和使用政策，完善基本氣象資料和產(chǎn)品開(kāi)放共享平臺(tái)，促進(jìn)氣象信息資源共享和高效應(yīng)用。超大城市（城市群）氣象綜合觀測(cè)網(wǎng)應(yīng)考慮建設(shè)面向全社會(huì)的氣象服務(wù)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，提高全社會(huì)氣象服務(wù)信息利用能力和水平。建立氣象觀測(cè)資料獲取、存儲(chǔ)、使用監(jiān)管制度，維護(hù)氣象數(shù)據(jù)安全。制訂氣象信息資源產(chǎn)權(quán)保護(hù)和激勵(lì)政策，加強(qiáng)氣象信息資源產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

為了充分發(fā)揮超大城市（城市群）綜合觀測(cè)的作用和效益，應(yīng)積極引導(dǎo)氣象信息服務(wù)和氣象科普等氣象服務(wù)消費(fèi)，形成不同層面、不同群體的城市氣象服務(wù)市場(chǎng)消費(fèi)主體。利用市場(chǎng)機(jī)制，改進(jìn)氣象服務(wù)供給方式。推行政府購(gòu)買(mǎi)、附加商業(yè)價(jià)值開(kāi)發(fā)等氣象服務(wù)供給方式，實(shí)現(xiàn)氣象服務(wù)供給主體和供給方式多元化。推動(dòng)將公共氣象服務(wù)納入各級(jí)政府向社會(huì)力量購(gòu)買(mǎi)公共服務(wù)的指導(dǎo)性目錄，制訂政府購(gòu)買(mǎi)公共氣象服務(wù)管理辦法，開(kāi)展政府購(gòu)買(mǎi)公共氣象服務(wù)。制訂鼓勵(lì)和支持社會(huì)資本參與公共氣象服務(wù)提供以及公共氣象服務(wù)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的相關(guān)政策，探索建立公共氣象服務(wù)設(shè)施社會(huì)化運(yùn)營(yíng)管理機(jī)制。探索超大城市（城市群）氣象服務(wù)產(chǎn)業(yè)示范園或示范基地建設(shè)，鼓勵(lì)和引導(dǎo)各類(lèi)市場(chǎng)主體參與氣象服務(wù)產(chǎn)品市場(chǎng)和氣象服務(wù)技術(shù)、資本、人才、信息、產(chǎn)權(quán)、版權(quán)等要素市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。建立氣象服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況統(tǒng)計(jì)和信息發(fā)布制度。

以世界氣象組織服務(wù)提供戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃為指導(dǎo)框架，對(duì)接國(guó)際社會(huì)氣象和水文部門(mén)（NMHS）的氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，建立以用戶為導(dǎo)向，涵蓋監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、需求獲取、產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品制作、服務(wù)提供、服務(wù)反饋、服務(wù)改進(jìn)等服務(wù)環(huán)節(jié)的氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系。通過(guò)建立符合ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量管理體系（QMS）來(lái)驅(qū)動(dòng)服務(wù)改進(jìn)，促進(jìn)氣象服務(wù)企業(yè)更好地為用戶提供國(guó)際化、高標(biāo)準(zhǔn)的天氣、氣候相關(guān)服務(wù)。加強(qiáng)公眾氣象服務(wù)、專(zhuān)業(yè)氣象服務(wù)、氣象工程服務(wù)等的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，形成以標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)市場(chǎng)、以標(biāo)準(zhǔn)管理市場(chǎng)的制度體系。

4　結(jié)論

超大城市（城市群）氣象觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜而宏大的工程，應(yīng)從科學(xué)的基礎(chǔ)性、技術(shù)的可用性和服務(wù)的導(dǎo)向性等方面綜合考慮，在設(shè)計(jì)之初應(yīng)有比較全面系統(tǒng)的安排，同時(shí)在后續(xù)的應(yīng)用過(guò)程中還應(yīng)該根據(jù)新的情況和需求不斷補(bǔ)充和完善。

本文從超大城市（城市群）觀測(cè)的需求、布局的科學(xué)性、新設(shè)備的應(yīng)用、大數(shù)據(jù)背景下的數(shù)據(jù)應(yīng)用和服務(wù)等方面給出了超大城市（城市群）綜合觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)思路。為了全面了解超大城市復(fù)雜的下墊面及其對(duì)邊界層和中小尺度天氣系統(tǒng)的影響，提出了超大城市（城市群）氣象觀測(cè)網(wǎng)需要包括城市邊界層觀測(cè)系統(tǒng)、城市參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)、大氣環(huán)境及高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)和災(zāi)害天氣觀測(cè)系統(tǒng)等四大系統(tǒng)。在具體觀測(cè)內(nèi)容上，不僅要考慮到基本層面的觀測(cè)，即常規(guī)地氣系統(tǒng)信息的觀測(cè)，還要顧及以城市參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)和高影響要素觀測(cè)系統(tǒng)為代表的多拓展層面的觀測(cè)。尤其應(yīng)該注意這些觀測(cè)數(shù)據(jù)的服務(wù)應(yīng)用，以最大限度發(fā)揮出超大城市（城市群）綜合觀測(cè)的作用和效益。

按照中國(guó)今后的城市化進(jìn)程，城市安全和智能化、個(gè)性化的氣象服務(wù)保障越來(lái)越迫切地?cái)[在眼前，建立一個(gè)以氣象為核心的科學(xué)、全面、智能的綜合觀測(cè)網(wǎng)是滿足城市發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的有力支撐。

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

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［19］WMO. GAW Report No. 208， WMO GURME Workshop on Urban Meteorological Observation Design， 2013.

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(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（16ZR1431700）