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

這種監(jiān)測非常復(fù)雜且極富挑戰(zhàn)性。監(jiān)測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站，以及越來越多在海上漫游的機(jī)器人平臺艦隊。

持續(xù)監(jiān)測的地球系統(tǒng)包括：

監(jiān)測氣候可以很簡單，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16米的高度進(jìn)行觀測。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和被動傳感技術(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)的各個層次 - 從軌道、穿過大氣層、到達(dá)陸地，最后潛入海洋。

ECV衛(wèi)星監(jiān)測

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。美國國家航空航天局 (NASA)、美國國家海洋和大氣局 (NOAA) 以及歐洲航天局 (ESA) 擁有160多顆衛(wèi)星，監(jiān)測氣候變化的各個方面，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)星上的儀器對大氣中的氣溶膠進(jìn)行了第一次全球測量，這些氣溶膠來自火山、沙塵暴等自然來源，以及化石燃料燃燒等人為來源。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)過程。來自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，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，是通過計算海面高度得出的。通過對在同一軌道上運行的衛(wèi)星所收集的數(shù)十萬個高度測量值進(jìn)行平均，可以確定全球平均海平面及其隨時間的變化，精度可以達(dá)到毫米級。

60GHz附近的衛(wèi)星遙感可以通過測量氧分子發(fā)出的輻射來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。國際電信聯(lián)盟 (ITU) 分配在57GHz至59.3GHz的非獨占無源頻率用于氣象和氣候傳感應(yīng)用中的大氣監(jiān)測。由于地球大氣中氧的吸收和釋放特性，這一點非常重要。

空中大氣監(jiān)測

衛(wèi)星通過地面?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，并通過無線電探空儀直接從氣球和飛機(jī)上進(jìn)行監(jiān)測。無線電探空儀是一種電池供電的遙測儀器，通常由氣象氣球攜帶到大氣層。它測量各種大氣參數(shù)，并通過無線電將其傳輸?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）。

測量臭氧濃度的無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)向信息時其位置被跟蹤的無線電探空儀被稱為無線電探空測風(fēng)儀（雷達(dá)氣球）。大多數(shù)無線電探空儀都有雷達(dá)反射器，可用作無線電探空測風(fēng)儀。從飛機(jī)上投下的，而不是由氣球攜帶的無線電探空儀是一種下投式探空儀。

全球大約有1,300個無線電探空儀發(fā)射場。大多數(shù)國家通過一系列國際協(xié)議共享數(shù)據(jù)。大多數(shù)無線電探空儀的發(fā)射時間比0000協(xié)調(diào)世界時 (UTC) 和1200 UTC的官方觀測時間提前45分鐘，提供即時的全球大氣快照。這對于大氣條件和氣候變化的數(shù)字建模特別重要。

無線電探空儀還可以包括收集高空空氣樣本，以便在實驗室進(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濃度會影響大氣捕捉太陽輻射的能力。

陸基監(jiān)測

陸基感測是最成熟的氣候變化監(jiān)測形式。一個由數(shù)千個自動地面觀測系統(tǒng) (ASOS) — 例如機(jī)場、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)測地面空氣狀況。ASOS裝置每小時測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得的。ASOS用來監(jiān)測地面大氣狀況的典型儀器包括雨量計，用來測量降落到地球表面的降水量。日射強(qiáng)度計測量到達(dá)地球表面的太陽能量。氣壓計持續(xù)監(jiān)測氣壓。

風(fēng)是按水平速度和方向測量的矢量值；風(fēng)速計測量速度，而風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)向袋測量風(fēng)向。濕度是另一個多維氣候變量；濕度計用于測量絕對和相對濕度。絕對濕度是指大氣中水汽的實際含量。相對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)被用來監(jiān)測暴風(fēng)雨。美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 在美洲大陸擁有159個多普勒雷達(dá)塔，可以監(jiān)測降水量、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

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

Argo的浮子是1.3米長的機(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。一個機(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用，但浮子可以自動運行五年，即使在風(fēng)暴期間，船舶停泊在港口時它們也能繼續(xù)工作。

最新的Argo浮子是國家科學(xué)基金會資助的南大洋碳和氣候觀測與建模 (SOCCOM) 項目的一部分。南大洋由于其內(nèi)部和周圍的獨特現(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。它們測量：

總結(jié)

在全球范圍內(nèi)監(jiān)測幾十種ECV是一項復(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站，以及越來越多在海上漫游的機(jī)器人監(jiān)測平臺艦隊。這還需要國家之間的協(xié)調(diào)與合作。

衛(wèi)星是這項工作的關(guān)鍵，它為超過一半的ESV提供詳細(xì)觀測，監(jiān)測氣候變化的各個方面，包括大氣條件、溫度、海洋條件和海平面變化。全世界有1300個無線電探空儀發(fā)射場在監(jiān)測高層大氣，大多數(shù)國家通過一系列國際協(xié)議共享數(shù)據(jù)。大多數(shù)無線電探空儀的發(fā)射時間比0000協(xié)調(diào)世界時 (UTC) 和1200 UTC的官方觀測時間提前45分鐘，提供即時的全球大氣快照，支持大氣條件和氣候變化的數(shù)字建模。

對低層大氣的陸基感測是最成熟的氣候變化監(jiān)測形式。地面空氣狀況由數(shù)千個自動地面觀測系統(tǒng) (ASOS) 裝置組成的全球網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測。ASOS站點每小時測量各種氣候變量多達(dá)12次。最后，越來越多的機(jī)器人浮標(biāo)和浮子使用生物地球化學(xué)傳感器來監(jiān)測世界海洋，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