气象大气综合监测自动化系统工程项目可行性研究报告.docx

1、气象大气综合监测自动化系统工程项目可行性研究报告气象（大气）综合监测自动化系统工程项目可行性研究报告1.项目背景1.1前言气象观测是气象工作的基础，也是发挥“公共气象、安全气象、资源气象”作用的关键。国民经济和社会发展正在不断地对气象业务、服务和科研工作提出许多新的更高要求，为了适应这种需要，进一步提升气象观测能力、增加观测内容、提高观测精度，把观测范围从大气圈扩展到包括大气圈、海洋圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈的整个气候系统已是势在必行。本可行性研究报告是在中国气象事业发展战略研究的指导下，针对未来5年的发展需求和可能，在现有基础上进行研究和编制的。从全面、协调、统一的要求出发，围绕实现“建立一

2、体化观测体系和构建气候系统观测平台”的目标，提出了建立和完善包括地面、高空、大气成分、生态气候、海洋气象等观测分系统，以及配套的通信网络和技术保障等分系统的建设。1.2需求与必要性分析（1）国家防灾减灾的迫切需要在全球气候变化的背景下，我国气象灾害及其衍生灾害，如干旱、洪涝、台风、沙尘暴等频繁发生，气象灾害造成的经济损失在一般年份每年高达420510亿。加强防灾减灾，迫切需要天气气候预报预测有足够的提前量和精细度（定时、定点、定量），使决策者在其有效的反应时间内采取措施，保护人民生命和财产安全，这也对现有的大气探测系统提出了新的更高要求。（2）社会发展和人民生活水平提高的迫切需要粮食安全、农业

3、发展、生态环境保护、气象资源利用、城市化进程加快、交通发展、海洋经济发展、重大工程建设等，都离不开准确的天气预报、气候预测和评估；核泄漏等重大突发事件，其危害程度与天气条件密切相关；许多流行病的分布与环境气候条件有关，为减少气候变化对人类健康的负面效应及突发事件对生命的危及，对气象保障服务提出了新的要求。这一切都迫切需要增强气象综合监测能力。（3）开展精细预报、提高预报准确率的迫切需要为提高天气预报和气候预测的准确率，特别是数值预报模式和动力气候模式的发展，需要一套完善的观测系统来支撑，这套观测系统应具有各种尺度的大气和地球表面状态要素、参数和制约其变化的物理、化学、生物因子的监测能力。但是，

4、我国现有观测站网还有局限性，特别是气候系统五大圈层间交互影响的监测、诊断能力还很薄弱，因此需要增强此方面的能力建设。（4）适应全球气候变化预测对观测的需求全球气候变化对我国生态、资源、环境等产生的负面效应日益彰显，给我国经济社会的可持续发展带来难以逆转和持久的影响。对其进行准确的预测与评估，对气象观测提出了新的需求。我国面临的资源与环境问题十分严重，生态环境受气候系统各圈层相互作用及其变化的影响明显，因此需加强对气候系统的演变过程的模拟和演变趋势的预测能力，以尽可能防止天气、气候和气候变化导致的生态和环境灾难的发生。（5）认识气候系统更深层次基本科学问题的需要重大灾害性天气预报的理论和方法，气

5、候变化（包括气候突变）的预估及其应对策略等，这需要大气科学与其它相关学科的交叉融合，通过对相关科学的进一步研究才有可能得到解决。因此，气象观测系统应能够获取与气象有关的地球物理参数和生物地球化学参数，这些数据既是大气科学发展的需要，也是地球科学和可持续发展科学发展的重要基础。（6）国际合作与交流的需要全球气候变化问题已不仅仅是单个国家或大陆的问题，而是人类共同面临的难题。肆虐东北亚的沙尘暴引起了我国周边国家的关注，迫切需要加强国际合作和交流，以解决困扰人类的难题。气候变化问题，特别是国际减排份额的分配，还使我国的环境外交面临挑战和压力，因此需要充分利用气候变化观测事实、情景预测和影响评估的科研

6、成果，以维护我国和广大发展中国家的权益，也才有可能为保护生存环境、合理调控能源结构发挥气象保障的作用。1.3监测系统的发展现状通过几十年来气象事业的建设和发展，我国气象观测网初具规模，探测手段也有了很大改进，已成为世界气象组织世界天气监视网和全球气候监测系统的有机组成部分，在国际合作及我国的经济社会发展、国家安全和防灾减灾中发挥了重要作用。但总体水平与气象事业发展的需求还有较大差距，与国际先进水平相比仍存在很大差距，主要表现在：气象台站分布不太均匀；高原、沙漠、高山及海洋等天气气候敏感地区存在监测的空白；反映各圈层相互作用及变化的气候观测系统还很不完善；一些观测数据采集手段和信息传输设备落后，

7、能够获取的数据在时空分辨率、观测精度、观测项目及观测数据的连续性、完整性等方面尚不能满足气象业务、服务与研究的需要；高空探测系统还很薄弱，还没有形成地基、空基、天基相互补充、综合协调的统一观测体系，气象综合观测的能力亟待增强。1.4监测技术的发展趋势近年来，大气监测技术取得了显著的发展，主要表现在：探测能力显著增强，观测自动化水平迅速提高，重视观测方法、观测网的设计，以及观测仪器的配合，遥测和遥感等观测技术并存，各取所长，综合利用。监测技术总的发展趋势是：向综合探测方向发展，如地基与空基、天基，遥测和遥感，常规与非常规观测等；向系统性方向发展，研制和开发新型设备，从而集信息的获取、预处理及传输

8、为一体化；向遥测遥感自动化方向发展，自动化遥测遥感设备将逐步取代器测和部分目测项目；向高精度方向发展，时空分辨率和探测数据准确性不断提高；探测仪器向多功能、小型化方向发展。1.5本项目与其它相关部分之间的关系1.5.1 与一期工程关系大气监测自动化系统的建设是一个较大的系统工程项目，为了在有限的目标中发挥更好的效益，整个系统建设分为一期工程和后续工程。一期工程的建设，以满足天气监测为主要需求，以气象常规观测设备的更新换代和自动化为主要目标，通过一期工程建设加快了我国气象探测自动化改造的进程，为后续工程项目的实施奠定了基础，积累了经验。本项目是在充分考虑国家需求、气象事业发展需求、探测技术发展趋

9、势以及一期工程建设的基础上，对现有气象探测系统的进一步完善、创新和拓展，本项目的建设具有如下特点：实现了观测体系的跨越：从部门的、单一的观测系统，向综合性、系统性、一体化的观测体系转变；从以天气监测为主，向气候系统监测的转变。从而实现以大气观测为主向多圈层观测的跨越。拓展了新的观测领域：比如生态气候观测分系统和海洋气象观测分系统所设计的监测网络，高空探测分系统中的电离层和中高层大气的探测等，都是一期工程所未能涉及的领域。强调综合观测平台的建设，重视一站多能、按需配置：例如本项目设计的通量观测平台，配置不同性能的观测仪器，可获取温、湿、风、辐射、气溶胶、温室气体、反应性气体等资料，极大地增强了地

10、-气、海-气相互作用的综合监测能力。增加了观测手段，丰富了观测内容：观测手段多样化，例如臭氧观测中，设计了臭氧光谱仪、臭氧探空、地基平流层臭氧激光雷达、机载对流层臭氧激光雷达等手段，以获取臭氧总量、廓线等丰富观测信息；观测内容得到丰富，例如在现有自动站的配置上增加了土壤水分、能见度、地表状况等的观测内容，在生态观测中设计了对不同下垫面植被的生理特征、土壤的理化特性、水分平衡、陆-气通量等的观测。加强了气象业务的机动性能和应急功能：移动观测项目的开展，利用车载自动气象站、风廓线雷达、激光雷达，微型无人驾驶飞机和飞机探测等手段，除常规气象要素以外，还可获取土壤、气溶胶、反应性气体、云粒子、通量等有

11、关信息。1.5.2与中国气象事业发展的关系气象观测是中国气象事业的重要组成部分，也是气象业务不断发展的基础，气象观测系统的发展需要一系列工程项目的推动，本项目就是推动气象观测现代化的重大项目之一。根据对国家需求的预测和科技发展的预测，中国气象事业发展战略研究科学地凝练出未来20年气象事业发展的战略目标和战略任务，提出了为实现战略目标和战略任务要完成的能力建设八大工程，以及四个平台的建设。本项目将在中国气象事业发展战略研究的指导下，以2010 年发展战略目标为依据，具体完成八大工程之一的气象综合观测系统工程中的中国气象局可完成的部分观测系统建设任务，为构建气候系统观测和气象信息共享等平台奠定基础

12、。1.5.3与中国气候系统观测计划的关系中国气候系统观测计划是一个正在研究中的、拟与国际气候监测系统（GCOS）接轨的、为满足中国气候系统模式创新工程的气候系统模式研制需求的、跨部门、多学科的长期观测计划。在本项目的建设中，将综合考虑与中国气候系统观测计划的衔接，完成其中由中国气象局所承担的任务，在常规气象观测的基础上，突出以大气圈为核心的多圈层相互作用，增加观测项目，丰富观测手段，提高观测精度，为气候预测预报、气候变化研究及对策等提供与气象有关的热量、动量、能量和物质交换等基础性数据。例如气候变化研究和预测评估中关心的水循环问题，本项目的设计予以了强力的支持。由遍布于我国领土（包括海岸线、岛

13、屿）的自动气象站提供雨量、蒸发、土壤含水量等信息，高空站提供湿度廓线、大气水汽柱总量信息，大气成分观测分系统的监测网络可提供降水同位素等观测信息，生态气候分系统的监测网络，除可提供自动气象站信息外，还可获取积雪、冰川（盖）、冻土、海冰、湖冰、河冰，以及不同生态类型地表的蒸渗量信息。根据我国气候特点布设站网，是本项目与中国气候观测系统相结合的重点。如在北京及周边地区建立的监测网络，突出了城市群下垫面对大气质量、区域气候影响的监测功能，除常规观测项目外，还增设了大气边界层观测示范网、电离层和中高层大气探测示范站，强化了集太阳辐射、气溶胶、温室气体、反应性气体、臭氧、干湿沉降为一体的大气成分监测网络

14、，以全新思路设计了大气环境（包括城市空气质量和边界层）、地下水环境（水位和水质）、典型下垫面（物质与能量收支、土壤温湿廓线）、植被（生长量）和下垫面遥感探测相结合的城市生态气候观测网络。这种设计思路也将应用于我国其他典型的气候区域，如青藏高原水循环关键区、黑龙江湿地与森林、内蒙古锡林郭勒草原、新疆沙漠与冰川、甘肃荒漠、陕北干旱地区、长江中下游及洞庭湖区、沿海、以上海和广州等特大城市为中心的经济圈等。2.指导思想（1）紧紧围绕提高气象预报预测准确率和气象服务水平的发展需求来综合考虑监测系统的项目设计，为气象业务、服务、科研提供范围广、种类多、信息量大、精确度高的各种探测信息，并着力增强对气候系统

15、各圈层的综合探测和信息获取能力。（2）坚持和运用科学发展观，以中国气象事业发展战略研究成果为指导，站在国家高度，谋划系统建设；跟踪当前国际上建立地球观测系统的形势，面向气象科技发展的前沿，正确把握气象综合探测系统的发展方向；结合建立中国气候观测系统的计划，落实气象部门承担的建设任务；结合大监一期工程的建设成果，既要与其相衔接，又要在其基础上有所创新和发展。（3）在观测站网的建设上，坚持一站多能，实行一站多用和综合观测，充分发挥气象部门各种站网资源的作用；逐步实现从部门的、单一的观测系统，向综合性、系统性、一体化的观测体系转变和从以天气监测为主，向气候系统监测的转变。（4）坚持效益优先，资源共享

16、。充分重视和发挥气象现代化建设的效益。建立有利于信息共享的标准体系和政策、法规环境，以共享促进应用，最大限度地发挥气象信息对国家发展、经济建设、社会进步和科技创新的支撑作用，充分发挥气象信息在国民经济各部门的资源性作用。（5）坚持先进性、成熟性与可行性的统一。项目建设既要考虑技术的先进性，又要考虑技术的成熟性，还要与全国各地台站的实际情况相结合，并要充分考虑项目在技术、经济、实施等方面的可行性。（6）坚持“硬、软”并重，注重业务应用。在系统设计和建设中，既要重视“硬件”系统建设，更要重视“软件”和应用系统的建设。同时，还要重视数据格式标准和规范的制订、数据质量控制、人才队伍建设和人员技术培训。

17、（7）坚持正确的现代化观，重视系统建设中各子系统间的协调发展。在设计各探测分系统的同时，还要重视通信网络、技术保障和相关基础设施的建设，确保工程建成后系统的整体性，增强系统的整体运转能力和效率。3.项目概况3.1总体建设目标瞄准国际大气探测先进水平，利用各种先进、成熟的探测和信息技术，基本形成门类比较齐全、站网密度适宜、布局合理、自动化程度较高的综合观测体系，初步建立具有较高时、空分辨率和探测精度、运行持续稳定的综合观测网系统，并建立相应技术支持和保障体系。充分发挥综合观测网系统对地球环境的综合监测能力，构建气候系统观测平台，使其初步形成规模，逐步实现对反映气候系统变化特征等五大圈层相互作用过

18、程的综合监测，获取地球物理、大气化学参数以及相关气象要素。建立协调、统一与规范的信息采集和分发系统，并实现多学科、跨部门的资源共享和合作。3.2分系统建设目标3.2.1地面气象观测分系统建设目标建成并完善由自动气象站观测、车载移动观测、辐射观测、卫星遥感地面大气校准监测所组成的地面气象观测业务体系。通过本工程的建设，我国地面气象观测将全面实现自动化。优化组合、合理配置、资源共享，实现多种技术和手段的综合观测，增强观测能力，提高地面气象观测的时空分辨率和准确性，为天气、气候、气候变化等业务的需求和科学研究提供完整、准确的观测资料。3.2.2高空气象探测分系统建设目标实现探空站网由目前单一的、无线

19、电探空测风探测网，向以遥测为基准、遥感为主体的综合高空探测网跨越。高空探测网的探测站集成高空探测系统，遥测测风达到国际先进水平；遥感测风、温、湿的探测实现连续化；在全国展开以微型无人驾驶飞机为平台的机动、应急探测；建立业务化的电离层和中高层探测站点，为发展连续、定点、定时天气预报和气候预测创造条件。3.2.3大气成分观测分系统建设目标形成资源配置合理、技术水平先进、响应快速、能基本满足国家战略需求和相关学科发展需要，并与国际接轨的大气成分一体化业务观测体系，增强对我国各类气候、地域有代表性的站点和对全球及区域气候、环境本底变化有重要意义的大气成分要素进行精确、系统和长期观测的能力；大幅度提升现

20、有观测站网的整体技术水平和中央级单位运行保障能力；为相关领域的业务发展和科学研究提供不同尺度、高时空分辨率、高精度、准实时的大气成分观测数据和多种服务产品；大幅度提升我国在相关领域的综合探测能力；为我国可持续发展战略、国家安全和国际气候与环境外交谈判等的实施，提供有力支撑和预测预警服务。3.2.4生态气候观测分系统建设目标通过对大气、水、土壤、气候及其生物状况等进行同步、长期地监测，获取生态环境的综合信息，向国家和社会各部门提供综合生态环境资料；通过建立完善的数据质量检验体系，为开发研制我国生态环境预测预警业务系统提供基础数据，为发展天气、气候模式提供基础物理参数；通过建立资料共享体系，为拓展

21、业务领域，开展公共气象、安全气象、资源环境气象服务提供支持。3.2.5海洋气象观测分系统建设目标瞄准世界先进水平，采用先进、可靠的观测设备，与其它观测系统一起构成立体化的海洋气象自动化观测体系，提供高密度、高覆盖率的中国海岸与近海气象观测数据；获得海岸生态环境的气象、气候因子数据；为数值模式提供海洋遥感数据与实测数据，校正遥感数据、提高资料质量；提供中国沿海气候敏感地区近海海洋、海气交互观测数据。3.2.6通信网络分系统建设目标通过系统的建设，将使中国气象通信网络系统能够及时、准确、安全、可靠地收集各观测台站的观测信息，并能将这些信息迅速、可靠地汇集到国家气象信息中心；国家和省级中心的分析预报

22、指导产品能及时准确地传输到需要这些资料用户，基本满足业务的发展需求。3.2.7技术保障分系统建设目标分系统建立在技术装备远程运行监控和故障诊断网络基础上，具有快速反应能力，是一个多级计量检定、测试、质量监控、维修维护和技术支持的保障体系。3.3项目建设的主要内容和规模3.3.1概述本项目是一个复杂的监测业务系统，包括地面气象观测、高空气象探测、大气成分观测、生态气候观测、海洋气象观测等五大部分，以及为保证项目建成后正常业务运行所必须建立的通信网络分系统和技术保障分系统。3.3.2地面气象观测分系统建设的主要内容和规模本分系统建设的主要内容是：用自动观测装备替代气象台站地面气象要素的全部人工目测

23、项目；在人烟稀少或无人地区布设无人自动气象站；建设应对重大灾害性天气和突发性事件的车载移动观测；建设辐射基准站和辐射站；增建卫星遥感辐射校正场和真值检验场，建立卫星遥感定校开放实验室和卫星遥感辐射校正资料处理中心等。建设项目有：（1）新建、改善各种类型要素自动气象站共2872个。（2）建立云高、云状、云量自动监测实验点2个。（3）为基准站、基本站置换玻璃钢百叶箱。共700个（4）布设单雨量站网。共100套（含组网）。（5）网络安全防护（配在有人站）3000套。（6）建立移动登陆台风边界层观测实验点1个和车载登陆台风的移动观测实验点1个。（7）建立车载移动自动气象站观测实验点31个。（8）建立一

24、套车载边界层风廓线雷达系统4套。（9）改建、新建5个辐射校正场和8个真值检验场（10）建立遥感卫星定标开放实验室1个和辐射校正资料处理中心1个。（11）建设辐射基准站2个。（12）改造现有普通辐射站网。扩建观测站点72个。（13）新建紫外辐射站50个。3.3.3高空气象探测分系统建设的主要内容和规模本分系统建设的主要内容是：改造常规高空探测站成为装备具有GPS测风功能的集成高空探测系统的探空站；布设微型无人驾驶飞机探测站；建设风廓线探测站网、地基GPS/MET遥感探测、闪电监测站网、激光雷达，建设电离层与中高层探测系统和边界层探测子系统。建设项目有：（1）在已有的高空探测站基础上，改造完善建成

25、集成高空探测站共120个。（2）建立可移动的微型无人驾驶飞机探空站47个。（3）建立风廓线雷达探测站30个。（4）建立地基GPS/MET遥感探测站，共113个。（5）建立电离层闪烁接收站（组网）。共15个。（6）建立垂测站（组网）。共5个。（7）建立用于业务试运行的激光多普勒雷达，共1套。（8）建立用于业务试运行的探测气溶胶的激光雷达，共1套。（9）在全国范围内布设的地闪探测子站。共298个。（10）布设11个云闪监测区域站网。包括探测子站共33个。（11）建设具有典型性和示范性的边界层探测网，共5个。3.3.4大气成分观测分系统建设的主要内容和规模本分系统建设的主要内容是：建设大气本底变化骨

26、干观测网站，气溶胶监测网站，温室气体及相关微量成分子观测网站，反应性气体监测网站，地基臭氧和UV监测网站，干湿沉降监测网站，大气化学分析中心实验室等。建设项目有：（1）完善和改造全球大气本底观测站1个。（2）新建全球大气本底观测站1个。（3）完善和改造区域大气本底观测站3个。（4）新建区域大气本底观测站3个。（5）建立气溶胶监测站26个。（6）建立温室气体及相关微量成分观测站22个。（7）建立反应性气体监测城市周边站5个。（8）臭氧总量、臭氧探空站8个。（9）现有酸雨观测站的设备升级和改造，共150个。（10）大气降水化学成分监测站、降水同位素观测站、干沉降观测站各43个。（11）反应性气体干

27、沉降速率观测站2个。（12）大气化学分析中心实验室1个。3.3.5生态气候观测分系统建设的主要内容和规模本分系统建设的主要内容是：建设农田生态观测、森林生态观测、草地生态观测、湿地生态观测、荒漠生态观测、冰雪冻土气候观测、干旱气候观测和城市生态观测等站点。建设项目有：（1）农田生态气候监测基本站70个，辅助站710个。（2）森林生态气候监测基本站20个，辅助站80个。（3）草地生态气候监测中心站5个、基本站1830个、一般站或自动站80个。（4）湿地生态气候监测中心站15个，基本站17个，辅助站58个。（5）城市生态气候监测基本站8个，省级站2530个。（6）荒漠生态气候监测基本站13个，辅助

28、站30个。（7）旱灾监测基本站62个，辅助站195260个。（8）冰雪冻土气候监测，积雪站80个；冰川（盖）站国内10个、北极1个、南极5个；冻土站80个；海冰站4个，包括南极2个、北极1个；湖冰站4个；河冰站10个。3.3.6海洋气象观测分系统建设的主要内容和规模本分系统建设的主要内容是：建设沿海气象综合观测网站，沿海自动化浮标观测站，船舶观测等。建设项目有：（1）新建、改扩建海岛海岸自动气象站212；（2）建成以海气通量和梯度观测为重点的海洋气候综合观测站12个；（3）建立近海浮标观测大浮标9个，小浮标22个；（4）快艇移动观测系统15个，建立地区支持中心3个。3.3.7通信网络分系统建设

29、的主要内容和规模本分系统建设的主要内容是：建设数据收集与分发、全国宽带主干网、数据管理、信息传输业务监控、数据格式标准化、数据共享等子系统以及配套的基础设施。3.3.8技术保障分系统建设的主要内容和规模本分系统建设的主要内容是：国家级技术保障中心，31个省级技术保障中心，以及若干地级保障机构和县级站，包括监控中心建设、国家计量站建设、试验基地建设、外场考核试验场地建设、仪器设备维修、技术支持和质量监督等部分的建设。4.系统功能4.1总体功能系统能够根据业务、服务和科研的需要，定时进行地面、高空、大气成分、生态气候和海洋气象观测，并且通过通信网络系统快速收集和分发大气监测资料与经过加工所生成的产

30、品，实现气象部门内、外对气象资源的共享与合作。监测部分承担包括地面、高空、大气成分、生态气候和海洋气象监测和探测任务，获取各种气象数据。通信网络部分承担气象资料的传输、数据管理与质量监控。技术保障部分承担该系统的技术保障，涉及探测设备的监控、气象仪器设备的业务化试验、计量、检测和维修、技术支持和技术培训等各个方面。4.2分系统功能4.2.1地面气象观测分系统功能该分系统主要由自动气象站、车载移动气象综合观测、卫星遥感地面大气校准检测辐射观测4个子系统组成。自动采集、处理、存储或传输多种地面气象要素，可全面满足天气预报、气候预测的需求。采用移动式的观测技术和手段。及时准确应对重大灾害性天气和突发

31、事件，为组织抢险救灾提供现场服务。对国内、外的对地遥感卫星遥感器的在轨辐射定标和仪器在轨性能变化进行地表辐射、大气探空、大气光学厚度标定和定位测量。对国内、外定量遥感产品进行真值检验，为定量遥感产品的合理性分析和产品反演精度提供基础性数据。各子系统的功能如下：自动气象站子系统采集气压、气温、相对湿度、风向、风速、雨量和地温等7种气象信息，以及采集总辐射、散射辐射、直接辐射、反射辐射、净辐射、紫外辐射等辐射信息和蒸发、土壤水分、地表状况、能见度等多种观测要素信息。数据采集的时空密度高，自动气象站的数据存储能力强，网络化传送与处理功能日趋完善，具备较强的软件功能和组网功能，可以全面满足地面气象观测

32、业务的要求。车载移动气象综合观测子系统具备良好的野外机动性能，有车载移动登陆台风观测、车载移动式自动站和车载边界层风廓线雷达三种形式，是一种移动式高精度的综合地面观测系统。可对时、空随机性强的重大灾害性天气事件（如热带气旅、沙尘暴、龙卷等）进行追踪监测，还能对重要区域（如大城市、高速公路、主要交通枢纽等）和影响严重的突发性气象事件（如洪水、暴雪、冰冻、浓雾、灰霾）以及重大活动（如重大工程的关键性作业、重大科学实验、重大灾难事件、大型运动会等）进行现场气象监测和快速应急保障服务。卫星遥感地面大气校准子系统可为国内外对地遥感卫星遥感器的在轨辐射定标和仪器在轨性能变化进行地表辐射、大气探空、大气光学厚度的定位测量和标定。利用辐射定标实验室的设备为辐射校正场测量设备进行标定工作，利用辐射校正资料处理系统为在