氣電一體、以氣為本理工結合、落實到工
——氣象觀測課程分析

李 浩，劉 鳳，孟 鑫，印 敏，邢保書，謝檳澤

（國防科技大學氣象海洋學院，長沙 410003）

氣象觀測是指對表征大氣狀況的氣象要素、天氣現象及其變化過程進行個別或系統地、連續地觀察和測定，并對獲得的記錄進行整理的過程和方法[1]。氣象觀測涉及大氣物理、普通氣象、傳感器技術、無線電技術、電子技術和空間技術等多個學科，科學技術每一次進步均促進了氣象觀測的發展，也給大氣科學提供了發展動力。氣象觀測是大氣科學發展的基礎，其發展程度是大氣科學發展水平的一個重要標尺。氣象觀測課程是大氣科學類專業的基礎核心課程，國防科技大學氣象海洋學院開設氣象觀測課程已有三十多年的歷史，面對觀測技術的快速發展、復合創新的人才培養、崗位任職的能力要求、課程思政的時代要求，教學團隊持續開展課程改革[2]。

課程教學改革必須基于具體課程的特點，有針對性地優化教學內容并創新教學方法。本文按教學內容的遞進順序和模塊組合分類，氣象觀測課程分別包括觀測對象、觀測要素、觀測方法、觀測技術和觀測實踐等環節，以及大氣物理、普通氣象、電子科學、信息技術和空間技術等多學科交叉。本文按教學內容的遞進順序和模塊組合分類，運用辯證思維從課程教學內容的遞進順序和模塊組合兩個交叉維度出發[3]，首先分析課程基本特點，然后討論若干典型案例，旨在為教學改革提供可供激發聯想的參考框架和可以舉一反三的基本思路。

一 課程特點

從氣象觀測感知內容看，氣象觀測的對象和要素屬于氣的范疇，氣象觀測的方法和技術屬于電的范疇。氣是氣象觀測的目的，電是氣象觀測的手段，氣電密不可分。從氣象觀測學科分類模塊看，大氣物理和普通氣象等屬于理的范疇，電子科學和信息技術等屬于工的范疇，理是氣象觀測的基礎，工是氣象觀測的實現，理工密切結合。

（一）對象和要素

將氣象觀測和測量學[4]進行比照，參照測量學中的測量對象概念，可以梳理出氣象觀測的實體對象，包括太陽和太陽大氣層，對流層和平流層中的氣體、云、雨、霧、氣溶膠、帶電粒子、電磁場和輻射，以及地表土壤和表層海洋水體。

實體對象的某些屬性是測量參數，叫做被測量。氣象觀測對象的某些參數即為氣象要素，同一個氣象觀測對象可以有若干個要素，比如云包括云量、云高和云狀等要素。不同的氣象觀測對象可以有相同的要素，比如土壤和空氣都有溫度要素。氣象要素包括單要素和復合要素，比如氣溫、濕度和氣壓屬于單要素，大氣折射率可根據根據氣溫、濕度和氣壓測量值計算得到，屬于復合要素。氣象觀測的對象和要素的邏輯框架如圖1 所示[5-6]。

圖1 氣象觀測的對象和要素

氣象觀測的對象和要素屬于氣的范疇，教學重點在于對大氣物理和普通氣象知識及其綜合運用。探測對象決定傳感器的選型和測量機理，兩者是相互作用的實體，而探測要素則決定傳感器的輸入輸出關系。可以認為，氣象觀測的對象和要素決定著氣象觀測的原理和方法，是氣象觀測的目標，也是第一個教學環節。

（二）方法和技術

將氣象觀測和測量學[4]進行比照，從不同角度提出氣象觀測的三對六個概念，即直接探測和間接探測、現場探測和遙感、主動探測和被動探測，構建比較完備的氣象觀測的方法和技術體系。氣象觀測的方法和技術表明了探測技術的自身特征和適用范圍。直接和間接主要描述傳感器輸出和探測要素的量值關系，需要關注直接和間接的量值關系在不同環境下是否普適成立；現場和遙感主要描述傳感器和探測對象的位置關系，需要關注現場和遙感如何確定采樣空間的大小和位置；主動和被動主要描述傳感器和探測對象的作用關系，需要關注主動和被動探測的氣器作用是否影響氣象要素值。可以認為，氣象觀測的方法和技術是氣象觀測的手段，是第二個教學環節。氣象觀測的方法和技術的邏輯框架如圖2所示[5-6]。

圖2 氣象觀測的方法和技術

氣象觀測是在自然條件下進行的。由于氣象要素隨時、隨地不斷變化，而且儀器本身也受到許多復雜因素的影響，因此氣象觀測是一種復雜的動態測量過程，不同于實驗室內的測量。為便于了解大氣整體的運動變化規律，氣象觀測資料必須滿足三性要求[1]。代表性是指氣象測量值應能代表測站周圍較大范圍內的或一段時間內的平均狀況。準確性是指測量值與真值一致的程度，通常是用系統誤差和隨機誤差合成大小來描述。可比性是指資料必須具有良好的時空比較性，滿足天氣分析預報和科學研究的需要。從測量學角度看上述三性要求，可以認為代表性是解決氣象觀測樣本是否屬于被測對象狀態的總體，準確性是反映被測對象總體的抽樣誤差，比較性是通過氣象儀器計量檢定等標準化實現的。通過嚴格執行氣象觀測規范來保證三性要求，在氣象觀測學課程教學中需要解析氣象觀測規范，給出氣象觀測資料的三性要求如何轉化為氣象觀測技術實現的內在邏輯。轉化關鍵在于對每種氣象觀測技術的自身特征和適用范圍的掌握，可從以下三個角度分別考慮。

①基于直接和間接這對概念，不妨側重考察傳感器輸出和探測要素的關系是否普適，這是決定可比性的重要因素。比如，金屬電阻屬于直接探測，標定溫度與電阻之間普適的關系，氣溫探測可比性較好。前向散射能見度儀屬于間接探測，而大氣散射復雜多變，用相同的計算模型會使能見度可比性變差[7]。邏輯上，直接探測的可比性優于間接探測。②基于現場探測和遙感這對概念，不妨側重考察傳感器和探測對象的采樣空間是否恰當，這是決定代表性的重要因素。比如，百葉箱屬于現場探測，其尺寸、高度和環境決定了氣溫探測的代表性。天氣雷達屬于遙感，由脈沖寬度和天線方向性確定的有效照射體積決定了云雨探測結果的代表性。邏輯上，遙感的代表性優于現場探測。值得注意，大氣遙感技術基于電磁波作用于大氣分子、氣溶膠、云、雨和湍渦等大氣對象，借助于電磁波的大氣散射、吸收、折射和多譜勒效應等物理過程，通過實測電磁波的強度、偏振、相位和方向等參數，然后運用微分積分方程、邊界初始條件、經驗統計模型和多元資料比對等進行氣象信息反演。③基于主動和被動這對概念，不妨側重考察傳感器和探測對象的相互作用是否超然，這是決定準確性的重要因素。比如，溫度表屬于被動探測，其熱容量遠小于空氣，溫度表不改變氣溫也具有超然性，因此氣溫探測準確性有保證。而干濕表測濕屬于主動探測，若濕球液態水使用不當，就有可能改變待測區域空氣濕度。邏輯上，被動探測的準確性優于主動探測。

氣象觀測的方法和技術屬于電的范疇，教學時可以將常用氣象觀測技術填入圖2 中，比如百葉箱通風干濕表屬于“間接-現場-主動-地基”探測技術，從上述三個角度分別考察，其作為間接探測的計算模型中的系數是否具有普適，其作為現場探測的百葉箱的結構和高度是否具有恰當，其作為主動探測的濕球液態水蒸發對空氣濕度是否超然。鑒于不同設計方法，通風干濕表包括百葉箱自然通風干濕表、阿斯曼通風干濕表、手搖通風干濕表等[1]。

二 案例分析

前已論述了氣象觀測的認知對象和學科分類，并將氣象觀測課程的特點概括為氣電一體、以氣為本，理工結合、落實到工。氣象觀測課程教學內容包括地面氣象觀測、高空氣象探測、主動大氣遙感和被動大氣遙感四部分，本節從這四部分中分別給出一個典型案例，簡明扼要地給出對應的大氣科學和電子科學領域的基本知識以及對應關系，用于闡述氣電如何一體、怎樣落實到工。

（一）地面氣象觀測

地面氣象觀測是氣象觀測中開始最早發展、最普遍的一類。早期全憑目力對風、云等各種可見現象和感覺對冷、熱、干、濕等進行判定。由于各種氣象儀器的創制和新技術的應用，常規觀測逐漸向自動化遙測過渡。以散射式能見度儀觀測氣象能見度為例進行分析，對照圖2 該技術屬于“間接-現場-主動-地基”探測技術，為了闡述氣電如何一體、怎樣落實到工設計了表1，包括涉及的大氣科學和電子科學的主要內容及其對應關系。

表1 散射式能見度儀觀測氣象能見度

大氣科學領域知識包括亮度對比在大氣中的傳輸規律、大氣散射強度隨散射角的分布、大氣空間不均勻性與尺度特點、不同波長大氣消光系數的關系、大氣中漫射散射和背景光特點。目標物的能見與否與目標物和背景的亮度對比有關，由于大氣中分子和懸浮微粒的影響，人眼見到的目標物和背景的視亮度與目標物固有亮度是不一樣的。大氣中氣體分子及懸浮粒通過散射、吸收及反射等機制對光起衰減作用導致目標物固有亮度減弱，另一方面空氣元對入射光的散射使得目標物亮度增強。大氣透明程度不同，物光減弱和氣幕光增強的程度不同，從而導致觀測到的目標物總視亮度不一樣。基于大氣輻射得到科希米得定律，表示了以水平天空為背景的目標物視亮度對比隨距離衰減的規律。

電子科學領域知識包括間接測量能見度的技術路線、能見度儀散射角和采樣體積、能見度儀采樣時間平均算法、能見度測量結果的波段修正、能見度儀的抗干擾防護技術。前向散射能見度儀是通過測量某一前向散射角度的散射光來測量能見度的。發射機發射脈沖光，大氣中各種粒子對該入射光的散射形成散射光，發射與接收相交的體積中的散射能量被接收機接收到，測量該散射能量便能通過計算確定能見度。發射光束和接收光束之間的夾角稱為散射角，在這一角度范圍內散射系數與某一限定角度的散射光強之間具有較好的相關性。將散射光強轉換成光電流，通過測量光電流確定散射光強。討論誤差因素時，還需要考慮接收器件的光電技術參數，同樣發射光強也取決于發射器件光電技術參數。

（二）高空氣象探測

高空氣象探測是指借助儀器對自由大氣中各高度的氣象狀況進行觀察和測定，觀測項目有氣溫、空氣濕度、氣壓和風等，還有一些特殊項目如大氣成分、臭氧、輻射和大氣電場等，探測技術有常規無線電探空、氣象飛機、氣象火箭等。以常規高空探測雷達觀測風廓線為例進行分析，對照圖2 該技術屬于“直接-現場-被動-空基”探測技術，為了闡述氣電如何一體、怎樣落實到工設計了表2，包括涉及的大氣科學和電子科學的主要內容及其對應關系。

表2 高空探測雷達觀測空中風廓線

大氣科學領域知識包括氣球在大氣中的運動規律、膨脹型氣球所受浮力特點、氣球上升時凈舉力和升速、水平投影空中風計算原理、大氣中電磁波的折射效應。氣球在空氣中漂浮可以是以一定的速度上升或在空中某一等密度面高度上平移、也可以是以一定的速度降落；在高空風探測時，一般使用充以氫氣或氦氣的上升氣球作為空氣運動的示蹤物進行高空風的測量。因為氣球的質量很小，在空氣中運動的慣性滯后可以忽略，所以氣球在水平方向上的運動可以表示氣流的水平運動，這就是氣球測風法的基本依據；氣球施放后短時加速上升，阻力迅速增大，很快與凈舉力達到平衡，近似作勻速上升運動；此外，在用無線電進行氣球定位時，需要掌握大氣對電磁波的折射效應。

電子科學領域知識包括有源和無源氣球跟蹤定位技術、化學法和水電解制取氫氣技術、凈舉力查算和平衡器充球技術、空中風計算程序的設計與實現、高空氣象探測雷達的跟蹤技術。測風雷達可分為一次測風雷達和二次測風雷達，一次測風雷達采用氣球下懸掛無源反射體進行定位，無源反射體一般是反射靶，二次測風雷達采用氣球下懸掛有源反射體進行定位，有源反射體一般是回答器；雷達發射的電磁波稱為主波，被反射靶或回答器等目標物反射或回答的電磁波稱為回波，測量電磁波由雷達到目標物的往返時間則氣球的斜距；測定目標物方位是利用雷達天線發射或接收電磁波具有方向性的原理來實現的，其中等信號法利用天線產生的兩束對稱且有一部分重疊的波束來實現等信號測量。

（三）主動大氣遙感

人們在應用軍事雷達進行探測時發現云雨等氣象目標產生的回波，從而把雷達探測技術應用到氣象目標探測中來，并專門研制了天氣雷達，可以對數百公里范圍內的雷暴中降水分布及其結構進行連續性探測，用于警戒和預報各種中、小尺度天氣系統。以天氣雷達主動遙感云雨為例進行分析，對照圖2 該技術屬于“間接-遙感-主動-地基”探測技術，為了闡述氣電如何一體、怎樣落實到工設計了表3，包括涉及的大氣科學和電子科學的主要內容及其對應關系。

表3 天氣雷達主動遙感云雨

大氣科學領域知識包括大氣粒子后向散射截面、大氣體積后向散射系數、電磁波在大氣中的衰減、散射強度與降雨的關系、降水粒子散射偏振特性。當電磁波在大氣中傳播時，入射波的電磁場就使粒子極化，感應出復雜的電荷分布和電流分布，以同樣的頻率發生變化，這種高頻變化的電荷分布和電流分布就要向外輻射電磁波，這種二次輻射的電磁波就是散射波，這個粒子即成為散射中心或散射源；如果一個粒子是各向同性的，則粒子的散射特性將由粒子的大小、折射率及入射波的波長決定，這就是散射三要素；電磁波在粒子內部傳播，有電流在粒子內部流動，必有一部分能量要被吸收或轉化為焦耳熱產生介質損耗，這就是粒子對入射波的吸收作用，會造成傳播路徑上能量的衰減。

電子科學領域知識包括微波天線收發技術、雷達有效照射體積、回波信號接收處理、雷達回波分析應用、電磁波極化與檢測。天氣雷達通常由天線饋線分系統和伺服分系統、發射分系統、接收分系統、信號處理分系統、監控分系統、通信分系統、數據處理及顯示分系統、電源分系統等組成；其中發射分系統周期性地產生時間上短促而峰值功率強大的高頻振蕩電磁波，經過天線饋線分系統后再發射出去，有關的主要技術指標為脈沖重復頻率與脈沖重復周期、波長、脈沖寬度和發射功率等；一般雷達采用具有高度方向性的定向輻射天線，使大部分能量集中在一個很窄的波束范圍內朝一定的方向發射出去，目前的天氣雷達大多只發射并接收水平線極化波。

（四）被動大氣遙感

被動式大氣遙感是指遙感器接收大氣自身發射的電磁輻射或反射自然源發射的電磁輻射來獲取大氣信息的方法和技術，儀器設備沒有發射部分可以節省能源、縮小體積、減輕重量、降低造價，適合衛星平臺進行的全球氣象觀測。以氣象衛星被動大氣遙感溫度廓線為例進行分析，對照圖2 該技術屬于“間接-遙感-被動-天基”探測技術，為了闡述氣電如何一體、怎樣落實到工設計了表4，包括涉及的大氣科學和電子科學的主要內容及其對應關系。

表4 氣象衛星被動大氣遙感溫度廓線

大氣科學領域知識包括大氣的熱輻射定律、氣溫垂直分布特點、氣體含量及其分布、大氣的有效輻射層、地表紅外輻射特性。大氣是由氣體分子和懸浮在氣體分子中的塵埃、水滴和冰晶等固體和液體微粒構成，對紅外波段大氣因散射的削弱是可以忽略不計的；當大氣中氣溶膠含大顆粒數目較多時，散射的影響變大，但此時吸收作用更大；在大氣各種氣體成分的吸收光譜中，有一些強吸收區域稱之為吸收帶，成為遙感大氣的物理基礎；對于弱吸收帶輻射主要來自于大氣低層，由此得到的溫度主要代表大氣低層的溫度；強吸收帶輻射主要來自于大氣高層，所表示的溫度是大氣高層的溫度；由于某一波長對應的權重函數有一定的寬度，所以衛星測量的輻射來自某一氣層即效輻射層。

電子科學領域知識包括向上紅外輻射的測量、遙感通道與權重函數、衛星遙感大氣的掃描、大氣紅外遙感的反演、衛星運行軌道和定標。氣象衛星分為極軌氣象衛星和靜止氣象衛星兩類，兩類衛星在資料獲取、存儲、發送和處理等方面都有各自的特點；輻射儀器由定向或空間掃描部件、光學系統、探測器、信號處理系統和信號輸出裝置等部分組成；裝載定標設備，用其來確定靈敏度或響應率，或確定自衛星發射以來被動遙感儀器是否發生變化，在軌定標所用參考源為星上內部黑體和宇宙空間；電磁輻射中包含有氣溫、成分等信息，進一步提取大氣的溫度、成分和其他大氣參數，反演的重要問題是解的存在性、唯一性、穩定性以及求解方法的有關數學問題。

三 結束語

本文梳理了屬于大氣科學領域的氣象觀測的對象和要素，以及屬于電子科學領域氣象觀測的方法和技術，分析了氣象觀測課程具有“氣電一體、以氣為本，理工結合、落實到工”的特點，并給出典型案例闡述教學過程中“氣電如何一體、怎樣落實到工”。教學實踐表明，本文分析結果和闡述案例可為氣象觀測課程教學改革提供理論和實踐參考。