在气象观测领域，除了我们熟悉的卫星、雷达、地面等观测手段，“垂直观测”较少被提及。什么是垂直观测？

简单解释，垂直观测是指地面至边界层、对流层乃至平流层以上垂直大气柱内（地面至70千米到100千米），以温度、湿度、气压、风、水凝物和气溶胶等五条廓线探测为主体，兼顾辐射、大气成分等气象要素的综合观测。

垂直观测包含毫米波测云仪、风廓线雷达、气溶胶激光雷达、微波辐射计、GNSS/MET地基导航卫星水汽探测仪等地基遥感，飞机飞艇火箭等空基观测，以及往返平漂智能探空等。

因此，垂直观测系统针对气候、天气、中小尺度系统监测和短临预报等不同需求，打造以探空为基准，综合地基遥感时空加密、商用飞机观测网络等为辅助的观测站网，同时具备地基、空基应急观测能力。

可见，垂直观测系统是一个“大家族”，其家族“成员”有哪些，分别有何特长，一起来探个究竟。

利用云粒子对电磁波的散射特性，通过对云的雷达回波分析，来了解云的特性。云的回波参数反映了云的宏观和微观结构，例如回波顶的高度、回波的体积面积等反映了其特征尺度，回波强度反映云中粒子的大小和密度，回波强度在时间和空间上的变化反映云内微物理过程的结构和演变特征。

一种基于大气微波遥感技术的气象观测设备，通过多通道连续探测大气水汽和氧气的自然微波辐射，可实时连续探测对流层（含边界层）大气温度、湿度、云水分布以及水汽、液态水含量等多种大气参数，具备对中小尺度大气层结的精细探测能力，可作为常规高空观测的有益补充，为天气监测、预警、数值预报、人工影响天气指挥及作业效果评估提供连续的观测数据和决策依据。

可探测气溶胶的光学和物理性质，激光雷达遥测方法是获取大气颗粒物时空分布信息的重要技术手段之一。激光雷达可获取分钟级的后向散射系数、消光系数等基本观测产品，以及光学厚度、垂直能见度、混合层高度、颗粒物浓度等二级产品，能够实时监测气溶胶浓度、颗粒物分布。

是开展天气预报和气象保障的新手段，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行风场测量，24小时无人值守，可连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度分布变化的信息，具有时空分辨率高、连续性和实时性好等特点。

利用导航卫星发射的L波段信号探测大气可降水量等气象要素，具有全天候、高精度、高时空分辨率、自校准和低成本等优点。基于直射信号可探测电离层电子浓度，基于反射信号可探测土壤湿度、积雪深度、植被含水量等信息。其遥感探测的大气可降水量在临近天气预报、数值天气预报、气候变化研究以及探空和卫星遥感等观测检验方面已实现较成熟的应用。

除了地基垂直观测系统，新型智能往返平漂式探空和飞机飞艇观测也逐步由试验走向业务试点运行。

其中，新型智能往返平漂式探空为两个氢气球，大球套小球（大球正常充气，小球少充气）同时升空，下方系着一个由定位、探测、通信3大部分组成的探空仪。

气球升空过程中，获取包括高度、经纬度以及温度、湿度和气压等第一组气象数据；两个气球达到既定高度（20千米至30千米），外球自爆后内球进入平流层“随风逐流”，长达4—6小时的“流浪”中获取第二次观测资料；内球在平流层结束工作任务后，通过地面指令与探空仪分离，探空仪则在“滑翔伞”作用下缓慢下降，获取第三次观测资料。

也就是说，一次放球实现“上升—平漂—下降”三个阶段的高空气象观测数据，即由原来的24小时2次放球获取2次资料，变为2次放球获取4次探空（2次“上升段”，2次“下降段”）外加2次平流层高空气象资料，提高了观测数据时间精度。

气球探空是我国空基观测的主流模式。但是，在无人区和海洋等区域，无人机则以其机动能力强、飞行高度高、覆盖范围广、可全天候运行的优势，成为可堪重任的使者。

无人机可以搭载下投探空系统、毫米波测云雷达、温湿廓线仪、SAR雷达、气溶胶激光雷达、可见/红外光谱成像仪，对海洋气象目标、青藏高原水循环及生态系统进行观测，在开展气象载荷及天—地—空—海协同观测方法验证等关键技术攻关的同时，检验卫星气象观测的真实性，提高海洋、青藏高原的天气、气候模式预报预测水平及天气系统发生发展机理科研能力。

来源 | 中国气象局气象宣传与科普中心（中国气象报社）

编辑 | 中国气象局气象宣传与科普中心（中国气象报社）全媒体记者 刘钊