氣象觀測全面自動化之路——德國走了快120年

從2020年4月1日起，我國地面氣象觀測實現全面自動化。意味著人工採集氣象數據成為歷史，氣象人迎來了智能化的未來。與此同時，與中國相距約八千公裡，跨過七個時區的德國也在馬不停蹄地抓緊本國地面氣象觀測系統自動化建設。德國氣象局（Deutsche Wetterdienst）2019年報告中提出，德國致力於2023年完成全國範圍內氣象觀測自動化建設。

（圖2：德國氣象局總部）

縱觀全世界範圍內，德國是最早發展氣象事業的國家之——德國連續氣象數據記錄可追溯到1881年。

1900年，德國開始建立氣象數據觀測網。以今天的角度看，100多年前德國的氣象觀測系統已出具規模、堪稱先進。當時全境約有350個人工氣象站，15個探空氣球釋放點，2400個降水測量點與1500個雷暴天氣報告處。氣象業務員需要記錄的觀測變量包括了：雲量、雲狀、能見度、風力、風向、氣溫、最高溫、最低溫、氣壓、溼度、降水、天氣現象、日照時長、積雪厚度。這些觀測量也一直沿用至今。

 （圖3：1900年當時的探空風箏）

1935年，德國境內氣象站數量增加至552個，降水測量點增加至約4400個。

1955年，德國氣象局確立了11個氣象觀測中心，190個地面觀測站點、13個高空氣象觀測點與3992個降水觀測點。另外還新增了4個觀測變量：輻射強度、地表溫度、雲高、雪水當量。

 

60年代氣象衛星數據的使用標誌著世界範圍內天氣預報系統的重大革新——數值天氣預報開始發展。眾所周知，天氣預報準確率主要依靠兩方面：氣象觀測數據、預報算法。為了提高天氣預報準確率，德國開始大力發展氣象監測系統，包括提高地面與探空觀測數據的採集頻次、使用氣象衛星遙感數據、雷達數據等等。

（圖4：1966年的德國氣象衛星數據圖像）

 

1966德國氣象局首次結合氣象衛星數據使用大型計算機進行了數值天氣預報。

1967年第一顆天氣雷達在萊比錫投入使用。

1970年，氣溫數據的採集頻率由每天四次提高至每小時一次。

1977年第一顆歐洲氣象衛星發射並投入使用。

1982年，風向風速數據採集頻率也提高到每小時一次。

1985年，德國氣象雷達網建立。

1986年，歐洲氣象衛星應用組織（EUMETSAT）成立，衛星氣象數據得以共享。

1989-1992年，雲高、降水、能見度、氣壓、溼度、日照時長、地表溫度數據採集頻次均提高到每小時一次。溫溼度闊線探測頻次為每三小時一次。

（圖5：德國奧芬巴赫氣象觀測站一角）

1999年，氣象飛機探測投入使用。溫、溼、壓、風速、風向的數據採集頻次提高到每30分鐘一次。

2003-2007年，所有地面氣象觀測數據採集頻次均提高到每30分鐘一次。

2008年，氣象衛星數據分析、資料同化技術廣泛應用。

直至2019年，總部位於美茵河畔奧芬巴赫（Offenbach am Main）的德國氣象局全境範圍內擁有5個局地氣候與環境諮詢中心、5個航空氣象諮詢中心、3個農業氣象諮詢中心、182個一級氣象站、1735個二級天氣與降水監測站、1082個物候觀測站、18個天氣雷達站點、10個探空觀測點（每年釋放約7000個探空氣球）。

 

德國氣象局的目標是：2023年全面實現氣象觀測系統自動化，包括地面觀測、探空觀測、雷達、衛星、車載、船載氣象數據的採集。

 

氣象發展史同時也是一部科技發展史，德國氣象事業發展至今已有120年，整個發展過程可分為兩個階段。第一階段，20世紀上半葉德國花了50年的時間摸索著建立了氣象觀測站、確定了氣象觀測要素，奠定了地面、探空觀測網的基礎；第二階段，從上世紀60年代至今，隨著科技的進步，德國數值天氣預報得以大力發展。衛星、雷達數據的使用、計算機的進步、資料同化等先進技術的運用使得預報準確率大幅提高。

（圖6：德國氣象局統計的自1968年來對北大西洋、中歐地區的氣壓預報準確率。圖中可以看出，幾十年來預報準確率大幅提升，1-3天預報準確度可達95%，目前的7天預報準確率和1970年24小時預報準確率相當。）

 

可以想像的是，在未來的第三階段，在氣象觀測網全面實現自動化之後，德國氣象的發展重點一定圍繞著完善預報系統、精進算法、提高預報、預警時空精度、準確率等方面。而這些部分也勢必成為各國氣象部門必爭的科學研究高地。