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聯合國專門機構世界氣象組織所管理的全球氣候觀測系統確定了在空中、陸地和海上進行全球監測的54個基本氣候變量 (ECV) (圖1)。 這種監測非常復雜且極富挑戰性。監測眾多變量需要各種資源，從環繞地球的衛星到大氣層中的氣球和飛機，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器人平臺艦隊。 持續監測的地球系統包括： ● 生物圈、人類圈 – 由人類制造或改造的環境部分。 ● 水圈 - 地球上的所有水，比如湖泊和海洋，有時也包括地面以上的水，如云。 ● 冰凍圈 - 地球上的冰凍水域。 監測氣候可以很簡單，比如人工觀察， 也可以很復雜，就像軌道衛星網絡上用于測量海平面上升的協調傳感器陣列，或者像氣球上攜帶的儀器和風廓線雷達，可以從地面上超過16米的高度進行觀測。收集的部分數據包括空氣化學、溫度、降水量、云量、風速和海洋鹽度。這需要各種各樣的主動和被動傳感技術。 本文中，我們將詳細介紹一些用于連續監測全球氣候變化的傳感器和方法，貫穿全球傳感器網絡的各個層次 - 從軌道、穿過大氣層、到達陸地，最后潛入海洋。 
圖1：聯合國全球氣候觀測系統已經確定了54個重要的氣候變量，這些變量對地球氣候特征的描述起著至關重要的作用。 (資料來源：貿澤電子) ECV衛星監測 ECV的確定基于以下標準： ● 相關性 — 該變量對于描述氣候系統特征及其變化至關重要。 ● 可行性— 使用經過證實的科學方法，觀察或從全局推導變量在技術上是可行的。 ● 成本效益 — 生成和歸檔變量數據的成本低廉，主要依靠采用成熟技術的協調觀測系統，最大限度地利用歷史數據。 衛星可以為半數以上的ECV提供詳細觀測。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多顆衛星，監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衛星上的儀器對大氣中的氣溶膠進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衛星上的其他儀器負責研究大氣中臭氧豐度的調節過程。來自GRACE和ICESat衛星及星載雷達的數據顯示，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衛星記錄了自1992年以來，海平面平均上升了3英寸。
圖2：軌道上的各種地球科學航天器/儀器研究地球系統的各個方面（海洋、陸地、大氣層、生物圈、冰凍圈），未來幾年還計劃發射更多的航天器/儀器。 (資料來源：Andrey Armyagov//Shutterstock) 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星所收集的數十萬個高度測量值進行平均，可以確定全球平均海平面及其隨時間的變化，精度可以達到毫米級。 60GHz附近的衛星遙感可以通過測量氧分子發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關系。國際電信聯盟 (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用中的大氣監測。由于地球大氣中氧的吸收和釋放特性，這一點非常重要。 空中大氣監測 衛星通過地面傳感器系統和雷達從大氣層上方、下方進行遠程監測，并通過無線電探空儀直接從氣球和飛機上進行監測 (圖3)。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，并通過無線電將其傳輸到地面接收器。這些參數包括海拔、氣壓、溫度、相對濕度、風速和風向、高空宇宙射線讀數和地理位置（緯度/經度）。
圖3：一個氣象氣球在澳大利亞最偏遠的氣象站 - 吉爾斯氣象站發射。該氣象站位于澳大利亞西部靠近北面國境線的地方。 (資料來源：Edward Haylan//Shutterstock) 測量臭氧濃度的無線電探空儀被稱為臭氧探空儀。在上升以提供風速和風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儀（雷達氣球）。大多數無線電探空儀都有雷達反射器，可用作無線電探空測風儀。從飛機上投下的，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個無線電探空儀發射場。大多數國家通過一系列國際協議共享數據。大多數無線電探空儀的發射時間比0000協調世界時 (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，以便在實驗室進行后續分析的燒瓶。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。 陸基監測 陸基感測是最成熟的氣候變化監測形式。一個由數千個自動地面觀測系統 (ASOS) — 例如機場、軍事設施、教育設施和其他地方的系統組成的全球網絡，監測地面空氣狀況。ASOS裝置每小時測量各種氣候變量多達12次（圖4）。地面空氣溫度是在地面以上兩米處測得的。ASOS用來監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。日射強度計測量到達地球表面的太陽能量。氣壓計持續監測氣壓。
圖4：位于印度尼西亞庫塔的巴厘島Ngurah Rai機場的氣象花園自動地面觀測系統 (ASOS) (資料來源：Pande Putu Hadi Wiguna//Shutterstock) 風是按水平速度和方向測量的矢量值；風速計測量速度，而風向標和風向袋測量風向。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。 多普勒雷達被用來監測暴風雨。美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 在美洲大陸擁有159個多普勒雷達塔，可以監測降水量、雷云的旋轉速度和方向、龍卷風中的空中碎片以及總體風速和風向。 在海上漫游的機器人 海洋浩瀚無邊，要廣泛全面地進行檢測難度非常大。傳統方法是通過船只和浮標網絡來測量世界海洋表面溫度。今天，衛星遠程監測所有海洋的表面溫度。但衛星有效監測的范圍有限。美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 擁有一支由4,000多個浮標和浮子組成的網絡，負責監測海洋化學和洋流。國際Argo計劃還部署了3,800多個機器人浮子，稱為CTD（電導率、溫度和深度）剖面儀，用于監測世界不同深度的海洋。 Argo的浮子是1.3米長的機器人管子，在重新浮出水面并將其位置和數據傳輸到衛星之前，沉入深度可達2,000米。所有數據都可以在線訪問。一個機器人浮子的成本大約相當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，即使在風暴期間，船舶停泊在港口時它們也能繼續工作。 最新的Argo浮子是國家科學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。南大洋由于其內部和周圍的獨特現象，正在被研究中 (圖5)。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。
圖5：南大洋由世界海洋最南端的水域組成，通常被認為在南緯60°以南，環繞南極洲。 (資料來源：ugljesa//Shutterstock) 除了大多數浮子上都有的基本CTD剖面儀外，SOCCOM浮子還配備了額外的生物地球化學傳感器。它們測量： ● 水中的溶解氧，它代表該地區的初級生產力水平和呼吸量。氧與碳的比例是相關的，這意味著通過測量溶解氧，還可以確定碳的濃度。 ● pH值，這個值的測量很有意義，因為這片海洋吸收了大量的二氧化碳，當二氧化碳與水反應生成碳酸時，海洋的酸化程度會增加。 ● 葉綠素濃度，這個值比較容易測量，它代表浮游植物豐度；因此，繪制葉綠素圖有助于更好地了解一個地區的營養物質是如何循環的。 ● 硝酸鹽，這是浮游植物的一種重要限制性營養物質，硝酸鹽豐度可以決定海洋浮游植物的生物量極限。 總結 在全球范圍內監測幾十種ECV是一項復雜而富有挑戰性的工作。這需要很多種資源，從環繞地球的衛星到大氣層中的氣球和飛機，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器人監測平臺艦隊。這還需要國家之間的協調與合作。 衛星是這項工作的關鍵，它為超過一半的ESV提供詳細觀測，監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個無線電探空儀發射場在監測高層大氣，大多數國家通過一系列國際協議共享數據。大多數無線電探空儀的發射時間比0000協調世界時 (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字建模。 對低層大氣的陸基感測是最成熟的氣候變化監測形式。地面空氣狀況由數千個自動地面觀測系統 (ASOS) 裝置組成的全球網絡進行監測。ASOS站點每小時測量各種氣候變量多達12次。最后，越來越多的機器人浮標和浮子使用生物地球化學傳感器來監測世界海洋，收集到的大部分數據在互聯網上公開。 文章來源：貿澤電子 作者簡介：Jeff是Jeta電力系統公司的聯合創始人，該公司是一家被Computer Products公司收購的大功率開關電源制造商。Jeff還是個發明家，他在熱能收集和光學超材料領域擁有17項美國專利。他是業內知名人士，經常就電力電子領域的全球趨勢發表演講。他曾受邀在許多行業活動上發表演講，包括IEEE應用電力電子會議全會、Semico West、全球半導體聯盟新機遇會議、IBM電力和冷卻研討會以及Delta Electronics全球電信電力高級員工研討會。Jeff擁有加州大學戴維斯分校的定量方法和數學碩士學位。他在電力電子、電子元器件和其他技術主題方面有著30多年的寫作經驗。他從擔任《EETimes》雜志的高級編輯時就開始撰寫電力電子方面的文章。他創辦了《Powertechniques》，這是一本有關電力電子設計的雜志，每月發行量超過3萬份。隨后，他又創立了全球電力電子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group發布了PowerPulse.net，為全球電力電子工程社區提供每日新聞。Jeff曾編寫過一本開關電源教科書《Power Supplies》，由普倫蒂斯霍爾出版社的雷斯頓分部出版。 |
