觀測形態走勢
前麵說大氣探測是如何如何重要，那麼到底要探測什麼呢？大氣現象複雜多變，大氣組成多種多樣，到底探測什麼為好，是頭發胡子一把抓嗎？不是，這兒有兩種觀測。
一是常規觀測。常規觀測主要包括溫度、濕度、氣壓、風力、風向等觀測項目。可別看隻有這幾項基本因素，它們卻分別反映了大氣的熱力狀態和運動狀態。
氣溫的高低表明了氣體的冷熱程度。測量氣溫的儀器叫溫度表。和測量人體體溫的體溫表一樣，它是利用熱脹冷縮的原理製成的，如酒精最低溫度表和水銀最高溫度表；也有根據導體、半導體電阻隨溫度變化原理製成的電阻溫度表；或者根據溫度不同、電流不同原理製成的溫差電偶溫度表。另有一些測溫元件，如鉑電阻、熱繁電阻等。
氣壓是地球大氣圈的大氣對地球表麵和周圍大氣產生的壓強，測量氣壓的儀器常用水銀氣壓表。
濕度是指大氣中所含水汽多少的量，測量濕度的儀器有幹濕球濕度表和毛發濕度表。幹濕球濕度表實際上由兩支溫度表組成，其中一支綁有紗布，很顯然，是用水分蒸發導致溫差變化的原理來反映濕度的。
二是特殊觀測。常規觀測是每個氣象站在每天規定時間，按照一定程度進行對規定內容的觀測。特殊觀測不同於常規觀測，這主要反映在觀測內容和觀測位置上。一方麵，特殊觀測要觀察目前變化比較大、並可能對未來氣候產生很大影響的一些內容，如二氧化碳、甲烷、臭氧、酸雨、氣溶膠粒子，這可以稱為大氣化學觀測；另一方麵，特殊觀測主要把觀測範圍集中在地麵以上一公裏內，這叫邊界層觀測。大家可以猜到，這主要是因為邊界層與我們生活生產活動太密切。
特殊觀測的曆史並不長，我國隻有二十多年的經驗。由於特殊觀測對所涉及的知識、儀器精度、觀測條件要求很高，所以難度很大。我國對大氣的化學觀測有一定的成果，如酸雨曾經在部分省市進行專題觀測與研究，一個酸雨觀測網已經建成。據悉，我國與美國、澳大利亞等國還展了一些特殊觀測的合作，成果顯著。
特殊觀測是適應新形勢需要而產生的觀測，它在未來將變得越來越重要，一些新型的觀測項目會增加。因此特殊觀測會得到加強，但這並不意味著常規觀測就不重要。事實上，我們的天氣預報的主要根據仍然來源於常規觀測。可以說，將來這兩種觀測會互為彌補，相輔相承。
警惕大氣
地麵觀測網
地麵觀測網由各地地麵氣象站、自動氣象站、氣象觀測塔等組成。
（1）地麵氣象站：
地麵氣象站有氣象觀測員連續不斷地對天氣進行觀測。他們用眼睛觀測各種氣象要素，如雲量、能見度、雨量、風向、風速等。一般地說，這隻能得到估算的數據參數，經驗便顯得很重要。此外，他們還用各種儀器設備來測量大氣的溫度、濕度、氣壓、風力等。在這裏，溫度常用攝氏度（℃）表示，濕度常用相對濕度、水汽壓或露點濕度來表示。氣壓計算單位是百帕。風向用方位來表示，風速要在10米高的風杆上測量，其單位是米／秒。地麵氣象站觀測項目很多，雨量、蒸發量、日照量、地溫、積雪、太陽輻射等都應包括在裏麵。要強調的是，地麵氣象站的觀測方法很統一，它們都要參照聯合國氣象組織和國家氣象局製定的《觀測規範》。觀測的儀器性能、規格和計量單位也要符合國際標準。不用多的解釋，大家已經明白，這無非是想保證觀測結果的準確性和代表性，以便於比較。
自動氣象站
自動氣象站就是沒有人工操作、完全由儀器自己完成測定地麵各氣象要素的全自動氣象站。它們常常被安置在高山、海洋、沙漠、高原上。由於地球表麵麵積廣大，人力物力有限，建設地麵氣象站的數目不可能很多，自動氣象站彌補了地麵氣象站的不足。
自動氣象站發展到現在已有三代。第一代研製於本世紀50年代末，當時它隻能測量溫度、濕度、氣壓、風力、風向、降水等少數幾個要素。60年代中期，由於半導體元件和脈衝數字電路的普及，第二代自動氣象站產生。它的感應元件能觀測雲高、降水、輻射總量、雷暴等。但是，這種氣象站不能自動處理觀測資料。70年代後，自動氣象站已發展到第三代，電子計算機和衛星通信技術的興起，使自動氣象站自動化程度大為提高。
目前，全世界投入運行的自動氣象站有幾千台。有一些國家還建立了自動氣象站網係統，稱之為自動氣象遙測係統。這種係統由中心站和野外站組成，中心站控製著野外站，野外站的主要任務是觀測，它由鐵塔、傳感器、電子線路等組成。我國在“七五”期間就研製出了自動氣象站，它們分別安裝在內蒙古、青海等地，定期通過靜止衛星向地麵接收站發送各種氣象信息，效果良好。
但是，自動氣象站並非完美無缺。它需要定期檢修，它的觀測項目有限，而且其準確性和可靠性趕不上目測，所以，它隻能是一種地麵氣象站的輔助物。未來的氣象站或許是兩種氣象站的有機結合，就像計算機不能完全代替人一樣，將來的氣象站隻會模糊兩者的界限。
（3）氣象觀測塔：
氣象觀測塔是一種特殊的氣象觀測裝置。前麵說過，特殊觀測不同於常規觀測，而氣象觀測塔恰好是為了特殊觀測而設的。
氣象觀測塔常常是用來觀測大氣邊界層的有效工具。其實，用於邊界層探測的東西很多，如係留氣球、低空探測儀、特殊飛機、聲雷達、激光雷達、紅外和微波探測器等。但它們的觀測效果有很大的局限性，主要是間斷不連續，而且因為不是直接探測，結果需要核對，所以人們對之並不十分滿意，而氣象觀測塔卻有這方麵的優勢。
用氣象觀測塔對大氣邊界層的觀測，作為特種觀測來看，目的很明確，其了解的是地表幾十米至上千米這一範圍大氣的溫濕度，以及高度分布隨時間的變化狀況。這種觀測能為數值天氣預報提供不同高度的準確數據。另外，它對高層建築設計也給出了一些參考資料，因為不同高度的建築對風力的考慮不容忽視，能否節既省建設資金，又提高質量，是建築設計的重要問題。
氣象觀測塔，有專一性質的，如我國1979年在北京北郊建立的高約325米的專用氣象塔；也有多用途的，如一些電視塔、廣播塔、導航信號發射台，氣象觀測隻是其“業餘”任務的一部分。不過，這些塔身都是鋼筋混凝土築成的，升溫快，降溫也快，為了避免觀測儀器受塔體的影響，一般儀器感應部分都離塔體較遠，形成水平伸臂。所以，這些塔從近處看去，像全身長滿了長長的刺似的。
空中觀測員
這兒的空中觀測員可不是地麵氣象站的觀測人員，它們是在空中進行各種氣象探測的工具。從空中對各種大氣現象進行探測，改變了過去氣象觀測的單一形式，呈現出一種立體的效果。
（1）風箏：
風箏能夠飛上天，當然可以用於大氣探測。據說，大約在1749年時，攜有溫度表的風箏就到達了雲層深處進行過溫度測量。大家熟悉的科學家富蘭克林也於1725年把風箏升到了雷雨之中，從而證明了閃電與摩擦生電一個道理。所以說，風箏在大氣探測史上有過功勳。風箏最大的好處在於它設備簡單、造價低廉、上升容易，但是它的上升高度有限，充其量不過三千多米。再者風箏容易斷線，在地麵建築物和叢林多的地方還不能施放。這樣一來，到19世紀之後，風箏就隻作為玩具形式而存在了。
早期的氣球充滿了熱空氣，後來為了安全，由乳膠製成的氣球出現，灌入適量的氫氣，借助空氣的浮力就可以上升。現代的載人氣球高度已達三十多公裏，是在本世紀60年代創下的紀錄，對於探測大氣的風箏高度來說，是個不小的突破。氣球用於大氣探測大約是在1893年，當時法國使用的是橡膠做成的氣球，上麵攜有氣象儀器升到了16公裏的高空。早些時期，氣球上麵的氣象儀器需要氣球破裂，然後摔下來後才能獲得各種氣象數據；而現代常常使用無線電探空儀器，無需回收。
氣球探測可以分成以下幾種：
一是係留氣球，又稱風箏氣球。它用繩索維係在地麵上，其形狀有的像船，有的像球。氣球上麵都帶有測量溫度、濕度、風向、風速的儀器。這些儀器要麼用無線電發送測得的數據信號、要麼直接采用有線傳輸的方式。係留氣球的高度可以由繩索控製，不過一般隻有幾百米，它主要用於低空大氣的探測。
二是探空氣球、這種氣球下麵懸掛著探空儀。探空儀帶有溫度、濕度、氣壓三個傳感器、轉換器和發射機。氣球升空後，會隨時把測得的氣壓、溫度、濕度等數據轉換成無線電信號，再發送到地麵，地麵再經過信號轉換得出探測結果。探空氣球有的很低，隻能測定2000米以下範圍的大氣物理狀態；有的很高，可達到三萬米的高空。我國的探空氣球可達離地麵2.5萬米以上的位置。
目前，全球約有一千多個高空氣象觀測站，每天定時施放探空氣球，由此獲得常規的高空氣象資料。這些資料可以加工成氣象台預報人員使用的高空天氣圖。
三是平衡氣球。它也叫無外力氣球或定高氣球。此氣球施放後，球體可以保持在某一高度上，隨著空氣水平飄移。如果使用經緯儀和測風雷達，就可以判斷其所在的位置；再根據其時間的變化，就可以求出同一高度層的大氣各個氣象數據。
平衡氣球有的定點於平流層上，順著西風帶，可以圍繞地球飄行。平衡氣球的探測儀器和無線電發報機常常靠太陽能電池來供電，其信號則通過衛星直接轉發到地麵接收站。
四是“母球”係統。它包括一個大型氣球和在飄飛途中逐次下投的探空儀。探空儀在下落時一邊探測大氣一邊發報，母球接收到它的數據後，再經過衛星中繼站傳給地麵站。
（3）氣象火箭：
火箭有上千年的曆史，但現代火箭投入運用的時間卻不長，致於氣象火箭的使用年限更短。目前使用氣象火箭進行大氣探測的國家有二十多個。一些國家，如美、蘇、英、法、日等設置了許多氣象火箭探測點，建成了全球氣象火箭網，定期發射火箭，互相傳遞信息。我國的探空火箭已能發射到離地麵120～140公裏的高度，在海南省還建有探空火箭發射場。
火箭飛行依靠的是它本身攜帶的固、液體燃料，它的速度快，可以達到上百公裏的高度，因而它填補了氣球和衛星所在高度之間空白區的大氣探測。但是火箭飛行的時間短，儀器因空氣摩擦產生的溫度也高，而且火箭本身需要製導係統，這些都給火箭的大氣探測帶來了不便。為了取得更大的收獲，一些光學經緯儀、高精度氣象雷達、計算機等常常與氣象火箭配合，以彌補氣象火箭的先天性不足。
運用火箭探測大氣的方法有以下幾個：一方麵，火箭在上升途中運用其所帶的儀器直接測量，這種方法常見於早期，現已淘汰；另一方麵，火箭在上升時，可以按時將其攜有的儀器分開，儀器再依靠降落傘緩慢下降，自動測量；還有一個就是火箭在上升或下降時，陸續釋放出不同的儀器。這些儀器有的是探空儀，它們將所測的溫度、濕度、氣壓和風向的數據，通過無線電發射機準確地發回地麵；有的是各種跟蹤物，如納雲、金屬絲、無聲榴彈、帶反射靶的氣球帶，用以測量不同高度的風速、風向等。還有的你怎麼也想不到，它們竟然是取樣瓶，在取得空氣樣品後，能返回到地麵。
氣象火箭的類型有大有小。小的隻測幾種常規要素，大的能探上十種要素。氣象火箭美國有洛基、阿卡斯型號；日本有MT—135型號；英國有大鷗火箭；俄羅斯有MP—100和MMP—06型號等。
（4）多麵手的飛機：
飛機的誕生到現在還不到100年，但由於飛機有其卓越的性能，這使它在高空大氣探測上顯示出得天獨厚的優勢。飛機在垂直高度和水平範圍的機動靈活性都比較好，因此它比氣球、火箭的本領要大得多。飛機在氣象上得到運用的有螺旋槳飛機和噴氣式飛機；也有少量中低空中飛行的各種飛機，如直升機。
飛機有一個最大的優點，就是能夠載上各種遙感儀器。這等於是說在空中設置了一個氣象平台，有利於提高天氣預報水平。另外，經過特殊改裝後的飛機可以在台風眼中飛行，在核爆炸後的蘑菇雲中飛行，甚至可以在積雨雲的附近探測雲中的水量及氣流分布的情況。當然，飛機還可以用來人工增雨，這裏已是題外話了。
氣象飛機是為了填補空中氣象情報的不足，或者是為了執行某種特殊任務而用的，它需要安裝有特殊的儀器設備。一般地講，氣象飛機除了裝有測量大氣溫度、溫度、氣壓、風速、風向的儀器和數據處理機外，部分的還有紅外線、微波遙感設備，用以測量海水溫度、雲粒子分布、臭氧等。
飛機的外表也很獨特，如有的飛機機身某處有凸出的雷達無線罩，它是為了保護雷達而設置的，為的是使雷達天線更方便地獲取雲、降水、台風、冰雹等數據參數；還有的頭部有一個尖尖的鼻子，可別以為它是殲擊機的空速管，其實它是特地用來測量溫度的設備。
（5）運籌帷幄的雷達：
雷達運用於氣象上，是二戰期間的事。由於雷達在搜索敵方飛機、艦艇目標時，雲和雨在熒光屏上的意外出現嚴重幹擾了軍事搜索，但受其啟發卻產生了氣象雷達。此後，精明的英國人首次用軍事雷達對一塊降水雲體進行了成功的觀測，並做出了天氣預報。於是，各種氣象探測雷達如雨後春筍般地發展起來。
氣象雷達是如何測定天氣的呢？說到這兒，大家會情不自禁地想起蝙蝠飛行和捕食原理。蝙蝠靠的是嘴發出的超聲波，它的耳朵能接收回聲，並由此判斷前方障礙物的位置距離。氣象雷達的發射機按時通過天線發射高頻的電磁波，電磁波遇到雲雨等目標後，經過折射、散射、繞射，就產生了回波，雷達天線接收後再交給接收機處理，這樣就觀察到了雲雨的存在。電磁波的傳播速度是每秒30萬公裏，根據發射脈衝和接收回波的時間間隔，經過核算，就可以得出雲雨和雷達之間的距離。另外，根據雷達天線的仰角與方位角，也可以確定降水的性質和降水強度。
氣象雷達測定內容有測雲、測雨、測雹等等。測雲和測雨雷達使用的波長較短。如有用8.6毫米或1.25厘米波長的測雲雷達，測量不降水的雲；用波長3.5或10厘米的測雨雷達，可探測可能降水的雲。10厘米波長的雷達宜用於探測子降水（如冰雹）或大範圍強降水（如暴雨、台風雨）。測風雷達常需要懸掛有一個角反射靶的氣象氣球的幫助。
雷達按使用效應不同也分成不同種類，這裏舉多普勒雷達、聲雷達、激光雷達簡要談談。
多普勒雷達，是用多普勒效應來測定雲和降水粒子等運動速度的雷達。
激光雷達，是利用一種特殊的光——激光製造的雷達。激光亮度高，方向性強，發射角小，有人稱它為“目光犀利”、“明察明毫”，一點也不為過。它的亮度比太陽光還高，紅寶石激光器產生的亮度比太陽光要亮上百億倍，可以看到大氣中的氣體分子、煙塵等溶膠粒子。而且它單色性好，一般普通光源有很寬的光譜，而激光隻有單一光譜。激光雷達中，紅寶石激光雷達有幾十年的曆史，我國在1966年就研製出了第一台百兆級的紅寶石激光雷達。激光技術發展很快，並出現了分枝，如多普勒激光雷達、拉曼激光雷達、差分吸收激光雷達等，它們在監測大氣環境方麵起了不少作用。
聲波在不均勻的大氣中散射本領要比無線電波和光波大，利用這一特點製造出來的雷達叫聲雷達。大氣溫度、濕度、風速變化對聲波折射率的影響，一般要比無線電波和光波要大上千倍，所以聲波的散射量要比無線電波和光波長。
聲雷達最簡單的用途就是測定大氣中某些目標物的位置。如果要測定大氣濕度，則需要通過發射兩個不同頻率的聲波；如果再加一個溫度，就要發射四種不同頻率的聲波。聲雷達對低層大氣的遙感探測成效顯著，它造價低廉，使用方便，深受各國的表睞。我國在1975年就研製出了聲雷達，據悉，在大氣探測方麵已經取得了可喜的成果。
雷達技術發展迅速，目前與之相關的一些較完善的探測係統相繼問世。如計算機與天氣雷達相聯的數字化天氣雷達探測係統，它已經遠遠超出了對天氣現象的監測，對洪水預報、江河水位的監視都完成得很好。再如多普勒天氣雷達係統，它對警戒龍卷風有特殊的本領。還有一些天氣雷達係統，如雙波長雷達探測係統、圓盤振波雷達係統，也在發展中。
衛星巡天
自從1960年1月美國第一顆氣象衛星泰羅斯1號升空以來，俄羅斯、日本、中國、法國等都擁有了自己的氣象衛星。氣象衛星的問世，為太空探測大氣翻開了新的一頁。
氣象衛星不同於氣球、飛機、火箭等直接運用氣象儀器探測，因為它使用的是遙感技術。遙感技術，就是不實際接觸被測對象——大氣，而是從遠處高空感知事物的性質。但它又不同於雷達的遙感，如微波雷達、激光雷達、聲雷達都需要人工主動地發射波動信號，通過回收大氣相互作用信號來摸清大氣的狀況；氣象衛星隻利用天體信號源（如太陽），或直接接收大氣本身發射的信號（大氣信號源），就可達到探測的目的。按專業述語講，它屬於被動探測係統。
氣象衛星利用它的探測器，接收被測目標發射或反射的電磁輻射，就可以測出大氣的性質與狀況。氣象衛星有兩個傑出作品，叫可見光雲圖和紅外雲圖。可見光雲圖，簡言之，就是用照相方式獲得的雲圖，它用輻射儀器直接接收大氣反射的太陽光成象。可見光雲圖很直接，隻與反射率有關，如白色部分可能是反射率高的積雪和厚雲；黑色的可能是反射率低的陸地或海洋。紅外雲圖也不難理解，因為任何物體都具有溫度，溫度不同，發射的紅外輻射就不一樣，根據這種原理就可以得到一張反射不同物體的紅外特別圖像。當然，我們看到的電視衛星雲圖是經過計算機加工處理的，並非原圖。
氣象中以探測大氣的溫度、濕度以及不同氣體的含量。如波長為6.3微米左右的水汽對紅外輻射吸收能力很強，如果在衛星探測器上裝有波長為6.3微米的濾光片，就可以發現大氣中的水汽含量。氣象衛星的探測能力正在逐漸增強，它已由最初的電視攝象方式發展為掃描輻射儀和分光計（可見光、紅外和遙感的結合），可以獲取晝夜高低分辨率雲圖和大氣要素以及環境參數的定量資料。衛星資料的傳輸已發展為速率更高、抗幹擾力更強的數字製式；在資料處理方麵，人機對話係統已經建立。
氣象衛星按運行軌道可以分成兩種，一種叫地球靜止氣象衛星，高度約為36，000公裏左右，繞地球一周的時間為24小時，正好與地球自轉速度相同，因而，從地球上看，好像衛星是靜止不動的。目前，全球上空的靜止衛星每30分鍾可獲得一張雲圖照片，通過連續圖片的拚接，可以知道雲的移動形勢、高度、濕度和海水溫度等。地球靜止衛星已經發展了幾代。在這之中，歐洲氣象衛星組織已經和準備從1988年到2006年，分別發射3—7、MSG—3，共10顆氣象衛星；印度將從1990年到1998年分別發射印度衛星1d、2a、2b、2e氣象衛星；日本從1984年到1999年要發射向日葵－3——－5號，氣象衛星－1號－I～M號共四顆衛星；俄羅斯計劃從1994年到，1997年發射電子－1，電子－2氣象衛星。