气象飞机是指用飞机携载气象仪器对大气进行探测。可为日常天气分析预报和各种规模的气象试验活动提供大量探测数据，尤其是在海洋等台站稀少地区，这种方法的作用更加明显。气象飞机的机种要根据任务性质来选择。远程大中型机适用于探测台风、强风暴等天气系统的内部结构；中小型机、装甲机和直升机等适用于中小尺度天气系统和云雾物理的探测；民航飞机可兼作航线气象观测；U-2型等高空侦察机可用于高层大气的探测。气象飞机探测的内容相当广泛，主要包括：温度、压力、湿度、风等常规气象要素；各种云、雾、降水物理参数（凝结核、云雨滴谱、雹谱、冰核数、含水量、云内电场、荷电量等）；大气湍流，大气电，大气的气体成分和气溶胶；用机载天气雷达和气象多普勒雷达探测周围数百公里范围内的云雨、风、湍流；用红外辐射仪探测地面、海面和云体温度，用微波辐射仪观测飞机上空累计含水量，用相机拍摄航线周围的天气实况；从飞机上下投探空仪探测飞行高度以下的大气温度、压力、湿度、风的铅直分布，下投水温廓线仪测定数百米深的海水温度等。气象飞机探测已高度自动化。多数机载的探测系统，无论从高速取样到数据储存以及分析处理，都由计算机控制完成，还可即时给出图示记录或数字打印。有些航线探测数据（温度、湿度、压力、风向、风速以及飞机所在的经纬度），可以通过飞机-卫星中继系统实时地发至使用单位，这称为阿斯达（ASDAR）。这种探测系统对于弥补海洋、沙漠、低纬度和南半球等高空站稀少地区的气象资料有重要作用。飞机飞行速度在每秒几十米以上，飞行过程会引起飞机周围大气状态急剧变化。因此，为取得各种有代表性的观测资料，常用风洞模拟实验等方法，对飞机观测仪器的设计和安装进行专门的研究。
二、气象雷达
气象雷达是探测气象要素和各种天气现象的雷达。气象雷达可提供飞机前方气象情况的准确和连续的图像并以距离和方位的形式显示出来，为飞机改变航道、避开颠簸区域和飞行安全提供保障；为天气预报，火箭、导弹和航天器的发射与飞行提供必要的气象资料；为机场气象保障和气象研究提供资料。气象雷达可分为测雨雷达、测云雷达和测风雷达等。
（一）测雨雷达
又称天气雷达，是利用雨滴、云状滴、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的降水或云中大滴的浓度、分布、移动和演变，了解天气系统的结构和特征。测雨雷达能探测台风、局部地区强风暴、冰雹、暴雨和强对流云体等，并能监视天气的变化。
（二）测云雷达
工作原理和测雨雷达相同，主要用来探测云顶、云底的高度。如空中出现多层云时，还能测出各层的高度。由于云粒子比降水粒子小，测云雷达的工作波长较短。测云雷达只能探测云比较少的高层云和中层云。对于含水量较大的低层云，如积雨云、冰雹等，测云雷达的波束难以穿透，因而只能用测雨雷达探测。
（三）测风雷达
用来探测高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素。测风雷达的探测方式一般都是利用跟踪挂在气球上的反射靶或应答器，不断对气球进行定位。根据气球单位时间内的位移，就能定出不同大气层水平风向和风速。在气球上同时挂有探空仪，遥测高空的气压、温度和湿度。大多数国家的气象雷达已布设成网，探测范围可覆盖本国国土。先进的飞机上也装有机载天气雷达。
三、气象火箭
用火箭携带气象仪器对中高层大气进行探测。探测项目包括大气的温度、密度、气压、风向和风速等气象要素，以及大气成分和太阳紫外辐射等。由于火箭飞行的高度，一般可达100公里以上，因此延伸了无线电探空仪的探测高度。气象火箭的探测资料可供研究中层大气以及宇航和导弹发射等方面使用。虽然利用气象火箭探测大气的工作从第二次世界大战末期才开始，但到1968年已发展成了全球性的火箭探测协作网，其中许多测站都定期发射火箭，交换探测资料，对比探测仪器。
（一）结构
气象火箭一般可分箭锥（箭头）、设备舱和尾段三部分。箭锥内部安装探测仪器，设备舱内安装阻尼降落伞和电路拋射系统，尾段安装有火箭发动机和燃料舱，火箭后部还装有尾翼，用以稳定火箭的姿态。
（二）探测技术
大致有以下几种：火箭到达顶端时，箭锥与箭体分离，这时拋射出仪器，利用丝绸或尼龙制成的降落伞使仪器阻尼下落，可探测20～70公里高度的各气象要素。用珠状或网状热敏电阻表测量气温，用电离压力计和热导压力计测量气压，用雷达跟踪表面金属化的阻尼伞、落降球测定风向和风速。也可用二次雷达跟踪应答器进行定位，计算出相应高度的风向和风速。但此法测风的结果不精确，已为充气星伞法所代替。在火箭上升的过程中进行探测。由于火箭上升速度快，往往使所测的温度误差大。探测气压时，为了减小空气扰动的影响，感应元件（气压表栅孔）必须安装在火箭头部足够细长的探针上。用此法可以测得100公里高度以下的气压。火箭拋出直径1米左右的金属化涤纶充气球（球表镀金属或球内装金属角形反射器），称为罗宾气球，利用精密雷达跟踪，计算出30～100公里各高度上的风和空气密度，再推算出温度、气压等气象要素。常用的星伞探测系统，充气后呈方形，具有稳定下降的作用，在球皮上喷铝聚酯薄膜材料，作为反射器，利用它携带的仪器，由雷达等跟踪探测温度和风等要素。从火箭上拋出榴弹，带到各高度上爆炸，通过地面各点监测爆炸声和观测烟云的移动，推算出40～90公里各高度上的温度、气压、风等气象要素。火箭上升到顶端，放出金属化尼龙条带或其他轻质材料，用精密雷达跟踪，可测出20～80公里各高度上的风。火箭上升到100公里以上的高空时，施放出钾或钠的蒸汽云，在不同地点用精密自动照相机同步照相，可测定蒸汽云所在高度的风。此法常用来探测110～230公里高度范围的高空风，但必须在能见度较好的黎明或黄昏才能进行观测。用取样火箭测定大气成分和臭氧含量等。此外，还有用来研究电离层、太阳紫外辐射等的气象火箭。
四、气象气球
气象气球是用橡胶或塑料等材料制成球皮，充以氢、氦等比空气轻的气体，携带仪器升空，进行高空气象观测的观测平台。它具有廉价无动力升高的特点。和地面不连接的气象气球叫做自由气球，用缆绳和地面连接的气球叫做系留气球。气球的制作材料和大小由它们的用途来确定。在气象气球发展之初，曾应用了充以热气或氢气的纸质或纺织物的球皮。到19世纪末，具有良好伸张率的膨胀性橡胶气球制成，这样就增加了气球上升所能达到的高度，扩展了高空探测的范围。20世纪60年代大型非膨胀性的薄膜塑料气球在边界层探测、全球范围内定高的水平探测以及平流层的探测试验方面得到日益广泛的应用。
（一）探空气球
探空气球是为携带仪器上升进行高空气象要素测量，或为测定高空风而装备电子设备，或两者兼有的自由气球。为了在空中，特别是在大气较高层，使温度感应器不受太阳辐射的影响，除应用温度表防辐射罩外，还应使它充分通风，为此探空气球的起始上升速度须达5～6米/秒。探空气球所能达到的最大高度，即球皮破裂时的临界高度，基本上取决于橡胶球皮的质量。在其他条件和升速均相同的情况下，球皮愈厚，则气球所能达到的高度愈高。日常使用的重量1公斤左右的探空气球，85％以上可达30公里左右的高度。
（二）系留气球
系留气球是用缆绳拴在地面绞车上的气象气球。随着水平风速的增大，系留气球升高的倾斜度加大，因此，大风天难以进行观测。为了使系留气球在气流中具有良好的稳定性，气球形状有时做成流线型。仪器设备或直接由气球携带，在升空过程中进行观测，或吊挂在缆绳的不同高度上进行观测。它可以在一段较长的时间（几小时至几十小时）内连续测量各选定高度上气象要素的变化，而不像探空气球只能一次性测量，且其测值只代表某大气层内的平均值。系留气球探测特别适用于大气污染监测和研究大气边界层等。
（三）定高气球
定高气球是在大气中保持在等密度面上平稳地随气流飘移的自由气球。定高气球的寿命取决于气球的材料和气球工作的高度。为使球皮耐压性强和保气性好，常用聚乙烯薄膜和聚酯薄膜，或由多层塑料薄膜压制而成复合膜。复合膜球皮可以减小球内气体向外逸散的速率，经受少量的超压（球内压力超过环境大气压），延长气球的寿命。也可采用在气球下部开排气口的方法，使球皮保持零压状态（球内外气压相等），以防止气球的破裂。漂移在数公里高度的定高气球易受结冰和山脉影响而下沉破裂，而10～20公里高度以上的高空定高气球，可工作数月到2年以上。气球的充气量由需达到的平衡高度以及气球和装备的总重量来确定。目前大型定高气球能携带300个下投探空仪，根据来自气象卫星的指令在指定地区下投，测量资料由定高气球收集后再通过卫星转发至地面站。这种与卫星结合的定高气球称为母子定高气球系统。定高气球在测量气团属性变化和大气电学特性等方面已广泛应用。20世纪70年代全球大气研究计划第一次全球试验中，曾大量应用定高气球在赤道和低纬度地区以及南半球上空进行环球水平大气探测，用的是名为戈斯特（GHOST）气球。
（四）平流层气球
平流层气球是升至平流层高度进行探测的大型气象气球。它采用现代定位跟踪遥控遥测等技术，不同于常规的无线电探空气球和定高气球。它所携带的仪器能够在指定地区下投回收。平流层气球可观测气象要素、大气成分、大气电、大气臭氧、太阳辐射，验证压-高公式等。平流层气球具有10～30万立方米或更大的容积，充氢气后可以负载100～150公斤的仪器。目前已具有负载达1000公斤以上的大型气球。平流层气球是一种能完成20～40公里或更高的高空探测的观测平台。施放气球一般要选择适合的季节和天气条件，结合各高度上的风向、风速情况加以控制，例如气球的水平位置利用高、低层风定位：低层为偏西风使气球东移，待升至平流层时又利用高层的偏东风向西移动，以便在完成全过程探测后尽可能在接近施放场地加以回收；气球的升降由地面遥控的排气阀和平衡器进行排气或拋压舱物来控制。目前平流层气球探测主要用于科学试验研究，它不仅用于大气成分、臭氧、太阳常数、辐射量等探测，而且还用于高能物理、天文、空间物理等多学科的探测。
（第四节）大气遥感探测
一、大气遥感概述
大气遥感是指气象仪器不直接同某处大气接触，在一定距离以外测定某处大气的成分、运动状态和气象要素值的探测方法和技术。气象雷达和气象卫星等都属于大气遥感的范畴。
（一）原理
大气不仅本身能够发射各种频率的流体力学波和电磁波，而且，当这些波在大气中传播时，会发生折射、散射、吸收、频散等经典物理或量子物理效应。由于这些作用，当大气成分的浓度、气温、气压、气流、云雾和降水等大气状态改变时，波信号的频谱、相位、振幅和偏振度等物理特征就发生各种特定的变化，从而储存了丰富的大气信息，向远处传送。这样的波称为大气信号。研制能够发射、接收、分析并显示各种大气信号物理特征的实验设备，建立从大气信号物理特征中提取大气信息的理论和方法，即反演理论，是大气遥感研究的基本任务。为此，必须应用红外、微波、激光、声学和电子计算机等一系列的新技术成果，揭示大气信号在大气中形成和传播的物理机制和规律，区别不同大气状态下的大气信号特征，确立描述大气信号物理特征与大气成分浓度、运动状态和气象要素等空间分布之间定量关系的大气遥感方程。这些理论既涉及力学和电磁学等物理学问题，又和大气动力学、大气湍流、大气光学、大气辐射学、云和降水物理学和大气电学等大气物理学问题有密切的联系。
（二）简史
大气遥感研究开始于20世纪20年代，应用吸收光谱定量分析理论和实验技术，在地面观测透过大气层的太阳紫外和近红外光谱的辐射信号，推算出大气层内臭氧和水汽的总含量。到20世纪40年代中期，用于军事侦察的微波雷达发现了来自云雨的回波信号。进一步研究表明，回波强度和降水强度密切相关。由此气象雷达获得迅速发展，成为探测降水、监测台风和风暴等灾害性天气的有效手段。20世纪60年代以后，红外、微波、激光、声学和电子计算机等新技术蓬勃发展，对大气信号的认识遍及声波、紫外、可见光、红外、微波、无线电波等波段，形成了声波大气遥感、光学大气遥感、激光大气遥感、红外大气遥感、微波大气遥感等各个分支。大气遥感被广泛应用于气象卫星、空间实验室、飞机和地面气象观测，成为气象观测中具有广阔发展前景的重要领域。
（三）种类
1.被动式大气遥感