概念
全球觀測系統是指世界天氣監視網的主要組成部分，包括在地球表面進行的測量，由氣球和火箭攜帶探空儀深入到大氣中進行的探測，以及向下俯視的衛星系統。地面觀測屬於“天氣學”的綜合觀測——在全球所有地區於同一時悶以同一方式進行。
結構特點
全球觀測系統，包括三個世界氣象中心(華盛頓、莫斯科、墨爾本)和若干個區域氣象中心及國家氣象中心。除廣泛充實地面和高空觀測網外，所有空白地帶，不論陸地或海洋，都設立了自動氣象站。
全球觀測系統，實際上由所有國家參與的台站提供每3小時或6小時一次的氣壓、溫度、濕度、風、降水、天氣狀況、雲和能見度的基本測量。有些台站，大多在飛機場提供每小時一次的觀測以及突變天氣的特殊報告。經由世界氣象組織(WM0)制定的合作協定中，許多地面天氣站被指定來作區域和全球的分析和預報。另有一些站根據需要被指定來滿足國家的需要。對地面以上直至15～20000米的大氣中的溫度、風、濕度和氣壓狀況的觀測是由氣球攜帶的無線電探空儀進行的，它們將數據從其感測器傳送回地面站。全球約有1000個站被指定來進行高空溫度、濕度和氣壓的測量，每天至少1次；有時2次(00或12世界時)或4次。國際上一致認同的全球和區域高空資料需求略大於現有的高空站網觀測。這些高空資料對於飛機駕駛員繪製航線圖和決定燃料需求量有直接好處。為了為區域和全球尺度數值預報模式提供初始場，這些資料對於確定當前大氣狀況也都是十分重要的。
長期目標
全球觀測系統的長期目標有：
①改進和最佳化全球系統，從而能最有效和高效率地觀測大氣和海洋表面狀態，不斷提高天氣分析、預報和警報的精度，為世界氣象組織計畫以及其他相關國際組織計畫開展的氣候和環境監測活動服務。
②為觀測技術和規範的必要標準化作準備，包括區域網路的規劃，以滿足用戶在質量空間和時間解析度、長期穩定性方面的需求。
觀測子系統類型
①地面觀測子系統
全球觀測系統的地面觀測子系統由全球各國的10965個地面觀測台站組成，其中1973年我國提供了207個地面站參加全球交換。地面台站大多數進行每小時觀測(最少也要進行3h觀測)，觀測的氣象要素主要有氣壓、氣溫、相對濕度、風向和風速。其中的4000多個台站組成了世界氣象組織的6個區域基本天氣觀測站網，其中我國提供了381個地面站參加區域交換。區域交換台站的觀測資料均通過全球電信系統進行實時的交換，部分地面台站還是全球氣候觀測系統地面觀測網的觀測站。
②高空觀測子系統
全球觀測系統的高空觀測子系統是由900多個探空站完成的，其中1973年我國提供了89個高空站參加全球交換。探空站通過負載於上升氣球上的無線電探空儀進行地面至高空30km的溫、壓、濕、風的觀測。有2/3以上的台站是在世界時00點和正午12點進行探空觀測，有100多個台站每天進行一次探空觀測。在北大西洋海區，有15艘船通過“自動化船載高空探測計畫(ASAP)”來進行無線電探空。
③海洋觀測子系統
全球觀測系統的海洋觀測子系統平台包括船舶、固定浮標、漂流浮標和固定平台。近些年來，環境衛星探測大大豐富了海洋信息資料的來源。船舶觀測主要是由世界氣象組織自願觀測船計畫(VOSP)組織進行，觀測的要素與岸基觀測站的相同，包括海表面溫度、浪高和波浪周期等。全球大約有7000隻觀測船，其中40%左右的船舶在任意指定時間都會在海上進行觀測。漂流浮標業務計畫管理著大約750個漂流浮標，這些浮標每天提供6000多份海表面溫度和氣壓的報告。
④飛機觀測子系統
全球有3000多架飛機為全球觀測系統提供航線的氣壓、氣溫和風的報告。飛機氣象數據中轉系統(AMDAR)提供飛機升降中規定層以及航線的高質量的溫度和風觀測資料。飛機觀測資料的數據量在近些年來飛速增長，已由2000年的每天78000份報告增加到2002年的每天140000份。在缺少無線電探空資料的地區，飛機觀測是高空資料的主要來源。
⑤衛星觀測子系統
截止到2003年，衛星環境監測網包括有5顆極軌業務衛星、6顆靜止業務衛星和幾顆研發衛星。極軌、靜止衛星通常裝載有可見光和紅外的圖像遙感器，每個遙感器都可獲取多個氣象要素的資料。一些極軌氣象衛星還裝載有可以提供無雲量區的溫度資料和濕度垂直資料的探測儀器。靜止氣象衛星還可以測量水汽和熱帶地區的風雲資料。
衛星遙感、通訊和資料同化技術的不斷發展，使得衛星資料的數據量增長迅速。隨著氣象數值模式的不斷改進，衛星探測的溫度和濕度資料在模式中的套用前景廣闊。研發衛星是全球觀測系統高空觀測的最新成員，其使命是為氣象業務和世界氣象組織的科研訐劃提供有價值的資料。研發衛星提供的資料是氣象業務衛星不經常觀測的，這對當前的衛星業務系統是一個重大的改進。
⑦全球觀測系統其他平台觀測
除了以上的常規氣象資料觀測平台，全球觀測系統還包括太陽輻射觀測、閃電定位儀、潮位儀(即驗潮儀)、風廓線儀和新一代天氣雷達等非常規觀測平台。風廓線儀和都卜勒(Doppler)天氣雷達都能夠獲得較高時空解析度的探測資料，尤其是對低層大氣的探測。作為綜合觀測網的一部分，風廓線儀有著巨大的可用潛力，尤其是與球載儀探空同時進行探測。都卜勒天氣雷達主要用於對小尺度惡劣天氣的探測，對風和雨量的測量尤為準確。全球觀測系統的另一個重要任務是對觀探測資料進行質量評估。全球有許多資料處理中心。這些中心將不同要素的觀測資料分別同最初數值的短期預報進行比較，如果存在較大差值，則該觀測值為可疑數據，並將評估結果反饋給觀測國以期獲得修正。
運用與發展
①世界氣象組織（WMO）充分認識到在業務衛星和研發衛星間存在不小的差距，因此有必要發布一套指南，從而最大程度地利用兩類衛星的數據資源。因此，在世界氣象組織第53次執行理事會上同意應拓展包括研發環境衛星任務在內的全球天氣觀測計畫中全球觀測系統的空基部分。
全球觀測系統中空基部分的擴充，勢必導致對環境衛星數據、產品使用和服務需求的大幅度增加，為了適應全球觀測系統巾空基觀測的發展，WMO第53次執行理事會同意成立空間計畫司(Space Programme)，以專門負責處理與空基觀測相關的事務。
空間計畫司隸屬於WMO綜合觀測系統部的觀測和信息系統部(OBS)。技術上，空間計畫司對基本系統委員會(The Commission for Basic Systems，CBS)負責，歸屬於CBS中的綜合觀測系統組(OPAG—IOS)。當前，空間計畫司負責OPAG—IOS中衛星系統、衛星套用和全球觀測系統評估專家組的工作。
在環境衛星運營商及WMO衛星事務高層政策諮詢會間已建立有效的對話機制，保證WMO衛星事務高層政策諮詢會可為與政策相關事務方面提供建議和指導，並在較高層面上把握WMO空間計畫的工作。
空間計畫司與WMO的其他計畫密切相關，如與世界天氣觀測、減災計畫 Programme，DRR)、熱帶氣旋計畫及全球氣候觀測計畫等密切相關。此外，空間計畫司不僅與氣象衛星協調組織(Co--ordination Group for Meteorological Satellites，CGMS)及CGMS下屬的科學組——國際A-TOVS 7工作組(ITWG)、國際降水工作組(IPWG)和國際風工作組(IWWG)保持密切聯繫，同時與地球觀測委員會(CEOS)及CEOS的綜合全球觀測系統(IGOS)、對地觀測組織(GEO)及GEO的GEOSS保持聯繫。與此同時，WMO空間計畫司還與聯合國糧農組織(FAO)、聯合國開發計畫署(UNDP)、聯合國環境規劃署(UNEP)、聯合國教科文組織(UNESCO)及和平利用外層空間委員會等聯合國機構保持有效合作。
②21世紀以來，高解析度對地觀測衛星快速發展，對地觀測系統由最初的單星模式發展為當前的輕小型衛星組建星座，實現了全天時、全天候、全方位的對地精細化觀測。未來將對地觀測衛星星座與通信衛星、導航衛星和飛機等空間節點通過動態組網，建立天基空間信息網路，以實現智慧型化空天信息的實時服務。為了進一步增強系統的智慧型化水平，提高系統感知、認知能力和應急回響能力，不少研究學者提出未來空間信息網路環境下對地觀測腦(earth observation brain，EOB)的概念，對地觀測腦是基於事件感知的智慧型化對地觀測系統。有相關文獻詳細介紹了對地觀測腦的概念模型及需要解決的關鍵技術，並舉例說明了對地觀測腦初級階段的感知、認知過程。將來對地觀測腦可以回答何時(when)、何地(where)、何目標(what object)發生了何種變化(what change)，並在規定的時間(right time)和地點(right place)把這些正確的信息(right information)推送給需要的人(right people)的手機或其他智慧型終端，全球用戶可實時獲得所需的任何數據、信息和知識。
