地面氣象觀測：從人工到全面自動的跨時代轉(zhuǎn)變

氣象觀測是氣象工作的基礎(chǔ)，地面氣象觀測是其重要組成部分，為天氣預(yù)報(bào)、氣象信息、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要依據(jù)。4月1日，我國地面氣象觀測自動化改革從全國試運(yùn)行正式切換調(diào)整為業(yè)務(wù)運(yùn)行，標(biāo)志著我國地面氣象觀測邁入全面自動化時代，氣象觀測員成為歷史。

據(jù)國家氣象信息中心實(shí)時監(jiān)控顯示，相比人工觀測，我國自動化氣象觀測的觀測能力明顯增強(qiáng)。觀測頻次較人工觀測提高4至8倍，其中云觀測站點(diǎn)數(shù)約提高3倍，數(shù)據(jù)量較人工觀測約增加10倍，彌補(bǔ)了原有人工觀測數(shù)據(jù)的不足。同時，觀測數(shù)據(jù)傳輸用時由分鐘級提高至秒級，傳輸頻次從5分鐘提升至1分鐘，數(shù)據(jù)傳輸頻次與效率大幅增加，為實(shí)現(xiàn)“預(yù)報(bào)精準(zhǔn)、服務(wù)精細(xì)”的要求提供了有力支撐。

突破“云能天”三方面的關(guān)鍵技術(shù)

中國氣象局有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，從人工觀測到自動化觀測，需要攻克和推進(jìn)應(yīng)用“云能天”三方面的關(guān)鍵技術(shù)。

火燒烏云蓋，大雨來得快。云是懸浮在大氣中的小水滴、過冷水滴、冰晶或它們的混合物組成的可見聚合體；有時也包含一些較大的雨滴、冰粒和雪晶。對云的觀測包括云狀、云量、云高等項(xiàng)目，涉及三族十屬二十九類云，較為復(fù)雜。2014年自動化改革推進(jìn)時，云狀觀測項(xiàng)目已取消；今年4月1日，地面氣象觀測自動化改革從全國試運(yùn)行切換調(diào)整為正式業(yè)務(wù)運(yùn)行，旨在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)云量、云高的自動化觀測。

“與一般的氣象要素觀測不同，云的觀測更為復(fù)雜?！敝袊鴼庀缶謿庀筇綔y中心高級工程師張鑫說，基于對云的定義和理解相對主觀，在利用算法和聲光電等方式處理云的觀測信息時，顯得邊界比較模糊。他舉例，對于云高的人工觀測，通常采用目測方式，由觀測員根據(jù)云狀、云體結(jié)構(gòu)、云塊大小、亮度、顏色、移速等，結(jié)合本地經(jīng)驗(yàn)估測云高。而各種云都是在不斷演變的，高度不固定，所以人工觀測云時容易產(chǎn)生較大的主觀誤差。因此，面對同一片天空，通過觀測設(shè)備完成對云遮蔽天空視野成數(shù)的云量觀測和云底距測站垂直距離的云高觀測，結(jié)果將更為客觀。

“能”即能見度，涉及白天觀測和夜間觀測。相較于人工觀測，能見度自動觀測是連續(xù)、實(shí)時的，觀測的可比性和穩(wěn)定性較好，觀測的精度和時間分辨率不斷提高，對于提升能見度預(yù)報(bào)的精細(xì)化水平持續(xù)發(fā)揮重要作用。如對于持續(xù)時間不長的團(tuán)霧，人工觀測可能無法準(zhǔn)確捕捉能見度的變化情況，但逃不過自動觀測儀器的“眼睛”。

“天”即天氣現(xiàn)象，包括降水、地面凝結(jié)、雷電等，這些現(xiàn)象都是在一定的天氣條件下產(chǎn)生的。張鑫介紹，天氣現(xiàn)象最早的觀測項(xiàng)目有34種，在2014年自動化改革推進(jìn)過程中，基于項(xiàng)目本身的觀測內(nèi)容與合并等需求去掉了十余種項(xiàng)目，目前共有21種。具體而言，例如露和霜等氣象要素信息較為相似，且對下墊面的氣象條件要求較高，其觀測自動化進(jìn)展與現(xiàn)代科技進(jìn)步密不可分。

中國氣象局氣象探測中心在2010年開始進(jìn)行天氣現(xiàn)象自動化觀測試驗(yàn)，通過視頻實(shí)景等拍照片式的圖像識別方式，持續(xù)推進(jìn)天氣現(xiàn)象自動化觀測。伴隨高精度攝像頭等技術(shù)的進(jìn)步，更高清晰度的圖片被成功獲取，從圖像采集到處理，再到大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、人工智能等更豐富的智能算法的應(yīng)用，天氣現(xiàn)象得以被進(jìn)一步科學(xué)掌握。

智能化將進(jìn)一步提升觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率

地面氣象觀測自動化的大幕已經(jīng)拉開，但這僅僅是邁出的一步。在完成整體的自動化切換后，地面氣象觀測下一個目標(biāo)是什么？張鑫介紹，自動化觀測還有改進(jìn)的空間，將朝著智能化發(fā)展，進(jìn)一步提升觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。

基于技術(shù)應(yīng)用完善改進(jìn)：地面氣象觀測系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件包括傳感器、采集器、綜合集成硬件控制器、通信接口、系統(tǒng)電源和業(yè)務(wù)終端等。雖然各種觀測項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)自動化采集數(shù)據(jù)，但在觀測能力、觀測效率以及觀測方法和機(jī)制上仍然有提升空間。比如雪深觀測儀，雖實(shí)現(xiàn)了自動化采集數(shù)據(jù)功能，但在復(fù)雜氣象條件下仍有改進(jìn)空間。根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，雪深觀測儀是通過增加探頭來提升數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確率，在國內(nèi)這樣的操作是否可行？研究人員需要驗(yàn)證。把這些技術(shù)細(xì)化到每一個觀測儀器上，仍有很大的提升空間。同時，一些觀測方法和機(jī)制也可以改變，以適應(yīng)觀測需要，提升觀測效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。技術(shù)人員還可以對傳感器、采集器等進(jìn)行進(jìn)一步研究，改進(jìn)和完善相關(guān)技術(shù)，讓硬件與軟件更匹配，使采集技術(shù)更成熟。

基于業(yè)務(wù)流程優(yōu)化更新：自動化觀測需要完成數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)組網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等流程。在自動化業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中，每一個環(huán)節(jié)的傳輸效率除了通過技術(shù)提高外，還可以依靠優(yōu)化業(yè)務(wù)運(yùn)行流程來實(shí)現(xiàn)。觀測數(shù)據(jù)從臺站到省級信息中心，再到國家級信息中心，每一級的傳遞，在一定程度上會導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲。張鑫提出設(shè)想，如果將臺站數(shù)據(jù)同時傳給省級信息中心和國家級信息中心，傳輸效率就能提高，運(yùn)行效率也會相應(yīng)提高。針對單個觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，涉及的步驟和過程也可以再優(yōu)化，這也是自動化切換后可以改進(jìn)的地方。

發(fā)展“云+端”技術(shù)新模式：當(dāng)基于自動化的技術(shù)和業(yè)務(wù)流程逐漸成熟，下一步，自動化觀測或?qū)⒊霸?端”技術(shù)新模式方向探索。地面自動氣象觀測“云+端”技術(shù)，主要是建立地面自動氣象觀測兩級架構(gòu)新模式，發(fā)展觀測設(shè)備“端”數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，統(tǒng)一設(shè)備級通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、終端控制等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互聯(lián)互通。發(fā)展地面觀測數(shù)據(jù)接收處理中心級的“云”技術(shù)，即利用大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收、設(shè)備控制和數(shù)據(jù)的融合加工處理技術(shù)。另一方面，我國在復(fù)雜條件下云天觀測所用到的綜合判識和圖像識別技術(shù)仍然不成熟。如果能在大數(shù)據(jù)、人工智能方向繼續(xù)深挖，賦予自動化更多智能思考和運(yùn)算，同樣也會降低數(shù)據(jù)差錯率。如果說自動化觀測主要解放了人力，提高了運(yùn)行效率，那么智能化觀測的主要研究方向就是提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。目前，自動化觀測指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到合格線，形成自動化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)體系。而智能化的目標(biāo)就是精益求精，進(jìn)一步提升觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。