氣象觀測(cè)是氣象工作的基礎(chǔ)，地面氣象觀測(cè)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(guó)地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化改革從全國(guó)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(guó)地面氣象觀測(cè)邁入全面自動(dòng)化時(shí)代，氣象觀測(cè)員成為歷史。
據(jù)國(guó)家氣象信息中心實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，相比人工觀測(cè)，我國(guó)自動(dòng)化氣象觀測(cè)的觀測(cè)能力明顯增強(qiáng)。觀測(cè)頻次較人工觀測(cè)提高4至8倍，其中云觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)約提高3倍，數(shù)據(jù)量較人工觀測(cè)約增加10倍，彌補(bǔ)了原有人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足。同時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸用時(shí)由分鐘級(jí)提高至秒級(jí)，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(guó)氣象局有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，從人工觀測(cè)到自動(dòng)化觀測(cè)，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(lái)得快。云是懸浮在大氣中的小水滴、過(guò)冷水滴、冰晶或它們的混合物組成的可見聚合體；有時(shí)也包含一些較大的雨滴、冰粒和雪晶。對(duì)云的觀測(cè)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(dòng)化改革推進(jìn)時(shí)，云狀觀測(cè)項(xiàng)目已取消；今年4月1日，地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化改革從全國(guó)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(dòng)化觀測(cè)。
“與一般的氣象要素觀測(cè)不同，云的觀測(cè)更為復(fù)雜?！敝袊?guó)氣象局氣象探測(cè)中心高級(jí)工程師張?chǎng)握f(shuō)，基于對(duì)云的定義和理解相對(duì)主觀，在利用算法和聲光電等方式處理云的觀測(cè)信息時(shí)，顯得邊界比較模糊。他舉例，對(duì)于云高的人工觀測(cè)，通常采用目測(cè)方式，由觀測(cè)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(cè)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(cè)云時(shí)容易產(chǎn)生較大的主觀誤差。因此，面對(duì)同一片天空，通過(guò)觀測(cè)設(shè)備完成對(duì)云遮蔽天空視野成數(shù)的云量觀測(cè)和云底距測(cè)站垂直距離的云高觀測(cè)，結(jié)果將更為客觀。
“能”即能見度，涉及白天觀測(cè)和夜間觀測(cè)。相較于人工觀測(cè)，能見度自動(dòng)觀測(cè)是連續(xù)、實(shí)時(shí)的，觀測(cè)的可比性和穩(wěn)定性較好，觀測(cè)的精度和時(shí)間分辨率不斷提高，對(duì)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(duì)于持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)的團(tuán)霧，人工觀測(cè)可能無(wú)法準(zhǔn)確捕捉能見度的變化情況，但逃不過(guò)自動(dòng)觀測(cè)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?chǎng)谓榻B，天氣現(xiàn)象最早的觀測(cè)項(xiàng)目有34種，在2014年自動(dòng)化改革推進(jìn)過(guò)程中，基于項(xiàng)目本身的觀測(cè)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(duì)下墊面的氣象條件要求較高，其觀測(cè)自動(dòng)化進(jìn)展與現(xiàn)代科技進(jìn)步密不可分。
中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心在2010年開始進(jìn)行天氣現(xiàn)象自動(dòng)化觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)視頻實(shí)景等拍照片式的圖像識(shí)別方式，持續(xù)推進(jìn)天氣現(xiàn)象自動(dòng)化觀測(cè)。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(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率
地面氣象觀測(cè)自動(dòng)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(dòng)化切換后，地面氣象觀測(cè)下一個(gè)目標(biāo)是什么？張?chǎng)谓榻B，自動(dòng)化觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)，但在觀測(cè)能力、觀測(cè)效率以及觀測(cè)方法和機(jī)制上仍然有提升空間。比如雪深觀測(cè)儀，雖實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，雪深觀測(cè)儀是通過(guò)增加探頭來(lái)提升數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確率，在國(guó)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(gè)觀測(cè)儀器上，仍有很大的提升空間。同時(shí)，一些觀測(cè)方法和機(jī)制也可以改變，以適應(yīng)觀測(cè)需要，提升觀測(cè)效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。技術(shù)人員還可以對(duì)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(dòng)化觀測(cè)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(dòng)化業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)的傳輸效率除了通過(guò)技術(shù)提高外，還可以依靠?jī)?yōu)化業(yè)務(wù)運(yùn)行流程來(lái)實(shí)現(xiàn)。觀測(cè)數(shù)據(jù)從臺(tái)站到省級(jí)信息中心，再到國(guó)家級(jí)信息中心，每一級(jí)的傳遞，在一定程度上會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲。張?chǎng)翁岢鲈O(shè)想，如果將臺(tái)站數(shù)據(jù)同時(shí)傳給省級(jí)信息中心和國(guó)家級(jí)信息中心，傳輸效率就能提高，運(yùn)行效率也會(huì)相應(yīng)提高。針對(duì)單個(gè)觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，涉及的步驟和過(guò)程也可以再優(yōu)化，這也是自動(dòng)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(dòng)化的技術(shù)和業(yè)務(wù)流程逐漸成熟，下一步，自動(dòng)化觀測(cè)或?qū)⒊霸?端”技術(shù)新模式方向探索。地面自動(dòng)氣象觀測(cè)“云+端”技術(shù)，主要是建立地面自動(dòng)氣象觀測(cè)兩級(jí)架構(gòu)新模式，發(fā)展觀測(cè)設(shè)備“端”數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，統(tǒng)一設(shè)備級(jí)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(cè)數(shù)據(jù)接收處理中心級(jí)的“云”技術(shù)，即利用大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、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(guó)在復(fù)雜條件下云天觀測(cè)所用到的綜合判識(shí)和圖像識(shí)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(dòng)化更多智能思考和運(yùn)算，同樣也會(huì)降低數(shù)據(jù)差錯(cuò)率。如果說(shuō)自動(dòng)化觀測(cè)主要解放了人力，提高了運(yùn)行效率，那么智能化觀測(cè)的主要研究方向就是提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。目前，自動(dòng)化觀測(cè)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到合格線，形成自動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。（記者 袁于飛）
