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地面氣象觀測:從人工到全面自動的跨時代轉(zhuǎn)變
2020-04-09 09:02:04 來源: 光明日報
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  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、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行正式切換調(diào)整為業(yè)務(wù)運行,標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。觀測頻次較人工觀測提高4至8倍,其中云觀測站點數(shù)約提高3倍,數(shù)據(jù)量較人工觀測約增加10倍,彌補了原有人工觀測數(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,為實現(xiàn)“預(yù)報精準、服務(wù)精細”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)負責(zé)人介紹,從人工觀測到自動化觀測,需要攻克和推進應(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年自動化改革推進時,云狀觀測項目已取消;今年4月1日,地面氣象觀測自動化改革從全國試運行切換調(diào)整為正式業(yè)務(wù)運行,旨在進一步實現(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)報的精細化水平持續(xù)發(fā)揮重要作用。如對于持續(xù)時間不長的團霧,人工觀測可能無法準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)象最早的觀測項目有34種,在2014年自動化改革推進過程中,基于項目本身的觀測內(nèi)容與合并等需求去掉了十余種項目,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,其觀測自動化進展與現(xiàn)代科技進步密不可分。

  中國氣象局氣象探測中心在2010年開始進行天氣現(xiàn)象自動化觀測試驗,通過視頻實景等拍照片式的圖像識別方式,持續(xù)推進天氣現(xiàn)象自動化觀測。伴隨高精度攝像頭等技術(shù)的進步,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)象得以被進一步科學(xué)掌握。

  智能化將進一步提升觀測數(shù)據(jù)的準確率

  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是什么?張鑫介紹,自動化觀測還有改進的空間,將朝著智能化發(fā)展,進一步提升觀測數(shù)據(jù)的準確率。

  基于技術(shù)應(yīng)用完善改進: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。雖然各種觀測項目已實現(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制上仍然有提升空間。比如雪深觀測儀,雖實現(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空間。根據(jù)國外的經(jīng)驗,雪深觀測儀是通過增加探頭來提升數(shù)據(jù)收集的準確率,在國內(nèi)這樣的操作是否可行?研究人員需要驗證。把這些技術(shù)細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)準確率。技術(shù)人員還可以對傳感器、采集器等進行進一步研究,改進和完善相關(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)和遠程監(jiān)控等流程。在自動化業(yè)務(wù)運行過程中,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)運行流程來實現(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)標準,實現(xiàn)遠程互聯(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)手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程接收、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)準確率。目前,自動化觀測指標已經(jīng)達到合格線,形成自動化、集約化、標準化的業(yè)務(wù)體系。而智能化的目標就是精益求精,進一步提升觀測數(shù)據(jù)的準確率。(記者 袁于飛)

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