氣象觀測是氣象工作的基礎，地面氣象觀測是其重要組成部分，為天氣預報、氣象信息、氣候分析、科學研究和氣象服務提供重要依據(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整為業(yè)務運行，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)“預報精準、服務精細”的要求提供了有力支撐。
突破“云能天”三方面的關鍵技術
中國氣象局有關負責人介紹，從人工觀測到自動化觀測，需要攻克和推進應用“云能天”三方面的關鍵技術。
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整為正式業(yè)務運行，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，云的觀測更為復雜。”中國氣象局氣象探測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、云體結構、云塊大小、亮度、顏色、移速等，結合本地經(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、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)、深度學習、人工智能等更豐富的智能算法的應用，天氣現(xiàn)象得以被進一步科學掌握。
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。
基于技術應用完善改進：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，在國內這樣的操作是否可行？研究人員需要驗證。把這些技術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，以適應觀測需要，提升觀測效率和數(shù)據(jù)準確率。技術人員還可以對傳感器、采集器等進行進一步研究，改進和完善相關技術，讓硬件與軟件更匹配，使采集技術更成熟。
基于業(yè)務流程優(yōu)化更新：自動化觀測需要完成數(shù)據(jù)采集、質量控制、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)務運行過程中，每一個環(huán)節(jié)的傳輸效率除了通過技術提高外，還可以依靠優(yōu)化業(yè)務運行流程來實現(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，在一定程度上會導致數(shù)據(jù)延遲。張鑫提出設想，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，運行效率也會相應提高。針對單個觀測設備的數(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”技術新模式：當基于自動化的技術和業(yè)務流程逐漸成熟，下一步，自動化觀測或將朝著“云+端”技術新模式方向探索。地面自動氣象觀測“云+端”技術，主要是建立地面自動氣象觀測兩級架構新模式，發(fā)展觀測設備“端”數(shù)據(jù)采集和傳輸技術，統(tǒng)一設備級通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、終端控制等技術標準，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，即利用大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)等技術手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程接收、設備控制和數(shù)據(jù)的融合加工處理技術。另一方面，我國在復雜條件下云天觀測所用到的綜合判識和圖像識別技術仍然不成熟。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）
