地面气象观测：从人工到全面自动的跨时代转变

气象观测是气象工作的基础，地面气象观测是气象工作的重要组成部分，为天气预报、气象信息、气候分析、科学研究和气象服务提供重要依据。4月1日，中国地面气象观测自动化改革正式从全国试运行转向业务运行，标志着中国地面气象观测进入全自动化时代，气象观测员成为历史。

根据国家气象信息中心的实时监测，与人工观测相比，我国自动化气象观测的观测能力明显增强。观测频率比人工观测高4-8倍，其中云观测站数量比人工观测高3倍左右，数据量比人工观测高10倍左右，弥补了原始人工观测数据的不足。同时，观测数据传输时间从分钟级增加到秒级，传输频率从5分钟增加到1分钟，大大提高了数据传输的频率和效率，为“准确预报、优质服务”的要求提供了有力支持。

“云能源与天空”三大关键技术的突破

中国气象局官员表示，从人工观测到自动观测，要攻克和推广“云能源日”三大关键技术。

大火遮住了乌云，大雨来得很快。云是悬浮在大气中的小水滴、过冷水滴、冰晶或它们的混合物的可见集合体；有时它也包含一些更大的雨滴、冰粒和雪晶体。云的观测包括云的形状、云的数量和云的高度，涉及到三组、十属、二十九种类型的云，比较复杂。当自动化改革在2014年被推进时，云观测项目被取消了。今年4月1日，地面气象观测自动化改造从全国试运行转为正式运行，旨在进一步实现云量和云高的自动化观测。

"与普通气象观测不同，云观测更复杂."中国气象局气象探测中心高级工程师张馨表示，基于对云的相对主观的定义和理解，在使用算法和声光方法处理云观测信息时，边界显得模糊。他举了一个例子。对于人工观测云高，通常使用目视观测。观察者根据云的形状、云体结构、云块大小、亮度、颜色、移动速度等基于本地经验来估计云的高度。然而，各种类型的云都在不断演变，它们的高度也不是固定的，因此在人工观察云时很容易产生很大的主观误差。因此，面对同一片天空，可以利用观测设备完成云量的观测和云底与观测站垂直距离处的云高观测，结果会更加客观。

“能量”是能见度，包括白天观察和夜间观察。与人工观测相比，自动能见度观测具有连续性和实时性，观测的可比性和稳定性好。观测的精度和时间分辨率不断提高，对提高能见度预报的精细水平起着重要作用。例如，人工观测可能无法准确捕捉到短期雾的能见度变化，但却无法逃脱自动观测仪器的“眼睛”。

“天堂”是天气现象，包括降水、地面凝结、闪电等。这些现象都是在特定的天气条件下产生的。据张馨介绍，世界上最早的气象观测项目有34种。在2014年自动化改革过程中，根据项目本身的观察内容和合并要求，删除了10多种项目，目前共有21种。具体来说，气象要素如露水和霜冻的信息是相似的，并且对下垫面的气象条件要求很高。观测自动化的进步离不开现代科学技术的进步。

中国气象局气象探测中心从2010年开始开展自动气象观测实验，并继续通过视频直播场景等图像识别方法推广自动气象观测。随着高精度照相机和其他技术的发展，已经成功地获得了更高清晰度的图像。从图像采集到处理，再到大数据、深度学习和人工智能等更丰富的智能算法的应用，天气现象可以得到更科学的掌握。

智能将进一步提高观测数据的准确性

地面气象观测自动化的帷幕已经拉开，但这仅仅是前进了一步。整体自动切换完成后，地面天气观测的下一个目标是什么？张馨说，自动观测仍有改进的空间，这将走向智能化，进一步提高观测数据的准确性。

基于技术应用的改进:地面气象观测系统由硬件和软件组成。硬件包括传感器、采集器、集成硬件控制器、通信接口、系统电源和服务终端。尽管各种观测项目已经实现了数据自动采集，但在观测能力、观测效率、观测方法和机制等方面仍有改进的空间。例如，虽然积雪深度观测仪器已经实现了自动数据采集的功能，但在复杂的天气条件下仍有改进的余地。根据国外经验，积雪深度观测仪器通过增加探头提高了数据采集的准确性。这种操作在中国可行吗？研究人员需要验证。如果将这些技术应用到每个观测仪器中，仍有很大的改进空间。同时，也可以改变一些观测方法和机制，以满足观测需要，提高观测效率和数据精度。技术人员还可以对传感器、收集器等进行进一步研究。完善相关技术，使软硬件更加匹配，采集技术更加成熟。

基于业务流程的优化和更新:自动观察需要完成数据采集、质量控制、数据传输、系统联网、远程监控等流程。在自动业务操作过程中，除了技术改进外，还可以通过优化业务操作流程来实现各环节的传输效率。观测数据从台站传输到省级信息中心，然后再传输到国家信息中心，这将在一定程度上导致数据延迟。张馨提出，如果台站数据同时传输到省信息中心和国家信息中心，传输效率将会提高，运行效率也会相应提高。对于单个观测设备的数据采集，所涉及的步骤和过程也可以重新优化，这也是自动切换后需要改进的地方。

开发新的“云+端”技术模式:随着基于自动化的技术和业务流程逐渐成熟，下一步将探索新的“云+端”技术模式的方向。自动地面气象观测的“云+终端”技术主要是建立一个新的两级自动地面气象观测框架，发展观测设备的“终端”数据采集和传输技术，统一设备级通信协议、数据格式和终端控制等技术标准，实现远程互联。发展接收和处理地面观测数据的*级“云”技术，即利用大数据、云平台、物联网等技术手段，实现远程数据接收、设备控制和数据融合处理技术。另一方面，综合判断和图像识别技术在我国复杂条件下的云观测中还不成熟。如果我们能在大数据和人工智能的方向上继续深入挖掘，并给予自动化更多的智能思考和计算，数据错误率也会降低。如果自动观测主要是解放人力、提高作业效率，那么智能观测的主要研究方向就是提高数据精度。目前，自动观测指标已达到合格线，形成自动化、集约化、标准化的业务体系。智能的目标是不断改进和进一步提高观测数据的准确性。