氣象探測設備的微型化智能化發展對傳統氣象業務的影響分析

王喆 周勇 唐偉 龔江麗 沈文海

智慧氣象包括智能的信息獲取、精準的預報預測、開放的氣象服務、高效的科學管理、深度的產業融合、持續的科技創新6方面主要特征，是新時期氣象現代化的重要標志。其中，智能的信息獲取也稱“智能的感知”，是各類智慧產業的共性內涵，也是智慧氣象的必要組成部分。隨著以傳感技術、計算機技術、通信與控制技術、微納米技術為代表的信息技術與制造技術的日新月異，傳感設備逐漸朝著微小型化、集成化、網絡化、智能化方向發展，為下一代氣象探測設備的發展提供了強大推動力與更多的可能性。可以預見，氣象探測設備的微小型化和智能化將是今后的發展趨勢，勢必會對氣象業務的發展產生多方面的影響。

一、微型智能探測設備的發展趨勢和特點

信息技術的發展促進了氣象探測技術的進步。自16世紀以來，隨著一系列測量地面要素的儀器投入實際應用，使大氣探測進入到定量器測階段。1901年無線電通信技術的發明，以及氣象探測傳感設備的數字化導致了無線電探空儀的發明，從而使得氣象探空業務成為可能。二戰初期原本用于作戰的雷達技術，后來在氣象領域得到了廣泛應用。美國于1958年1月試驗成功本國第一顆人造衛星，隨后便于1960年4月發射了“泰羅斯-1號”用于氣象觀測業務。20世紀后期各種類型的遙感設備相繼研制和試驗成功，如激光雷達、風廓線儀、微波輻射計等，氣象探測儀器和設備的自動化程度、精度和效率越來越高，極大地推動著氣象預報和氣象服務水平的提升。

以計算機、傳感器等為代表的信息技術產品更新換代的速度加快，功能不斷強大與完善，體積卻可以越做越小。以電子計算機為例，從大型主機、個人電腦、筆記本直至智能手機，每10年體積縮小超過100倍，如圖1所示。特別是隨著微納米技術的發展，微型智能傳感器、毫米級計算機、智能灰塵等產品和概念相繼問世，為新一代氣象探測儀器和設備的發展提供了強有力的技術支撐。

微傳感器因其微型化、智能化、低功耗、易集成的特點而越來越受到青睞。特別是目前基于微機電系統（MEMS）的微傳感器，其內部結構一般在微米甚至納米量級，主要由傳感器、動作器（執行器）和微能源三大部分組成，是一個獨立的智能系統。微機電系統涉及物理學、半導體、光學、電子工程、化學、材料工程、機械工程、醫學、信息工程及生物工程等多種學科和工程技術，為智能系統、消費電子、可穿戴設備、智能家居、系統生物技術的合成生物學與微流控技術等領域開拓了廣闊的用途。常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS溫濕度傳感器等以及它們的集成產品。概括起來，MEMS具有以下幾個基本特點，微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產。圖2為一微型（2平方毫米）無線溫度傳感器，只需要從附近的一個路由器獲取能量便可正常工作。

智能灰塵概念最早由美國加州大學伯克利分校的Kristofer Pister 教授提出，屬于一種分布式的傳感器網絡系統，由多個微小傳感器組成，可隨機且大量的投放到目標環境當中，通過具備溫度、加速度、磁場等傳感功能的智能灰塵傳感器可對周邊環境進行監測并能追蹤到自身的位置，通過無線網絡進行有效的接力通信將目標環境信息發送到接收器中以進行高效的分析與精確地處理。智能灰塵系統非常適合進行災害監測或廣域無人區域的氣象監測。根據Gartner 2017年7月發布的新興技術成熟度曲線，“智能灰塵（Smart Dust）”處于新技術“觸發期”，將是未來幾年戰略性技術趨勢的前沿熱點，如圖3所示。

近期，美國科學家研制出一種可供青光眼病人使用的植入式眼壓監測器，據信這是世界首個完整的毫米級計算系統原型。輔之以一套無需調諧便可找準頻率的緊湊型無線電設備，多個毫米級計算系統就能搭建成一個無線傳感器網絡。系統雖然微小卻五臟俱全，包括耗電極微的微處理器、感壓器、記憶體、薄膜電池，太陽能電池和帶有天線、可以將數據傳至外部接收器的無線電臺。這個微型系統有望在數年內完成商業化，并且被認為是計算機工業的未來發展方向。

即便是人造衛星也向著小型化、微型化的方向發展，與以往的大衛星相比，微小衛星具有技術含量高、研制周期短、研制經費和發射成本低等優勢，且可以進一步組網，以分布式的星座形成“虛擬大衛星”。

目前，市場上已經出現了應用智能傳感設備進行氣象觀測和空氣質量檢測，如墨跡天氣公司的空氣果、海爾公司的空氣盒子等。以空氣果為例，其室外版集成了溫度、濕度、氣壓三大氣象要素以及PM2.5的監測，采用ZigBee通信協議與其他空氣果連接，組成一張監測網，并將數據上傳，通過移動終端APP查看。雖然沒有達到智能微塵的微小程度，但理念類似。

準專業化的小微型智能氣象探測設備也已問世。Bloomsky公司于2014年推出了一款智能天氣監測設備，這款設備號稱是一體化的戶外氣象站，目前的售價為169美元。室外版內置了溫度、濕度、光照、氣壓、紫外線甚至雨量傳感器，能夠觀測附近實時的天氣狀況。其測溫范圍-25～65℃，精度0.4℃；測濕范圍1～99%，精度±5%；氣壓分辨率1hPa；雨量傳感器最小檢測閾值1mm/1hr。除此之外，其內置了170°超廣角攝像頭，能夠在白天每隔3到5分鐘拍攝一張照片上傳到云端。Bloomsky storm版還具有風傳感器，可以測量風速風向等。研發團隊在極端戶外條件下對這兩款產品進行了測試，發現其能經受暴雨和大風等天氣的考驗，內置電池一次充電最長可以使用兩周時間。該儀器攜帶便攜、安裝方便，若廣泛應用可有效解決氣象觀測站稀少、地形復雜地區氣象數據覆蓋范圍有限、實時性不高的缺陷；其Wifi聯網功能可以與智能設備連接進行數據的傳輸、處理和展示。

可見，微型化、智能化、網絡化是這類信息技術產品的共同特點。微型化與集成微電子機械加工技術的日趨成熟密不可分，微型化的同時還會降低功耗與成本，可靠性與穩定性會越來越高，同時可以保證探測精度。智能化是指傳感器和計算機融為一體，實現傳感功能與數據處理、存儲、雙向通信集成，可實現信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊以及內部自檢、自校、自補償、自診斷等功能；同時智能傳感器也可與人工智能結合，具備模糊推理、人工神經網絡、專家系統等高度智能化的功能。網絡化即物聯，指傳感器具備自組網能力，實現針對同一觀測任務的互相協同。

二、微型智能氣象觀測對傳統氣象業務的影響

目前氣象觀測業務可以用“大”、“固”、“疏”、“定”、“專”等幾個字概括。“大”是指觀測儀器大多為中大型設備，如自動氣象站里的各種儀器、氣象雷達、氣象衛星等；“固”是指觀測儀器大多固定放置，直接探測或遙感儀器布設點周圍的氣象信息，移動性差，靈活性低，且需要外接電源；“疏”是指雖然站點數量仍在不斷增加，但受到設備成本和安裝條件等制約，站點密度仍比較稀疏，尚難滿足中小尺度預報服務的觀測需求；“定”是指數據傳輸為定時定點，在固定時刻進行數據采集并傳輸；“專”是指觀測多為國家統一布局，儀器定標、數據傳輸和質量控制按照國家氣象業務標準執行。微型智能觀測設備由于其技術特性，使得觀測具備如下新的特點：一是隨時觀測，安裝在各種移動終端上的設備在任何時刻都可傳輸觀測數據，不受固定數據采集傳輸的影響；二是隨處觀測，同樣是因為其微型化，使得觀測地點的選擇更為自由便利和廣泛，甚至可由無人機進行拋灑，觀測傳統儀器不易進入的地方；三是自適應觀測，傳感計算一體化以及物聯特性，使得儀器定標、質控等具備“智慧化”特點；四是社會化觀測，微小型化及低廉的成本使得人人都能進行觀測。因此，隨著微型智能觀測技術的不斷成熟，普及率越來越高，若廣泛應用到氣象觀測業務中，將會對現有氣象觀測業務產生多方面的影響。

2.1 對觀測業務布局的影響

當前，全國地面氣象觀測站是按照行政區劃建站統一布局的，站網分布相對均勻。截至2016年底，全國范圍內的國家級地面氣象觀測站2423個，平均站間距71km；區域氣象觀測站57435個，平均站間距約29.6km；高空氣象觀測站120個，平均站間距250km。依托地面氣象觀測站，還構建了輻射觀測、雷電觀測、環境氣象觀測、農業氣象觀測等專業觀測站網。同時，我國還建有小規模的移動氣象觀測體系，包括2部L波段探空、45部天氣雷達、31部風廓線雷達，以及241部便攜式自動氣象站和708部便攜式自動土壤水分觀測儀，是固定氣象觀測系統的延伸和有效補充。

精細化短時臨近預報和專業氣象服務經常要求在特定時間范圍內對特定區域進行基本氣象要素的加密觀測。目前的移動天氣雷達和移動地面觀測站在面對長時間、大面積觀測時，難以充分滿足需求。而氣象要素感應元器件的微型化、廉價化和智能化，使其應用物聯網技術，可快速部署具備空間密度滿足需求、資料品質符合探測業務規范的臨時地面觀測網，并在觀測任務結束后快速回收所有設備，代價低、效果好。這種技術在地面觀測及類似領域的有效應用，將使得氣象基本探測體系逐漸實現“彈性化”，即在維持滿足基本氣象業務需求的固定觀測空間密度基礎上，實現任何區域、任何時段和任何密度的氣象觀測網的快速部署和觀測設備的快速回收，以滿足特定任務對特定時空密度的觀測需求。另外，微型智能觀測設備完全可以在智能終端、可穿戴設備和公共設施上搭載，這樣就可以實現基本氣象要素獲取的大眾參與。雖然這種方式依賴于人類居住和活動等條件限制，在空間分布方面與氣象業務需求存在一定差距，但畢竟在特定地理范圍內是對氣象探測業務體系的一種補充，而且從服務角度講，能夠獲取到更加接近服務熱點地區的實況數據，比采用臨近固定站點的觀測數據更加真實有效。

因此，短期來看，微型智能觀測設備主要應用于專業氣象觀測和社會觀測的補充，暫時還不能替代國家統一布局氣象觀測系統，但隨著其觀測精確度越來越高，觀測要素越來越多樣，觀測能力不斷提升，以及社會化的普及率的越來越高，可以預見這類觀測將會不斷發展壯大，將會觸動和轉變現有的觀測業務布局方式：一是由自上而下統一布局向自下而上接納適應轉變，觀測設備將呈現數量的爆發式增長，“觀測無處不在”將成為現實，使傳統自上而下的觀測統一布局將變得比較僵化，未來需要考慮的是設立統一平臺、接口和標準來接納泛在的觀測設備和數據，使之成為氣象預報預測和服務的基礎。二是由定時定點觀測向全覆蓋的隨機觀測轉變，以觀測大數據為基礎，從大量的不定時不定量的觀測數據中，提取、篩選、插值、融合出想要的（空間、時刻、要素等）觀測數據產品，現有的觀測和數據業務流程將會改變。

2.2 對觀測數據質量控制流程的影響

氣象儀器及其探測出的氣象數據值要經過標校和質量控制環節才能應用到業務服務系統中。現有的質量控制業務流程一般包括裝備計量校準、觀測端質量控制、數據端質量控制等若干環節。其中裝備質量校準包括出廠前的標校和業務應用期間的日常標定，即計量檢定業務；觀測端質量控制主要包括對儀器運行狀態的監控和裝備保障、信號質控等；而數據段質量控制則包括對儀器產出的觀測數據的一致性、合理性檢驗、平滑處理、質量標識甚至后期質量評估等。這種質量控制流程是建立在標準化的基礎上的，首先是儀器準入的標準化，進入到觀測業務系統的儀器要具備一定的準入條件，符合業務需求和規范；其次是觀測方式的標準化，比如觀測場地的要求，四周不能有高大建筑物，溫濕度表要放到百葉箱內等；第三是觀測數據量的可預見性，儀器是標準化的定時定點觀測，即使數據量隨著觀測布網、儀器種類、數據產品的增加而不斷增長，但數據量是一定的、可控的、可預見的。

微型智能觀測設備由于其微型、廉價的特點，品牌、型號、功能等可能會五花八門，業務主管部門對此進行標準化的儀器準入管理似乎顯得不太可能；而且其泛在性、非常規性、臨時性和專業化的觀測應用，不能保證其處于標準化的觀測環境中，例如室內、火場、地下等各種環境都有可能存在觀測設備；數據量也會呈爆發式、不可預見式增長。相較于儀器嚴格標定、數據質量控制相對穩定的傳統觀測業務，微型智能觀測設備可能會帶來儀器質量參差不齊、精準度差別較大、觀測地點和時間不可控、超大數據量等新問題，對現有的標準化觀測業務、計量檢定和數據質量控制業務將產生很大影響。

2.3 對觀測數據應用的影響

2.3.1 數值預報應用方面

觀測數據經過資料同化步驟進入到數值模式的初始場中，對數值預報的準確與否至關重要。資料同化研究的就是如何最優的導入數據，避免觀測資料直接應用到模式中做初始場所引起的“高頻振蕩”，實際可以看作是一種“數據質量控制”過程：將空間不規則點上的觀測值插值到網格點上，經過數學方法用“觀測場”去訂正“背景場”，最終得到較好的分析場。高質量、高時空密度的氣象觀測數據對提高數值預報的準確率來說十分有益，但數據的準確性一定要得到保證，因為對數值預報模式來說，初始數據的錯誤會對預報產生負效應，這比數據的缺失更令人頭痛。因此，數據格式、接口標準、質量控制方法、數據融合方法等“標準化”問題，是微型智能觀測設備未來發展必須解決的重點問題。如果這些問題得到解決，其高時空密度的觀測將會是數值預報的有益補充。

2.3.2 氣候監測應用方面

氣候監測是對整個氣候系統進行全面的觀測，以便及時發現氣候系統狀況的任何值得注意的變化，不僅包括常規觀測（溫、壓、濕、風、降水等），也包括非常規的觀測，如太陽常數、微量氣體等；不僅包括針對大氣系統的觀測，也包括海洋系統及其他成員的觀測，如海溫、鹽度、海冰、土壤溫濕度、全球植被等。氣候監測需要確保觀測儀器的長期、連續和不受干擾。相較于傳統觀測儀器，微型智能觀測設備是否具有足夠的耐用性對其能否應用到氣候監測方面來說是一大問題。但是，針對氣候系統圈層的監測有很多人類無法涉足的地方，微型智能觀測設備經過無人機等設備的拋灑，可以深入到這類地方進行監測。隨著微型智能觀測設備的可靠性精確性不斷提高，應用到氣候監測領域是可行的。

2.3.3 氣象災害監測與突發災害氣象保障方面

我國已基本建成了地基、空基、天基相結合，門類比較齊全，布局基本合理的氣象綜合探測系統，但是對于一些中小尺度突發的氣象災害來說，現有的氣象監測設施還不能完全覆蓋到。微型智能觀測設備的低成本、易布網、社會化的性質，將會提升觀測覆蓋率。同時，對于突發災害的氣象保障來說，如森林滅火、環境災害、地質災害等，微型智能觀測設備可以突破災害所造成的障礙而迅速部署，可大大提升氣象服務保障能力。

三、未來發展與應用預期

微型智能氣象觀測設備是信息化的必然趨勢。它的出現發展將會大大促進氣象服務能力的提升，同樣也必然深刻影響當前業務形態、結構、分工和組織方式，需要我們提早關注，積極謀劃與應對。

3.1 業務流程方面——發展“敏捷”業務模式

微型智能觀測設備的出現和發展，使得氣象觀測手段愈來愈呈現出泛在化、多樣化和個性化。而目前的業務模式強調可靠性、穩健性、計劃性、成熟性、長期性等特點，不適應微型智能觀測設備的業務化。Gartner公司于2014年提出“雙模式IT”理念，即一個機構僅擁有單一的業務模式（基于預測的、工程型的、規范化的、傳統的應用系統研發模式）是不夠的，還應擁有另一種模式，即敏捷模式。傳統模式側重于安全性和準確性，敏捷模式側重于敏捷性和速度，每個模式都擁有各自運營所需要的人員、資源、伙伴、結構、文化、方法、治理、指標，以及對于價值和風險的態度。這種敏捷模式適合微型智能氣象觀測的發展。在繼續維持傳統模式的同時，引進并擁有敏捷模式的能力，最終形成雙模式能力，對于氣象部門而言是一種能力的補充和完善。雙模式業務既包括常規的、基于計劃的、已形成規范業務流程的、較少變化的、價值確定的、操作型的傳統業務，如現有的常規氣象觀測，也包括非常規的、臨時的、規范不健全且傳統規范不適應的、較高不確定性的、價值與風險較高的、開創性的敏捷業務，如專業、特殊或應急氣象觀測等。傳統業務是氣象部門的基礎，敏捷業務則是氣象部門應對社會現實需求及信息化發展趨勢的有效能力和立身之本。從短期來看，微型智能觀測設備雖不能完全替代現有的氣象觀測業務體系，但構建適合其發展的敏捷業務模式，也是接下來需要考慮的問題。

3.2 數據質量控制方面——加強設備端質量控制

目前，數據質量控制還未完全實現自動化，一些環節還涉及人工確認、訂正。因此，實現數據質量控制自動化是微型智能觀測設備引入的必由之路。這樣為確保數據準確，需要強調實施質量控制重點在設備端完成，從而減少錯誤數據進入數據系統。把好數據入口關是微型智能觀測設備數據質量控制的關鍵，儀器的計量和標定顯得尤為重要。全國省級氣象計量機構工作人員總計約260人，每年僅國家級自動氣象站的計量檢定任務十分繁重。隨著微型智能觀測設備的廣泛應用，現有的計量檢定體制必然不能滿足探測業務發展的需求。計量管理按其性質和管理方式可分為科學計量、法制計量和工業計量三類，工業計量的內容包括建立校準、測試服務市場，建立企業計量測試體系，開展各種計量測試話動等方面。工業計量在高技術為基礎的經濟構架中顯得尤為重要。對于微型智能觀測設備來說，應以工業計量管理為主，為了更有利于調動社會上除法定計量機構之外的多方計量資源，要建立校準技術體制，通過建立計量標準溯源鏈條，保證在開放市場條件下有效控制量值的統一。與此同時，應大力發展儀器本身的“自檢測、自標校、自校準、自補償”等智能觀測能力。

3.3 科技創新方面——傳統大氣科學研究方法與信息技術理論方法相結合

如何處理并應用微型智能觀測設備所產生的海量觀測數據并將其應用到氣象預報預測和服務領域，將會成為未來氣象科技研究的重要關注點之一。目前的氣象科學研究領域更多的是基于傳統的大氣科學研究理論方法，對于時空密度不均、要素精準度參差不齊、體量巨大的氣象大數據的處理和應用，應當結合最新的信息技術理論方法，將數據融合分析、人工智能相關理論等引入到氣象科研技術體系之中，加強大數據挖掘技術的研究和應用，推動氣象創新發展。

四、結語

微型智能觀測設備應用到氣象觀測領域是一件新生事物，本文基于現有的資料對其發展可能對氣象業務產生的影響進行展望式分析，難免有不完善和不妥之處。但總體來說，各種新興技術推動氣象信息化發展，業務體系必然要以更加高效、綜合、集約、開放、智能為目標，朝著適應信息化發展態勢的方向不斷的進行優化和調整。未來為了迎接智能微型設備的大量涌入，氣象部門應做好制定傳感器技術、數據及接口等標準的準備，規范接入的設備，從而方便多種設備觀測數據的使用和融合。

（本研究由中國氣象局氣象軟科學重點項目——“智慧氣象總體架構研究”資助。）