新型微尺度氣象監測服務系統研究

孔詩媛　麻鍇　孫文博　王旭　王雪松

摘要：近些年由于天氣異常和天氣現象的多變性，出現短時突發性天氣現象的頻率逐年增加，給農業生產、人民生活都來了很大的影響。目前，針對空基和天基觀測系統的發展得到很大重視，同時也取得了極大成就，不過作為短時重要天氣預報有力數據支撐的地基觀測發展卻相對緩慢。為進一步提高氣象保障水平，實現城市內微尺度天氣現象短時的測報預報。本文提出了一種新型微尺度氣象監測服務系統。通過本系統可豐富地基觀測方法，提高氣象綜合觀測能力，更加準確地推演和預報微尺度天氣系統。

關鍵詞：移動監測;微尺度;視頻監測;微型氣象站

中圖分類號： TP391.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：? A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號：? ?10.14025/j.cnki.jlny.2019.12.063

2017年7月13～14日、19～21日吉林中東部連續出現罕見暴雨到大暴雨的天氣過程，車輛熄火停在馬路中間造成交通擁堵，突發性降水造成人員傷害及財產損失，能見度低下，高速關閉，造成車輛滯留等，因氣象災害給管理部門和人們出行帶來了極大的不便[1]。若氣象部門可以通過更精細化的觀測資料結合先進的預報手段，及早判斷出局域性災害天氣發生區域并進行預警，則可將損失和影響降至最低。本文提出一種新型的地面觀測方法，以街（區）為單位在重要路段通過固定和移動監測兩種方式，將圖像、視頻和數字信息以最直觀及時的方式響應給氣象部門。

1 系統簡介

該種方法是將固定監測系統和移動監測系統相結合，共同組成的新型氣象監測網。主要目的是實現微尺度街區氣象數據的及時響應。微尺度氣象數據包括兩個量化尺度：空間尺度量化和時間尺度量化?？臻g尺度是指采樣空間覆蓋范圍分辨率，時間尺度是指采樣數據的時間頻率分辨率。從目前基于地面觀測、衛星觀測、數值模式產品等多種觀測手段，獲取的中國氣象局陸面數據同化系統產品數據集公布參數來看，時間分辨率為逐小時，空間分辨率達1/16°×1/16°。但短時災害性天氣的響應甚至需要測報出幾公里的分鐘數據，這種新型的氣象監測服務系統作為自動站的數據補充，可以幫助實現上述需求。

2 微尺度氣象監測服務系統的組成

微尺度氣象服務系統主要由前端觀測系統、觀測數據管理平臺、互聯網交互平臺三部分組成。具體框架見圖1，本文主要探討前端觀測系統的數據采集方式。

微尺度氣象監測系統的前端建設分為兩個部分：第一部分是固定監測系統，監測手段分為自動氣象站數字化監測和視頻監測兩種方式。自動氣象站數字化監測是集溫、壓、濕、風、雨、輻射等氣象要素于一體的傳統氣象要素采集方式;視頻監測部分以數字圖像處理和機器識別技術為主，實現包括降水狀態、能見度、天氣現象、路面狀況等新型氣象要素的觀測;第二部分是移動監測系統，通過移動終端搭載便攜式氣象要素傳感器、路面狀況傳感器和視頻監測設備實現移動式氣象監測，該種方式作為固定監測系統的補充，可實現加密覆蓋城市街區采樣數據的功能。

2.1 固定監測系統

固定監測系統的安裝原則為人流、車流的密集區，保證在突發狀況天氣現象來臨時能夠及時感知，并有針對性的預警。擬在城市的商業圈、旅游景點、醫院、車站、學校、因天氣影響造成的事故多發段、易發生氣象災害地段（地勢低洼，山體滑坡等）、城際高速公路出入口等地安裝觀測系統，包括高清視頻攝像、微型氣象站、能見度儀、天氣現象儀、路面狀況傳感器等設備。數據實現分鐘式上傳，依據地勢、建筑物高矮和人為影響等因素建立站與站之間的微尺度氣象預報模型，該模型可分為線性模型和非線性模型，再將各微尺度模型積分到一起，形成整個城市的氣象觀測網。

固定監測的優點是監測數據真實可靠，可以直接判別街區內實時天氣的變化情況。固定監測設備也可用來校驗天氣預報的準確性，為預報準確率提供更加全面的評估手段。

固定監測的不足在于：只能針對特定街區進行一定范圍內的氣象觀測，研究場景單一，較全市范圍來看，采樣效率較低。

2.2 移動監測系統

移動監測是還未在氣象領域興起的一種氣象監測方式，雖然近些年對于重大氣象災害有應急氣象服務車在現場保障，但未將移動監測方式應用到日常業務的開展中[2]。圖2為移動監測系統的框架結構圖。

移動監測主要分為三種方式：

一是使用車載氣象要素傳感器實行移動式氣象要素的監測，根據需求靈活調度，是兼顧數字和視頻圖像最全面的采集手段之一;二是使用無人機搭載采集器進行氣象監測，該種手段具有操作簡單、機動靈活、反應快速等特點，可將其應用到車和人不便到達的地方，搜集災害影響或氣象數據;三是將氣象要素做成微型采集器安裝在非機動車或行人背包上，該種方式成本低廉，可用于實現加密氣象數據的目的。

根據載體的不同，移動監測安裝的氣象要素種類略有區別：車載氣象要素搭建全面，包括小型自動氣象站、視頻監測系統和路面狀態傳感器等氣象要素，檢測過程中?？吭诼愤吇蚓俚退傩旭?，此時要根據車速和行駛特性綜合觀測修正采集到的氣象要素值;無人機作為新興的遙感技術手段已在軍事偵查、應急救援等領域有較成熟的發展，作為氣象監測領域的應用還處于萌芽期，尤其是在低空飛行時直接測量實屬空白，無人氣象偵查機搭載手持氣象站和視頻監測設備，將成為一種未來最有希望的移動氣象數據采集方式[4];非機動車和行人的移動監測特點是能夠采集高時間、高空間分辨率的數據，以輕便的微型采集設備為主，設備具有便攜性，但要素采集相對單一。

3 結語

新型微尺度氣象監測服務系統是一個功能齊全、性能優越、安全可靠、高度自動化的氣象通信網絡系統，將探測資料應用、數值預報、資料再分析整合到一起，形成結構合理、保障有力的氣象服務產品。能夠提升氣象服務水平，豐富公共氣象服務方式、提升服務效益，實現全社會的氣象信息開放共享，推進氣象服務保障民生，降低災害對人們生活和經濟造成的損失。具體來說具有以下特點。

一是精確化。目前氣象服務對短時臨近預警的需求十分迫切，通過微尺度氣象監測網的建立，可以將分辨率提高到1km甚至更加精確。

二是跨部門合作。城市微尺度氣象數據有利于環境保護部門開展微尺度街區內污染物濃度預測等課題的研究，為其提供有力的數據支撐[2]。

三是個性化。該監測網可以針對重要地點、重大活動的個性化服務需求，如高速公路進出口、高鐵、火車站等關鍵地區，或重大活動馬拉松等提供成熟的監測服務系統，播報路面積冰、積雪、雨霧等災害性天氣的實時監測數據及視頻圖像，實現及時、準確、直觀、多元化的氣象服務。將氣象保障與便民服務和物聯網相融合，實現“物聯網+”的概念，減少城市內澇造成的災害，降低人民的財產損失。

四是專業化。完善地空一體化的氣象觀測業務，將監測預警、短時臨近、數值預報等業務融合到一起，實現業務資源的合理統籌。為無縫隙、精準化的氣象預報業務提供觀測數據支撐，提高氣象監測預報預警的準確率和精細化水平，加強面對突發公共事件的氣象響應能力，為氣象業務的連續可靠運行提供技術支撐。

五是科研支撐。為研究人類生產活動引起的城市氣候發展等相關氣象課題提供有力的城市氣象資料。

參考文獻

[1]張瑩.省局召開吉林省2017年十大天氣氣候事件新聞發布會[EB].http：//www.jlqx.gov.cn/tpxw/201801/t20180105_3582647.

html，2018-01-15.

[2]宋兵躍.基于移動監測的微尺度街區交通污染物濃度[D].北京：清華大學，2016.

[3]郭琪，童慶祥.無人機在氣象監測中的應用[J].廣東氣象，2016，38（06）：64-66.

[4]何洪良.無人機在氣象情報偵查中的應用[J].無線電工程，1997，27（02）：36-38.

[5]張寧.建筑物對城市微尺度氣象環境影響的大渦模擬[D].南京：南京大學，2004.

[6]周宇，穆海振.微尺度氣象模式在環境影響評價中應用初探[J].高原氣象，2008，27：203-20.