基于物聯網的城市單元體微氣候環境觀測管理模式

曾慶鋒 高瑞泉 溫精敏 李磊 許磊 湯洋 賴鑫

（作者單位：曾慶鋒、高瑞泉、溫精敏、李磊、賴鑫，深圳市國家氣候觀象臺；曾慶鋒、李磊，深圳南方強天氣研究重點實驗室；許磊、湯洋，深圳赑玄閣公司）

為利用好深圳豐富的科技創新資源，提升城市生態氣象服務，深圳市氣象局在基于物聯網技術的城市單元體微氣候環境觀測資源歸集管理方面進行大量探索工作。城市單元體微氣候觀測管理使得深圳市氣象局獲取了大量單元體觀測數據，補充了傳統氣象觀測體系，將氣象探測社會化從理念到落實，并構建了城市氣象、生態氣象、氣候、環境和健康評價體系。

城市由不同單元體組成，如公園、醫院、學校、社區、工業區和商業區等，由于其單元功能、建筑體量和土地類型不同，其微氣候環境也各具特色。然而，一方面，城市化的速度在全球范圍內急劇加快，顯著改變了地面空間形態和下墊面屬性，造成人為熱、溫室氣體和氣溶膠大量排放，導致城市災害性氣候、熱島效應、空氣污染等問題嚴重。另一方面，隨著社會的發展，城市居民對氣候環境品質的追求在不斷提升，其中最基本的一個需求是了解自身所處單元體的微氣候環境情況，以獲得更舒適、安全的環境提供參考。環境的惡化已嚴重影響到城市居民的日常生活，使得對微氣候環境的研究更顯迫切。城市微氣候的研究始于20世紀70年代，德國斯圖加特市為減低弱風條件下的污染，繪制了第一張都市氣候圖，從而展開了城市微氣候的研究工作。我國在城市微氣候研究最早是1997年東南大學柳孝圖等分析城市區域熱環境變化趨勢，介紹城市規劃和建筑設計措施對于改善城市區域微熱環境的效用。隨后眾多學者針對城市不同單元體的微氣候特征及其與城市規劃設計、建筑設計、智能建筑、人體舒適度關系等各方面展開了廣泛研究。

當前深圳在不到2000 km2的土地上容納了上千萬人口，市民對包括冷、暖、干、濕及污染等氣候環境品質信息的需求非常強烈。為給深圳市公共安全、氣象預警預報、政府決策及氣候環境服務提供強有力的數據支撐，深圳市氣象局在全市部署了超過200個自動氣象站。雖然這些探測設備的數量已足夠多，但這些傳統氣象觀測仍不能完全滿足深圳市民日益精細化的環境品質信息需求。主要體現在4方面：1）受限于高昂的價格和苛刻的安裝環境，自動氣象站的數量不可能無限增加；2）氣象要素在城市內呈高度非均勻狀態，有限數量站點對于這種非均勻性的描述能力相當有限；3）室內是居民工作和生活的主要空間，開放空間的探測設備提供的數據對室內環境品質不具備代表性；4）常規氣象觀測與民眾所關心的人居、氣候和環境而言，氣象觀測要素相對較少。

隨著技術的發展，現今實現了對微氣候環境的低成本和智能化探測。與此同時深圳市民對自身所處的單元體氣候環境越來越重視，為定量評估和優化所處單元體的微氣候環境品質，越來越多業主根據單元體特點和具體需求，在單元體內定制化地布設大量智能化、低成本但精度達標的氣候環境傳感器。由此積累了豐富多元的城市單元體微氣候環境資料，并形成良好的社會觀測環境。與傳統氣象觀測相比，單元體觀測儀器的不局限安裝于室外，也不要求具有大范圍的區域代表性，但這些觀測數據經物聯網技術匯集并經合理算法進行質量控制后，是對傳統氣象觀測的補充。為利用好深圳豐富的科技創新資源，做大城市氣候環境探測資源池，提升城市生態氣象服務，深圳市氣象局在城市單元體的微氣候環境觀測資源歸集管理方面進行大量探索工作。本文對該工作的現狀和經驗進行詳細介紹。

1 技術與方法

“城市單元體”可定義為功能相對單一的城市組成部分，通常包含數棟建筑和配套空間，為城市居民的生活、工作、教育、治療和休息等提供場所，例如學校、醫院、公園、社區、工業區和商業區等。城市單元體微氣候是指在城市單元體內的區別于周邊條件和環境的氣候現象，其變化對于人們的身體健康和生活舒適度產生非常強烈的影響，與人民幸福生活息息相關。由于單元體功能、建筑體量、土地類型和環境的不同，其微氣候特征存在較大差別，其在眾多研究中均有體現。

1.1 觀測要素

與傳統的氣象觀測不同，單元體微氣候觀測具有較強的針對性，觀測內容由主體需求結合單元體特征針對單元體氣候環境主要特質進行設計，其觀測自成完整體系，可能囊括氣象、環境、人居、健康、節能和安全等方面。例如，校園、醫院，一般對氣溫、濕度、噪聲、CO2、紫外線、PM2.5、光強和總揮發性有機化合物（TVOC）等要素進行觀測；公園，一般對雨量、風速、風向、氣溫、氣壓、濕度、噪聲、CO2、紫外線、PM2.5、光強和TVOC等要素進行觀測。總的來講，單元體微氣候觀測是根據單元體需求融合了多方面監測功能的定制化觀測，其觀測結果可為單元體微環境調整和決策提供數據支撐。

1.2 物聯網觀測傳感器技術

微氣候單元體觀測的傳感器利用精密集成技術，將不同傳感器模塊進行組合，并采用集成度高的數字電路及MEMS工藝，具備觀測全面、抗干擾能力強、實時性高、體積小巧特點。不同傳感器模塊負責不同類型的數據采集，中央處理器負責整理所有的傳感器數據，還可執行模塊校準、位置信息更新等遠程數據處理服務器發出的命令。所采用的傳感器均為小型化器件，從而大大縮小了觀測設備的幾何尺寸。例如，深圳市氣象局微氣候觀測試點的傳感器，可測量溫度、濕度、甲醛、顆粒物、PM2.5、TVOC、噪音等9種要素，其采集器尺寸僅為30 cm×6 cm×8 cm，遠小于自動氣象站尺寸。

傳感器采集頻次快（秒級觀測），可通過無線通信模塊發送到遠程數據處理器進行處理，實現在局部區域內多觀測點的數據監測和資源共享功能。經過處理后的數據能夠較準確地反映城市單元體的微氣候及環境品質。這些數據可用于兩條鏈路：一條通路鏈接本地服務器及單元體內智能設備，用于自動調控單元體的微氣候和環境；另一條通路則鏈接城市單元體中心服務器，并將數據分發到數據管理機構等。傳感器將環境智能、自主控制和自治的物聯網結合在一起，提供能夠和環境交互以及基于它們各自目的自主運行機制。同時傳感器為即插即用式，可以靈活地安裝于室內戶外不同位置，滿足單元體不同場景下的監測需求，而且成本相對較低，適合較全面觀測。

1.3 數據質控及處理

傳感器采集數據的質量控制工作在本地服務器上完成，一般經過判斷、訓練及修正模塊完成檢驗和修訂工作后才被發送往中心服務器，以保證觀測數據的準確性。判斷模塊的主要作用在于檢測數據的真實性，這是觀測數據進行質量控制的關鍵環節，所采用主要方法是極值檢驗、時間一致性檢驗和空間一致性檢驗。訓練模塊主要是建立傳感器采集數據與真實數據的回歸模型，為下一步的修正模塊修訂數據提供模型參數。因為城市單元體觀測儀器采用較多較低成本的功能模塊組合布設，為了讓這些傳感器采集的數據可信和可用，需要利用已有的較高精度的傳感器數據去校準。可采用基于支撐向量機等方法建立訓練模塊，根據某點觀測的時間序列及周邊較高精度觀測的時間序列建立回歸模型，將輸入向量映射到一個高維的特征向量空間，并在高維特征空間構造最優回歸函數，解決非線性回歸問題。修正模塊是根據訓練模塊建立的回歸模型，對經過判斷模塊初步質量控制后的觀測數據進行進一步的回歸修正。對單元體傳感器采集數據和附近位置專業級氣象站儀器進行對比分析，發現兩者絕對誤差均值為0.17 ℃，說明單元體微氣候探測設備的精度是可信的。

2 運行管理模式

為強化城市單元體微氣候觀測能力和促進單元體觀測體系的健康可持續發展，深圳市氣象局對城市單元體微氣候的數據觀測、收集、處理、應用和行為進行了規范，做到觀測工作有制度、有流程、有規范，更好歸集社會探測資源，確保城市單元體觀測績效。

2.1 把關數據源

對從事微氣候設備研發、觀測、產品開發或與氣象部門合作開發氣象環境觀測服務的單位（企業）進行引導和管理，向其推廣《地面氣象觀測規范》和《自動氣象站通用技術規范》等國家觀測規范，制定《自動氣象站維護技術規范》和《回南天觀測指南》等指導性技術規范以及《城市單元體微氣候環境觀測管理辦法》，為單元體微氣候的觀測環境、儀器技術性能、儀器設施位置、儀器安裝要求及數據精度、穩定性和連續性等方面作參考，從數據源頭把關。

2.2 提供觀測技術支持

對從事微氣候設備研發、觀測、產品開發、服務或與氣象部門合作開發氣象環境觀測服務的單位（企業）提供微氣候單元體觀測專題培訓和技術指導，規范單元體數據觀測、收集和處理等方面工作：1）指導企業做好單元體的多元素探測傳感器的通信模塊和數據傳輸技術研發和應用；2）指導企業做好多元素探測傳感器集群地理協同與校準工作，規范記錄每個傳感器位置情況，并將一系列環境參數添加至設備，為其他設備或未布置設備提供地理數據協同與校準；3）協助企業進行對比觀測試驗和數值模型訓練，從而降低個體傳感器誤差，提高測量數值精度；4）提供數據質量控制方面的方法和技術支持；5）提供數據分析應用、科學數字化、可視化和分析應用方面的技術指導和支持。

2.3 規范數據管理

規范城市單元體微氣候的采集要素以及數據、儲存和應用程序接口（API）格式等內容。規定單元體觀測應自成完整體系，同時數據應有統一的數據格式。數據格式建議參考氣象局地面氣象要素數據文件格式，內容包括測站基本信息、站號、觀測時間、緯度、經度，海拔高度、觀測方式、觀測數據、質量控制標識、文件更正標識等，并附上東、南、西、北4張以上設備位置圖。數據傳輸和接口由公司各自按照統一API格式開發，并編制好技術文檔。

單元體數據各自存儲，確保數據本身的安全。一般建議數據儲存在服務器7天做臨時調用， 同時數據備份在備份服務器做永久保管，每個月定期備份至數據備份容災服務器。數據服務器對數據庫數據進行打包，對單元體探測設備和要素進行編制形成調用函數和命令，定義標準化和統一的API接口，用戶發起HTTP請求，利用API接口將相應數據直接錄入氣象局數據庫，實現數據共享。

2.4 反饋觀測數據

共享數據在氣象局入庫后，經過質量控制、審核、分析處理等工作后通過深圳氣象數據網、“四小微”等眾多途徑實時反饋給單元體。同時，氣象局利用公眾開放日、公務員義務活動等多途徑對氣象探測原理、探測數據重要性、探測數據應用以及單元體微氣候觀測和產品等內容進行宣傳，為單元體探測和數據共享提供“土壤”。

3 管理成效

通過這種模式創新管理，目前深圳市氣象局獲取了47個單元體379套設備，獲取氣象、環境、能源和人居等多元觀測數據，其數據量每天超過500萬組。單元體有商業區、辦公樓、學校、公園、旅游區等類別，主要分布在深圳市中西部、沿海及東北部人口和建筑密集區域（圖1）。觀測要素有雨量、風速、風向、氣溫、濕度、氣壓、噪聲、CO2、紫外線、PM2.5、光強、TVOC等十多種微氣候要素。深圳市城市單元體微氣候環境觀測資源歸集管理工作帶來的成效如下。

圖1 深圳市微氣候觀測單元體分布圖

3.1 補充傳統氣象觀測體系

通過對城市單元體微氣候觀測管理，從社會資源中吸納除氣象外的環境、能源和人居等非主流的氣象觀測數據，完善生態氣象觀測體系，補充主流氣象探測資源。一方面，這些觀測數據有效彌補現有氣象觀測體系的不足，也可構建城市氣象、生態氣象、氣候、環境和健康評價體系，不但為天氣監測、預警預報、氣象服務、防災減災和政府決策提供另一支撐，助推氣象行業發展，而且為生態氣象、人居環境和居民美好生活提供數據和技術支撐。另一方面，通過城市單元體微氣候觀測資源的管理和歸攏，逐漸構建更加成熟的氣象探測社會化的理念和體系，令其納入健康可持續的發展軌道。

3.2 加深城市微氣候環境科學認識

單元體微氣候探測從點拓展到面并深入到室內，實現了對單元體的全方位觀測。這些長序列、多點位的城市單元體微氣候環境數據，有助于更深入地理解相同區域氣候背景下不同類型單元體的微氣候特征、規律和機制，具有重要的科學價值。對深圳市一學校微氣候與常規氣象站數據進行分析，得到單元體內外的微環境的差異性，并發現常規氣象觀測對城市單元的室內環境幾乎沒有參考價值。

3.3 帶動物聯網觀測技術創新

由于這管理模式提出了一系列具體要求，促進了如基于物聯網的微氣候觀測組網技術、低成本多要素氣候環境傳感器技術、傳感器集群地理協同與校準引導技術、微氣候渲染展示技術等大量技術創新應用于氣象觀測。例如，建立單元體三維立體模型，在模型之上按不同要素渲染生成圖形產品，并且可進行交互式操作，以任意視角展示氣候環境要素空間分布（圖2）。

圖2 深圳市氣象局微氣候數據產品

3.4 具有科普示范作用

微氣候單元體的觀測和數據應用，具有科普示范作用，激發了服務對象對氣象科學的興趣和愛好，取得了良好的社會效益。例如開發的校園微氣候環境數據產品平臺，附帶了微氣候環境論文寫作功能，并可進行轉發分享、專家與大眾評論拓展、論文排名和評比等項目，使得微氣候環境的監測、分析和應用融入學生生活，豐富了學生的課余活動，啟發了學生對氣象、環境和自然的興趣（圖3）。

4 展望

今后，需進一步完善微氣候環境信息監測的規范和機制，利用“互聯網+”和云技術，加強單元體的微氣候環境數據監測、收集、應用和反饋工作；加強對單元體微氣候環境觀測數據的質量控制及數據應用工作，提升其在天氣預警預報、氣象服務、生態氣象以及人居環境改善方面的效能。同時，需擴大城市微氣候環境探測模式的應用范圍，整合多需求人群，引導更多社會力量參與，以得到更全面的城市微氣候環境觀測資源。未來隨著城市單元體微氣候觀測工作的不斷深入推廣，深圳市有望建成以區域自動站為節點（空間分辨率為千米數量級）、以單元體微氣候全息觀測為拓展（空間分辨率為10 m數量級），更為全面、精細的城市氣象探測網絡體系。

圖3 校園微氣候環境分析作品

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