眾包氣象讓手機變身觀測站

劉西川

對于大多數人來說，一談到氣象觀測，腦海中浮現出來的就是這樣一幅畫面：氣象觀測員站在百葉箱前，用溫度表測量空氣溫度。其實，氣象觀測員除了要觀測近地面的溫、壓、濕、風、降水外，還要觀云識天。不僅如此，他們的工作還需要每年365天、每天24小時不間斷，雷打不動。盡管如此，現有的氣象觀測站網仍然不能實現全覆蓋，氣象機構迫切需要更多、覆蓋面更廣的氣象數據。

如今，這個問題有望得到解決，解決的途徑就是依靠公眾。隨著智能手機和移動互聯網的普及，特別是5G時代的到來，即便是非專業人士，也可以借助手中的智能手機，搖身一變成為氣象觀測員，成為龐大的氣象觀測網絡中的一個節點，為氣象預報事業添磚加瓦。

眾人拾柴火焰高

1997年，美國科羅拉多州柯林斯堡發生了一場局地性很強的暴風雨：在個別地區，數小時內的降雨量多達1英尺（大約相當于304毫米）；而這個城市其他地區的降雨量極少。隨后發生的洪水讓許多人措手不及，造成了高達2億美元的經濟損失，并導致5人死亡。引發這一災害的主要原因，就在于降水隨地形、天氣過程和季節的變化很大。所謂“東邊日出西邊雨”，即使在同一街道，降雨情況也有可能不一樣；而專業氣象觀測站網中的雨量計和天氣雷達覆蓋范圍不足，導致了強降水的漏測。

為了吸取教訓和彌補專業氣象觀測站點的不足，美國科羅拉多州立大學的科羅拉多氣候中心開始推動建設非盈利性質的志愿者觀測網絡—“社區協作觀測雨、冰雹和雪”（英文縮寫為CoCoRaHS），號召公眾志愿者進行有針對性的氣象觀測，并將觀測資料提供給相關機構，用于天氣預報。

該網絡對志愿者的要求不高，各個年齡段和各行各業的個人以及家庭志愿者都可以加入。觀測儀器也針對志愿者進行了設計，主要為雨量計和冰雹板（圖1）；且操作簡單，用時不多，每天只需要花上幾分鐘即可。其中，雨量計的直徑為10厘米的透明圓筒，每天測量一次積水厚度；冰雹板為2.5厘米厚的泡沫聚苯乙烯板（上面覆蓋金屬箔），如有冰雹撞擊，記錄下冰雹的直徑。經過簡單培訓后，志愿者可通過相關網站或手機APP將總降水量、降水強度、冰雹的起止時間、冰雹的大小、種類、下落角度以及造成的相關損失等信息上報，并最終生成全國范圍內的分布結果。前不久，該網絡增加了蒸發測量和土壤濕度測量兩個觀測項目，不過這兩個項目的操作過程較為復雜，對儀器的架設地點要求較高，并且需要自身所處環境能夠代表周圍的典型植被條件。

2004年時，CoCoRaHS的志愿者數量只有1036人；到了2015年，該數字已經超過了2萬人，覆蓋范圍包括美國全境、波多黎各和加拿大的13個省。CoCoRaHS的觀測資料被應用于美國國家海洋和大氣管理局的國家環境信息中心和全球歷史氣候網，與業務觀察站網資料相結合，在臨近預報、洪水雷暴預警、雷達估計降水以及氣候研究等方面發揮了重要作用。

用眾包彌補專業

所謂眾包，是指把過去由專業員工執行的任務，以自由自愿的形式外包給大眾志愿者的做法。美團、蜂鳥、阿里等互聯網機構都擁有眾包平臺，主要提供騎手、客服等兼職。CoCoRaHS的做法也算是一種眾包，它是將眾包方法引入到氣象觀測中，即眾包氣象。這樣一來，非專業人士在工作和生活之余參與氣象觀測，可以為專業氣象機構提供更加多元、更為海量的氣象數據。

2011年，美國在進行WSR-88D天氣雷達雙偏振升級改造時，發現專業氣象觀測站網難以為降水粒子識別算法的優化提供準確的高分辨率地面降水類型資料。因此，美國國家海洋和大氣管理局的國家強風暴實驗室提出，征集非專業人員利用移動智能設備提交降水類型資料，該計劃前期被命名為mPING（mobile Precipitation Identification Near the Ground，譯為中文是：近地面移動降水識別），后改名為近地面氣象識別（縮寫為mPING）。mPING將降水類型分為雨、雪、凍雨和冰粒4種，讓非專業人士判斷起來也十分容易。志愿者只需下載手機APP mPING或在線將所觀測到的降水類型以及時間、地點等信息提交到mPING服務器（圖2）即可。不僅如此，志愿者可以即時得到所提供報告是否被采用的反饋，而且可以查看其他志愿者提交的降水觀測報告。mPING的資料經過質量控制后，對于提高雙偏振雷達的降水類型識別精度有著積極的推動作用；同時，在數值預報模式、高速公路和機場的地面結冰監測等方面也有重要的應用價值。

在我國，眾包氣象也已經起步。2011年11月，香港天文臺與香港理工大學提出了社區天氣觀測計劃，鼓勵香港市民親身參與天氣觀測活動，以增加對天氣和氣候的興趣和認識。香港市民可以通過網站、社交網絡以及智能手機APP等方式上傳天氣照片或天氣觀測報告（圖3），在分享天氣狀況的同時，極大地增加了香港的氣象觀測密度，對于提高防災減災能力也具有一定的啟示意義。

目前，號召公眾利用智能手機參與氣象觀測的應用正在迅速發展，智能手機APP是公眾參與氣象觀測的主要工具。以我們都很熟悉的墨跡天氣為例。而今，墨跡天氣APP擁有6.5億海量用戶，其“觀天者計劃”是國內首個氣象災情圖片實時收集平臺（圖4）。當用戶所在地區出現暴雨、內澇、滑坡、泥石流、暴雪、冰雹、臺風、大風、沙塵、大霧等氣象災情時，用戶可進入墨跡天氣APP的觀天者通道拍攝或上傳實時天氣圖片。該APP平均每天約有30萬張實景照片上傳（圖5）。據了解，墨跡天氣與河北省氣象災害防御中心合作完成了雨、雪、霧霾、冰雹等類型災害天氣和內澇、洪水、倒塌、滑坡等類型災害事件圖片的智能識別模型。這一新方式極大地推動了氣象信息采集能力，并且讓墨跡天氣APP具備了對外提供氣象災害預警服務的能力。

此外，福建省氣象局的“知天氣”、上海市氣象局的“上海知天氣”、象輯科技的“天氣家”等APP或微信公眾號等，也是通過建立志愿者手機報告網絡，對某些天氣實況進行實時報告和分享。值得一提的“卦天”APP，采用卷積神經網絡方法，首次在智能手機平臺實現了對云狀的智能識別，準確率高達90%。打開“卦天”APP后，只需使用手機攝像頭對準天空拍攝照片，就可以獲得對當前云狀、云量的判識結果。相機實景疊加降水云圖，還能提示用戶所在地的天氣情況和可能出現的天氣過程以及半徑100千米范圍內的實況降水云圖。目前，該APP還將觀測要素擴展至能見度、電線積冰和路面狀態（圖6）。“卦天”APP能夠實時向用戶反饋識別結果，增強了軟件的趣味性和互動性。

隨著APP的推廣應用，越來越多的用戶在拍照上傳天氣圖像的同時，也將成為氣象觀測志愿者，推動社會化觀測資料庫更加豐富與多元。讓非專業人士參與氣象觀測，不僅有助于增加公眾對天氣和氣候的興趣和認識，而且可以為其他人出行、旅行等活動提供參考，真正實現了自媒體時代，人人都是傳播者的目標，讓網絡處處體現出全體網民的智慧與力量。

此外，設置在公共場所的監控攝像頭也可以用于眾包氣象。普通監控級攝像頭每5分鐘對天空和地面拍一次照，利用智能算法和圖像技術，就可以實時識別出云、降水、能見度、道路結冰和霜等多種氣象要素。不需要額外的硬件投入，利用已有監控攝像頭就能夠完成這一工作（圖7）。目前，浙江省氣象局與海康威視正在合作推進“天臉識別”項目，通過挖掘利用社會化的高清視頻資源，讓“天臉”像“人臉”一樣變得可被識別。這一項目正在開展試驗，有望成為取代人工觀測的一種全自動氣象觀測手段。

用物聯網編織觀測網

與此同時，隨著各種嵌入式傳感器的微型化和低功耗，智能手表、智能手環、谷歌眼鏡、智能運動鞋等可穿戴設備也開始被應用于氣象觀測。該類設備使用微型傳感器收集氣象要素，通過處理器上傳到云平臺，能夠彌補一些邊遠地區觀測站點少、資料不全的不足。如上海市氣象局推出的徽章式微型氣象傳感器、北京象輯公司推出的WeatherON隨身氣象站、中科院深圳先進技術研究院推出的Thermodo私人氣象站、小米公司推出的米家溫濕度傳感器、墨跡天氣推出的“空氣果”，等等。此類設備與智能手機相連接，即可實現氣象信息的實時采集與分享。

StormTag隨身藍牙氣象站擁有氣溫、氣壓、濕度、紫外線等多種氣象傳感器，外型很像鑰匙扣，可以攜帶和測量氣象數據；它采用藍牙技術，能夠連接蘋果手機及平板電腦和兼容的安卓設備，將數據同步至云平臺，可實現世界范圍內天氣數據的聚合以及本地化的天氣預報。

荷蘭代爾夫特理工大學的科研人員在雨傘上安裝了一個壓力傳感器，用來測量降雨信息；美國密歇根大學的科研人員利用汽車雨刮器的雨刮頻次來記錄降雨情況……這些方式可以獲取百萬量級甚至千萬量級的海量數據。通過大數據分析和提取氣象信息，能夠極大提高氣象觀測的獲取效率、時效性和覆蓋范圍。通過獲取街道級的精細氣象信息分布，可為氣象災害的實時監測和預警、防災減災決策等提供依據。IBM推出的“全球高分辨率大氣預報系統”（GRAF）項目，恰恰是利用了多種眾包傳感器數據，將全球預報的空間分辨率提高至3千米，成為首個能在全球范圍內預測雷暴等小尺度天氣的實時商業氣象系統。

拉開社會氣象觀測大幕

2018年，中國氣象局出臺了《社會氣象觀測發展指導意見》，推動公眾、企業、社會機構等多方參與進行社會氣象觀測，鼓勵和引導社會各界開展氣象大數據融合應用。2019年12月21日，社會氣象觀測聯盟（Social Meteorological Observation League）在北京成立，初創成員單位包括墨跡天氣、中國天氣網、中國天氣通、新浪天氣通、彩云天氣等。這標志著我國眾包氣象的大幕正在加速拉開。

將每部智能手機都作為氣象觀測的站點，每部手機的觀測不止為自己服務，也為其他人服務。這樣的應用是眾包思想最直接的體現—人人為我，我為人人。參與者越多，氣象觀測越準，越能夠提高天氣預報的準確性。

由于種種原因，利用智能手機進行氣象觀測，目前還存在很多問題：在參與觀測的智能手機機主中，絕大部分屬于非專業人士，他們不一定能保證24小時開機，這也就意味著，不一定能保證實時連續測量；通過智能手機所獲取的數據容易受到外界環境的影響，其測量精度不如傳統氣象觀測業務的精度高；智能手機數量龐大，所采集的數據量可以達到百萬甚至千萬量級，中間可能隱藏了非常多的誤差信息……為此，科學家們正在著手開展手機數據質量控制、大數據處理等方面的研究。

在我國，眾包氣象還屬于新生事物。目前，我國已開展氣象觀測的智能手機或者物聯網設備數量相對比較少。若要充分發揮眾包氣象的優勢，當然是參與者的數量越多越好。讓每一部智能手機都成為一座氣象觀測站，人人都變身為氣象觀測員，才有助于進一步提高天氣預報的準確性。有關方面認為，我們還需要在以下幾個方面加以努力：

首先，盡管大多數人對天氣預報非常關注，但對于氣象觀測的了解程度還遠遠不夠。智能手機應用于氣象觀測，不需要觀測者具備很高的技術水平，只需要能夠進行拍照、上傳等簡單操作即可，甚至不需要操作。因此，有必要讓參與觀測的非專業人士更多地了解氣象知識，增加他們對于氣象觀測的參與感和成就感，從而提高智能手機應用于氣象觀測的普及率。

其次，雖然互聯網可穿戴設備和物聯網設備層出不窮，但是真正用于氣象觀測的比較少，尤其是取得商業成功的產品更少。隨著氣象傳感器的微型化、低成本和低功耗，除了智能手機以外，還可以考慮在汽車、智能家居等智能設備中加入氣象傳感器；同時，引入用戶激勵機制，讓用戶有意愿購買這些附加氣象觀測功能的智能設備。

最后，除了專門的天氣APP以外，我們還可以利用微博、微信、抖音等社交網絡平臺。用戶可以通過發布圖片、視頻直播等方式上傳當地的天氣狀況，專業氣象機構通過大數據分析后，就可以得到天氣實況的精細化分布，還可用于危險天氣預警。