眾包氣象讓手機變身觀測站

劉西川

對于大多數(shù)人來說，一談到氣象觀測，腦海中浮現(xiàn)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(fēng)、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(xiàn)有的氣象觀測站網(wǎng)仍然不能實現(xiàn)全覆蓋，氣象機構(gòu)迫切需要更多、覆蓋面更廣的氣象數(shù)據(jù)。

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(lián)網(wǎng)的普及，特別是5G時代的到來，即便是非專業(yè)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(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，為氣象預(yù)報事業(yè)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(fā)生了一場局地性很強的暴風(fēng)雨：在個別地區(qū)，數(shù)小時內(nèi)的降雨量多達1英尺（大約相當(dāng)于304毫米）；而這個城市其他地區(qū)的降雨量極少。隨后發(fā)生的洪水讓許多人措手不及，造成了高達2億美元的經(jīng)濟損失，并導(dǎo)致5人死亡。引發(fā)這一災(zāi)害的主要原因，就在于降水隨地形、天氣過程和季節(jié)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(yè)氣象觀測站網(wǎng)中的雨量計和天氣雷達覆蓋范圍不足，導(dǎo)致了強降水的漏測。

為了吸取教訓(xùn)和彌補專業(yè)氣象觀測站點的不足，美國科羅拉多州立大學(xué)的科羅拉多氣候中心開始推動建設(shè)非盈利性質(zhì)的志愿者觀測網(wǎng)絡(luò)—“社區(qū)協(xié)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(guān)機構(gòu)，用于天氣預(yù)報。

該網(wǎng)絡(luò)對志愿者的要求不高，各個年齡段和各行各業(yè)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(shè)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(jīng)過簡單培訓(xùn)后，志愿者可通過相關(guān)網(wǎng)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(guān)損失等信息上報，并最終生成全國范圍內(nèi)的分布結(jié)果。前不久，該網(wǎng)絡(luò)增加了蒸發(fā)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(fù)雜，對儀器的架設(shè)地點要求較高，并且需要自身所處環(huán)境能夠代表周圍的典型植被條件。

2004年時，CoCoRaHS的志愿者數(shù)量只有1036人；到了2015年，該數(shù)字已經(jīng)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(yīng)用于美國國家海洋和大氣管理局的國家環(huán)境信息中心和全球歷史氣候網(wǎng)，與業(yè)務(wù)觀察站網(wǎng)資料相結(jié)合，在臨近預(yù)報、洪水雷暴預(yù)警、雷達估計降水以及氣候研究等方面發(fā)揮了重要作用。

用眾包彌補專業(yè)

所謂眾包，是指把過去由專業(yè)員工執(zhí)行的任務(wù)，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(lián)網(wǎng)機構(gòu)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(yè)人士在工作和生活之余參與氣象觀測，可以為專業(yè)氣象機構(gòu)提供更加多元、更為海量的氣象數(shù)據(jù)。

2011年，美國在進行WSR-88D天氣雷達雙偏振升級改造時，發(fā)現(xiàn)專業(yè)氣象觀測站網(wǎng)難以為降水粒子識別算法的優(yōu)化提供準(zhǔn)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(fēng)暴實驗室提出，征集非專業(yè)人員利用移動智能設(shè)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(yè)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(wù)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(jīng)過質(zhì)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(shù)值預(yù)報模式、高速公路和機場的地面結(jié)冰監(jiān)測等方面也有重要的應(yīng)用價值。

在我國，眾包氣象也已經(jīng)起步。2011年11月，香港天文臺與香港理工大學(xué)提出了社區(qū)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(rèn)識。香港市民可以通過網(wǎng)站、社交網(wǎng)絡(luò)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(zāi)減災(zāi)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(yīng)用正在迅速發(fā)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(nèi)首個氣象災(zāi)情圖片實時收集平臺（圖4）。當(dāng)用戶所在地區(qū)出現(xiàn)暴雨、內(nèi)澇、滑坡、泥石流、暴雪、冰雹、臺風(fēng)、大風(fēng)、沙塵、大霧等氣象災(zāi)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(jù)了解，墨跡天氣與河北省氣象災(zāi)害防御中心合作完成了雨、雪、霧霾、冰雹等類型災(zāi)害天氣和內(nèi)澇、洪水、倒塌、滑坡等類型災(zāi)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(zāi)害預(yù)警服務(wù)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(wǎng)絡(luò)，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(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，首次在智能手機平臺實現(xiàn)了對云狀的智能識別，準(zhǔn)確率高達90%。打開“卦天”APP后，只需使用手機攝像頭對準(zhǔn)天空拍攝照片，就可以獲得對當(dāng)前云狀、云量的判識結(jié)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(xiàn)的天氣過程以及半徑100千米范圍內(nèi)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(tài)（圖6）?！柏蕴臁盇PP能夠?qū)崟r向用戶反饋識別結(jié)果，增強了軟件的趣味性和互動性。

隨著APP的推廣應(yīng)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(yè)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(rèn)識，而且可以為其他人出行、旅行等活動提供參考，真正實現(xiàn)了自媒體時代，人人都是傳播者的目標(biāo)，讓網(wǎng)絡(luò)處處體現(xiàn)出全體網(wǎng)民的智慧與力量。

此外，設(shè)置在公共場所的監(jiān)控攝像頭也可以用于眾包氣象。普通監(jiān)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(shù)，就可以實時識別出云、降水、能見度、道路結(jié)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(jiān)控攝像頭就能夠完成這一工作（圖7）。目前，浙江省氣象局與?？低曊诤献魍七M“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(lián)網(wǎng)編織觀測網(wǎng)

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(huán)、谷歌眼鏡、智能運動鞋等可穿戴設(shè)備也開始被應(yīng)用于氣象觀測。該類設(shè)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(qū)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(shù)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(shè)備與智能手機相連接，即可實現(xiàn)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(shù)據(jù)；它采用藍牙技術(shù)，能夠連接蘋果手機及平板電腦和兼容的安卓設(shè)備，將數(shù)據(jù)同步至云平臺，可實現(xiàn)世界范圍內(nèi)天氣數(shù)據(jù)的聚合以及本地化的天氣預(yù)報。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)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(xué)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(shù)據(jù)。通過大數(shù)據(jù)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(zāi)害的實時監(jiān)測和預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)決策等提供依據(jù)。IBM推出的“全球高分辨率大氣預(yù)報系統(tǒng)”（GRAF）項目，恰恰是利用了多種眾包傳感器數(shù)據(jù)，將全球預(yù)報的空間分辨率提高至3千米，成為首個能在全球范圍內(nèi)預(yù)測雷暴等小尺度天氣的實時商業(yè)氣象系統(tǒng)。

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(fā)展指導(dǎo)意見》，推動公眾、企業(yè)、社會機構(gòu)等多方參與進行社會氣象觀測，鼓勵和引導(dǎo)社會各界開展氣象大數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。2019年12月21日，社會氣象觀測聯(lián)盟（Social Meteorological Observation League）在北京成立，初創(chuàng)成員單位包括墨跡天氣、中國天氣網(wǎng)、中國天氣通、新浪天氣通、彩云天氣等。這標(biāo)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(wù)，也為其他人服務(wù)。這樣的應(yīng)用是眾包思想最直接的體現(xiàn)—人人為我，我為人人。參與者越多，氣象觀測越準(zhǔn)，越能夠提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)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(yè)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(xù)測量；通過智能手機所獲取的數(shù)據(jù)容易受到外界環(huán)境的影響，其測量精度不如傳統(tǒng)氣象觀測業(yè)務(wù)的精度高；智能手機數(shù)量龐大，所采集的數(shù)據(jù)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(xué)家們正在著手開展手機數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、大數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量相對比較少。若要充分發(fā)揮眾包氣象的優(yōu)勢，當(dāng)然是參與者的數(shù)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(yù)報的準(zhǔn)確性。有關(guān)方面認(rèn)為，我們還需要在以下幾個方面加以努力：

首先，盡管大多數(shù)人對天氣預(yù)報非常關(guān)注，但對于氣象觀測的了解程度還遠遠不夠。智能手機應(yīng)用于氣象觀測，不需要觀測者具備很高的技術(shù)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(yè)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(yīng)用于氣象觀測的普及率。

其次，雖然互聯(lián)網(wǎng)可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yè)成功的產(chǎn)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(shè)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(shè)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(wǎng)絡(luò)平臺。用戶可以通過發(fā)布圖片、視頻直播等方式上傳當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r，專業(yè)氣象機構(gòu)通過大數(shù)據(jù)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(yù)警。