地面“云能天”自動化觀測進展

佘萬明 葉成志 楊曉武 劉煉燁 王勝春 傅承浩

（1 中國氣象局，北京 100081；2 湖南省氣象局，長沙 410118；3 湖南師范大學，長沙 410081）

0 引言

地面氣象觀測是氣象觀測的基本途徑，指在地面上以目力或儀器對近地面層的大氣狀況和天氣現(xiàn)象進行的觀測[1]，是天氣監(jiān)測與天氣預報[2]、氣候分析及預測[3-4]等工作的基礎(chǔ)。地面氣象觀測通常觀測的項目有云、能見度、天氣現(xiàn)象、溫度、濕度、氣壓、風、降水、積雪、蒸發(fā)、輻射能、日照時數(shù)等要素[5]。隨著電子、計算機、人工智能等技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的依靠人工開展的地面氣象觀測業(yè)務(wù)逐漸向自動化、智能化轉(zhuǎn)變，地面觀測的時間、空間密度以及觀測資料的穩(wěn)定性、可用性都有了不斷提高。

我國幅員遼闊，地廣人多，是世界上氣象災害最為嚴重的國家之一，尤其在目前全球氣候變暖的大背景下，高溫、干旱、暴雨、強對流、寒潮、冰凍等氣象災害呈頻發(fā)、多發(fā)、重發(fā)的趨勢，嚴重影響我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、國民經(jīng)濟發(fā)展，因此，加快地面氣象觀測技術(shù)、手段的進步，實現(xiàn)自動觀測和智能觀測，對氣象防災減災至關(guān)重要。

國際上，以美國為代表的發(fā)達國家或地區(qū)業(yè)已建成了以自動觀測為主的地面氣象觀測系統(tǒng)。我國歷經(jīng)多年的發(fā)展，地面氣象觀測能力和水平不斷提升，于2020年4月1日正式開展了地面氣象觀測自動化改革業(yè)務(wù)運行，實現(xiàn)了基本氣象要素的觀測自動化，并開展了云和多種天氣現(xiàn)象的智能視頻觀測，是氣象觀測劃時代、里程碑式的歷史性成就，對我國實現(xiàn)從氣象觀測大國向氣象觀測強國的轉(zhuǎn)變有重要意義。

1 國外“云能天”觀測自動化情況

20世紀50年代末，蘇聯(lián)、美國等國家有了第一代自動氣象站，但是結(jié)構(gòu)簡單、觀測要素少、準確度低。60年代中期的第二代自動氣象站能夠適應(yīng)各種比較嚴酷的氣候條件，但未能很好地解決資料存儲和傳輸問題，無法形成完整的自動觀測系統(tǒng)。70年代的第三代自動氣象站大量采用了集成電路，實現(xiàn)了軟件、硬件模塊化，單片機的應(yīng)用使自動氣象站具有了較強的數(shù)據(jù)處理、記錄和傳輸能力，并逐步投入業(yè)務(wù)使用。進入90年代以后，自動氣象站在許多發(fā)達國家得到了迅速的發(fā)展，建成了業(yè)務(wù)性的自動觀測網(wǎng)，如美國的自動地面觀測系統(tǒng)（ASOS）、日本的自動氣象資料收集系統(tǒng)（AMeDAS）、芬蘭的自動氣象觀測系統(tǒng)（MILOS）和法國的基本站網(wǎng)自動化觀測系統(tǒng)（MISTRAL）等。本文以ASOS為代表，介紹國外地面觀測業(yè)務(wù)，特別是“云能天”觀測的自動化現(xiàn)狀及其特點。

ASOS（Automated Surface Observing System）是由美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）、民航局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）和國防部（Department of Defense，DOD）共建的一個地面自動觀測系統(tǒng)。是美國目前地基氣象觀測的骨干和國家發(fā)報站網(wǎng)（圖1）。其觀測和分析判識的基礎(chǔ)是多種針對不同觀測目標的傳感器和設(shè)備，如：冰凍傳感器、閃電定位儀、云高儀等，通過傳感器和設(shè)備收集到高精度、高分辨率的數(shù)據(jù)，經(jīng)過質(zhì)量控制和智能算法，對特定觀測任務(wù)完成具有較高精度的判識和數(shù)據(jù)采集。除了極少數(shù)幾個重要城市、機場、港口外，均無人值守[6]，全部實現(xiàn)自動化。三個部門的需求有共同點，也有不同點，ASOS的設(shè)計較好地滿足了三個部門的共同需求，觀測要素包括世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）規(guī)范中要求的基本項目，也有天氣現(xiàn)象如霧、能見度、云量、云高、有無雷電等等。ASOS系統(tǒng)是1991年正式和工廠簽約投產(chǎn)，20世紀90年代后期起陸續(xù)投入業(yè)務(wù)，此后一直在不斷完善、不斷發(fā)展，主要表現(xiàn)在更新傳感器、擴展系統(tǒng)功能方面[7-8]。

圖1 ASOS站點分布圖Fig.1 ASOS site distribution map

1.1 云的自動觀測

在ASOS中，通過激光云高儀完成云底高度和云量的自動化測量。設(shè)計初期采用的是測量高度12000 ft①1 ft為0.3048 m。的激光云高儀CL25K，后來更新為測量高度為25000 ft的激光云高儀CL31[9]。激光云高儀能比較精確地測量云的高度，但由于每次是單點測量，且只能是對天頂方向的云進行測量，因此云量的測量是對不同高度的云進行時間積分，然后通過計算積分量來確定。

此外，CL51激光測云儀、SkyVUEPRO激光測云儀、Ka段毫米波測云儀、ACP30000毫米波測云儀、EKO全天空成像儀等自動測量設(shè)備也用于云的自動觀測。其中CL51激光測云儀采用增強型單鏡頭新技術(shù)，使得測量范圍可達13 km，且在低海拔地區(qū)也具有卓越的測量性能[10]。SkyVUEPRO激光測云儀采用精密的分鏡頭技術(shù)，獲得高信噪比，在保證儀器測量精度的同時擴展儀器觀測范圍。Ka段毫米波測云儀采用全固態(tài)、單發(fā)雙收線極化、脈沖壓縮多普勒技術(shù)，保證了超強的測量分辨率、測量精度和檢測性能[11]。ACP30000毫米波測云儀采用全固態(tài)脈沖多普勒雙偏振體制，能探測在15～30 km高度范圍內(nèi)高時空分辨率的云分布信息[12-14]。EKO全天空成像儀運用180°廣角高分辨率傳感器，可記錄全天候的全天空云狀信息，并可設(shè)置天頂角范圍、屏蔽區(qū)域、感興趣區(qū)域等參數(shù)，避免遮擋物影響云量計算[15-16]。

1.2 能見度的自動觀測

在ASOS中，能見度的自動觀測主要采用前向散射能見度儀，但同時ASOS的采集控制單元也與機場的透射能見度儀相連，將透射能見度儀與前向散射能見度儀的觀測數(shù)據(jù)都存儲在采集控制單元中，提供給業(yè)務(wù)部門和服務(wù)人員使用。

在能見度自動觀測領(lǐng)域陸續(xù)推出TSAVS能見度傳感器、VS8364能見度傳感器等自動測量設(shè)備。其中，TSAVS能見度傳感器采用氣溶膠前散射技術(shù)，除擁有前散射儀器的所有性能特點外，還能提供100 m以內(nèi)準確的實時能見度。VS8364能見度傳感器采用雙光路對稱設(shè)計，其不僅具有散射型傳感器的優(yōu)點又能避免光學污染的干擾，并且在中遠距離提供較高的感測精度[17-19]。

1.3 天氣現(xiàn)象觀測

ASOS觀測系統(tǒng)的天氣現(xiàn)象觀測實現(xiàn)了自動觀測，但ASOS觀測的天氣現(xiàn)象種類是根據(jù)上述三個部門的需求確定的，而不是按照WMO的要求而定。ASOS通過常規(guī)和專用傳感器直接測量，并在此基礎(chǔ)上對多個觀測要素值進行綜合判識，實現(xiàn)相關(guān)天氣現(xiàn)象的自動化觀測。

在ASOS中自動觀測的天氣現(xiàn)象有：1）降水天氣現(xiàn)象：雨、雪、陣雨、陣雪和雨夾雪；2）視程障礙天氣現(xiàn)象：霧、輕霧和霾；3）凝結(jié)天氣現(xiàn)象：雨凇、霧??；4）雷電天氣現(xiàn)象：雷暴；5）其他天氣現(xiàn)象：大風、颮。

所用于天氣現(xiàn)象的專用傳感器有：1）降水類型識別傳感器。其關(guān)鍵部件主要由紅外發(fā)光管和紅外接收管陣列構(gòu)成。紅外發(fā)光管發(fā)出光束，接收管陣列接收，當降水粒子通過光束時，將改變接收信號。通過對接收信號的分析，得到降水粒子的下落速度、大小和降水類型。2）雷暴傳感器。由光電傳感器和電磁傳感器構(gòu)成。光電傳感器接收雷暴產(chǎn)生的光信號。電磁傳感器實際就是一個無線電接收機，接收雷暴產(chǎn)生的電磁波。有光信號同時也有電磁波信號時，記錄一個雷暴。3）凍雨傳感器。由一個帶有1 in①1 in＝25.4 mm。長探針的電子震動裝置構(gòu)成。探針上不結(jié)冰與結(jié)冰時震動頻率不同，通過分析震動頻率判斷是否在探針上有積冰。

上述三種專用傳感器的測量結(jié)合其他常規(guī)傳感器的測量，進行綜合判識，即可實現(xiàn)前述五類天氣現(xiàn)象的觀測，且基于站點完成。即：第一類降水天氣現(xiàn)象采用降水類型識別傳感器和降水傳感器判識；第二類視程障礙天氣現(xiàn)象，如：霧、輕霧和霾，通過能見度和空氣濕度觀測值判識；第三類凝結(jié)天氣現(xiàn)象采用凍雨傳感器和溫度、降水資料判識；第四類雷電天氣現(xiàn)象采用雷暴傳感器獲??；第五類其他天氣現(xiàn)象，如：大風、颮，通過風、溫度等觀測數(shù)據(jù)進行判識。

2 我國“云能天”觀測自動化情況

2.1 地面氣象觀測自動化發(fā)展歷程

我國地面氣象觀測自動化技術(shù)研究始于20世紀50年代后期，是在學習美國和芬蘭等發(fā)達國家自動氣象觀測站的基礎(chǔ)上開展的自主研發(fā)設(shè)計，伴隨著現(xiàn)代電子測量、自動控制、通信網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)快速發(fā)展，國產(chǎn)自動氣象站技術(shù)也逐漸成熟，到20世紀90年代中期，中小尺度天氣自動氣象監(jiān)測站網(wǎng)在長三角、珠三角地區(qū)建站運行。90年代后期，國內(nèi)第一代自動氣象站設(shè)計定型，并獲準在業(yè)務(wù)中使用，開始在全國地面氣象觀測臺站進行布網(wǎng)建設(shè)。2009年全國2400多個地面氣象觀測站全部實現(xiàn)了溫度、濕度、氣壓、風速、風向、雨量等基本氣象要素的觀測自動化，觀測準確度達到世界氣象組織觀測要求。

自動氣象站僅解決基本氣象要素的觀測自動化，部分觀測項目（如云、能見度、天氣現(xiàn)象等）的自動觀測還需通過其他手段實現(xiàn)。我國自2010年以來，依托能見度自動觀測儀、降水天氣現(xiàn)象儀、激光云高儀、天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀等一系列自動化儀器設(shè)備[20]，以及云和多種天氣現(xiàn)象綜合判識算法的研發(fā)應(yīng)用，先后在國內(nèi)2400余個國家級地面氣象觀測站實現(xiàn)了對“云能天”等項目的自動觀測，特別是天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀的研發(fā)應(yīng)用，將我國地面觀測帶入了智能化時代。

2.2 “云能天”相關(guān)觀測自動化儀器和技術(shù)手段

地面氣象觀測的自動化發(fā)展主要取決于氣象觀測儀器的發(fā)展，而氣象觀測儀器的發(fā)展主要是依托氣象觀測傳感器、自動氣象觀測設(shè)備和多源資料綜合判識技術(shù)的發(fā)展。

2.2.1 云的自動氣象觀測設(shè)備

地面氣象觀測方法的發(fā)展是地面氣象觀測技術(shù)和儀器發(fā)展的強有力支撐。常規(guī)“六要素”測量方法通常采用接觸式，即將傳感器置于被測物質(zhì)中?！霸颇芴臁钡挠^測長期以來主要依靠人工目測的方法，由于這些項目較為復雜，人工觀測存在主觀性強、觀測頻次低、測站分布稀疏、投入及維護成本高且無法回溯等問題。為此，中國氣象局提出綜合氣象觀測需要改變以人工觀測為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)發(fā)展思路，大力推進觀測模式智能化，發(fā)展天氣實況自動判識能力。

云的觀測要素主要有云高、云量、云狀三類。

激光云高儀（圖2）較早應(yīng)用于對云高的自動觀測。其通過發(fā)射脈沖激光并接收云層的激光回波信號，獲取整個探測路徑上的高空間分辨率的激光大氣回波廓線，以此確定觀測點上空是否有云并得到云高。

圖2 芬蘭維薩拉生產(chǎn)的CL31激光云高儀Fig.2 CL31 Laser Ceilometer made in Vaisala,Finland

毫米波測云儀（圖3）采用毫米/微波相關(guān)波段，可以得到非降水回波及弱降水回波特征，除云高、云厚等宏觀信息外，還能夠觀測部分薄云內(nèi)部粒子特征，獲取滴譜分析、液態(tài)含水量等微觀信息。但和激光云高儀一樣，毫米波測云儀以觀測云的局部特征為主[21-22]。

圖3 觀測場中的毫米波測云儀Fig.3 Millimeter wave cloud meter in meteorological observation field

測量云高的方法還包括紅外測云儀，該儀器通過紅外傳感器測量云底亮溫，再通過大氣輻射傳輸方程反演云高；雙成像云高儀也可通過雙目測距的方式計算云底高度[23]。

云量的測量包括早期美國Yankee公司的總天空成像儀（圖4），通過照相機垂直向下拍攝帶有加熱裝置的半球鏡面，得到當時天空可見光輻射分布，并將結(jié)果自動存儲到業(yè)務(wù)終端進行云量計算和處理得到天空云量。

圖4 TSI-800總天空成像儀Fig.4 TSI-800 Total Sky Imager

隨著技術(shù)的發(fā)展，點陣式紅外測云儀與面陣式紅外測云儀能獲取晝夜的全天空云底亮溫，經(jīng)過天頂角修正、球面投影、水汽修正等方式可獲得全天空的紅外輻射分布，再進行分割處理，可獲取云量信息。華云升達（北京）氣象科技有限責任公司的DUH2型云量自動觀測儀（圖5）包含了可見光波段及8-14um的紅外波段[24]，可實現(xiàn)晝夜的云量自動測量。

圖5 DUH2云量自動觀測儀Fig.5 DUH2 Automatic cloud observation instrument

對于云狀的觀測，在天氣現(xiàn)象智能觀測儀部署前，多以云圖的紋理特征、位置等信息分類研究為主，對象多為有代表性的云屬及類別，數(shù)量不超過10類，未實現(xiàn)對WMO規(guī)定的全部29類云狀的自動觀測。

2.2.2 能見度的自動氣象觀測設(shè)備

傳統(tǒng)的能見度觀測依賴人工目測，其觀測數(shù)值主觀性強，無法做到定量化、標準化。目前業(yè)務(wù)中已采用前向散射能見度傳感器、透射式能見度傳感器等測定一定基線范圍內(nèi)的氣象光學視程，以此作為能見度的觀測值。由于透射能見度傳感器需要較長的基線，占地面積大[22]，目前我國地面觀測業(yè)務(wù)中以使用前向散射能見度傳感器（圖6）為主。

圖6 前向散射能見度傳感器Fig.6 forward scattering visibility sensor

2.2.3 降水天氣現(xiàn)象的自動氣象觀測設(shè)備

2017年我國陸續(xù)在2400余個國家級地面氣象觀測站完成了降水天氣現(xiàn)象儀的安裝，2020年4月正式開始單軌業(yè)務(wù)運行。該儀器通過測量不同降水粒子粒徑和下落末速度，分析其分布關(guān)系得到降水類型，可較準確地實現(xiàn)毛毛雨、雨（陣雨）、雪（陣雪）、雨夾雪（陣性雨夾雪）、冰雹、霰等多種降水類天氣現(xiàn)象的自動觀測與識別。

2.2.4 “云能天”的多源資料綜合判識

天氣現(xiàn)象與溫度、氣壓、風、降水量等氣象要素密切相關(guān)，云量和云底高度可通過衛(wèi)星遙感和氣象要素計算等手段獲取，風云四號衛(wèi)星閃電成像儀也投入業(yè)務(wù)運行，地基云閃觀測網(wǎng)也已基本覆蓋全國[25-27]。在此基礎(chǔ)上，利用溫、壓、濕、風等氣象要素資料和衛(wèi)星、雷達資料，通過統(tǒng)計方法建立基于多源數(shù)據(jù)資料的綜合判識模型，可以實現(xiàn)對特定天氣現(xiàn)象或觀測項目的綜合判識。近年來，利用多種自動化觀測儀器及“云大物聯(lián)智”等信息化技術(shù)手段，我國氣象部門深入開展了綜合氣象觀測智能判識新技術(shù)研究應(yīng)用和相關(guān)標準制訂。

2014年我國能見度自動觀測正式業(yè)務(wù)運行的臺站率先實現(xiàn)了視程障礙類天氣現(xiàn)象（包括霧、輕霧、霾、浮塵、揚沙、沙塵暴）的自動綜合判識。此外，自2014年以來，湖南省氣象局地面智能氣象觀測團隊（簡稱湖南智能觀測團隊，下同）構(gòu)建了物理意義明確、綜合考慮區(qū)域特點的云和多種天氣現(xiàn)象綜合判識模型，2018年通過了中國氣象局的業(yè)務(wù)準入，2020年起正式業(yè)務(wù)運行，通過多源資料綜合判識方法實現(xiàn)了全國2400余個國家級觀測站逐小時的總云量、云高、露、霜、結(jié)冰、雷暴、雨凇、霧凇、積雪等項目的自動觀測。

中國氣象局于2019年印發(fā)實施的《地面氣象自動觀測規(guī)范（第一版）》，第一次將“多源觀測數(shù)據(jù)綜合判識”列為觀測手段[25]。

2019年以來，中國氣象局多次組織了對多源資料綜合判識產(chǎn)品的準確性評估。對2018年11月15日至2019年11月14日的綜合判識產(chǎn)品評估結(jié)果（表1）表明，大部分項目的判識結(jié)果與人工觀測相比一致率較高。云量的判識基于衛(wèi)星云產(chǎn)品，因觀測原理不同于地面觀測，其數(shù)值與人工觀測相比一致率不高，但變化趨勢與實際一致，在面向預報業(yè)務(wù)的應(yīng)用中有較好的效果[27]。

表1 綜合判識產(chǎn)品與人工觀測一致率Table 1 consistency rates of comprehensive identification products and Manual Observations

2.2.5 天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀

自2012 以來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，AlexNet、ResNet、Xception、SENet等深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[28-31]在海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對圖像的分類相關(guān)問題，在大批量、多類別、高精度三個維度均取得了重要進展，使得基于圖像、視頻的“云能天”自動觀測在技術(shù)上成為可能，對積雪、雨凇以及云量、云狀等項目的圖像識別也取得了實用性的成果[32,33]。

2019年5月，中國氣象局組織公布了《天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀技術(shù)要求》，6—8月組織開展了儀器的專項測試，共有六個廠家、七款設(shè)備參加測試。參試設(shè)備均采用多個攝像機對特定目標物進行圖像采集，并配備搭載圖像識別算法的獨立處理器，實時輸出觀測結(jié)果。

由湖南智能觀測團隊牽頭技術(shù)研發(fā)，華云升達（北京）氣象科技有限責任公司生產(chǎn)的HY-WP1A、HY-WP1B兩種型號設(shè)備在運行穩(wěn)定性、觀測結(jié)果準確性等方面完全滿足技術(shù)要求，最終通過測試。其中HY-WP1A型天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀（圖7）于2019年底開始先后在全國2344個國家氣象觀測站安裝布設(shè)，并于2020年9月投入業(yè)務(wù)試運行，計劃于2022年正式業(yè)務(wù)運行。

圖7 天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀（安裝于廣西南寧氣象觀測站）Fig.7 Weather phenomenon video intelligent observation instrument (installed at Nanning Observation Station,Guangxi)

“天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀”是由多個不同觀測角度的視頻采集器和控制處理器組成的一體化設(shè)備，并集成深度學習加速計算芯片，結(jié)合基于圖像、時空序列信息和氣象要素信息的多源融合AI識別算法模型，實現(xiàn)了高時空分辨率的全天空、全景、全天候的密集自動觀測，可實時輸出云量、云狀、雨凇、霧凇、結(jié)冰、積雪、雪深、露、霜等項目的自動觀測結(jié)果[32-34]。

為評估儀器觀測效果，湖南省氣象局組織了省內(nèi)14個觀測站開展人工對比觀測。根據(jù)統(tǒng)計，2020年4月1日至2021年6月20日，天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀與人工觀測對比評估結(jié)果如表2所示。此外，在湖南省2020年12月13—14日寒潮過程期間，天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀對積雪觀測的一致率為98.4%、結(jié)冰為96.1%、雨凇為99.6%，霧凇為99.9%。在2022年2月21—22日湖南省大范圍暴雪天氣過程期間，對湖南省97個地面觀測站積雪和積雪深度觀測的一致率分別為93.3%和90.8%。各項項目視頻觀測的準確率整體優(yōu)于綜合判識算法，特別是對云的觀測優(yōu)勢明顯，但暫未解決對云的夜間觀測問題。

表2 視頻觀測結(jié)果與人工觀測對比評估情況（2020年4月1日至2021年6月20日）Table 2 Consistency between video observation and manual observation (1April 2020 to 20 June 2021)

與一般圖像分類問題相比，對天氣現(xiàn)象的圖像識別更為復雜與多變。天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀采用了標準化的目標物，制訂了嚴格的安裝和攝像機調(diào)試規(guī)范，但不同氣候特征、不同光照、不同下墊面條件的差異仍然給觀測效果帶來了一定程度的影響[32]。為解決此問題，在構(gòu)建識別模型的過程中，運用了多類經(jīng)典深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，也融入了多源氣象要素與時空序列信息來輔助對不同天氣現(xiàn)象進行更精確的識別。此外，隨著時間推移，不同背景條件下的典型樣本數(shù)量增多，針對不同區(qū)域特點構(gòu)建差異化的識別模型，也可有效提高天氣現(xiàn)象視頻智能觀測儀觀測效果。

3 地面“云能天”自動化觀測新探索

3.1 智能化觀測

地面氣象觀測智能化不僅包含氣象觀測自動化技術(shù)，還結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)等，向著自組網(wǎng)、自適應(yīng)、自管理等無人化、精準化、智能化方向發(fā)展。未來氣象觀測站點必將越來越密集，一定區(qū)域內(nèi)的站點可自動連接成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，互為備份、相互校驗，并實現(xiàn)復雜環(huán)境下的設(shè)備運行自動監(jiān)控、報警等。

智能化觀測優(yōu)勢還在于可對“云能天”等難以通過傳統(tǒng)傳感器直接觀測的項目進行有效、準確的自動觀測。隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展，通過大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)應(yīng)用，可極大提高基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率，降低觀測成本。前文提到的多源資料綜合判識、基于視頻圖像識別的自動觀測技術(shù)都可納入智能化觀測的范疇[35-37]。

湖南智能觀測團隊針對夜間云和能見度的智能化觀測開展了一些有益的探索。

3.1.1 云量、云狀夜間觀測探索

基于日間云量云狀視頻觀測取得的進展，湖南智能觀測團隊利用地基紅外云圖，在解決夜間云觀測的問題上提出了一種標準度量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（圖8）。

圖8 紅外云圖的標準度量網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.8 Standard metric network model for infrared cloud image

將日間紅外云圖和夜間紅外云圖同時作為輸入，通過圖像特征提取和標準化度量后，將兩者映射到統(tǒng)一的度量標準化空間里，消除了兩者原本的屬性差異，并且保留了各自原有的特征。再以日間基于可見光的識別模型與人工先驗標簽為指導，統(tǒng)一日間、夜間云觀測模型，以此實現(xiàn)夜間對云量、云狀的智能觀測（圖9）。同時探索以多光譜融合技術(shù)對不同高度的云進行立體建模。從三維立體模型中可以看出，不同高度的云在三維空間中的位置差異很大，辨識度高。將對云的智能識別從二維空間擴展到三維立體點云空間中。從而使得精確劃分各類云狀邊界，精細識別各高度的分云量成為可能。

圖9 2022年6月7日18:12:01地基云圖（a～c）和2022年6月8日 18:10:02地基云圖（d～f）（采集于長沙綜合氣象觀測試驗基地）Fig.9 Ground-based cloud image collected at 18:12:01 BT 7 June 2022 (a-c) and ground-based cloud image collected at 18:10:02 BT 8 June 2022 (d-f) (Collected in Changsha comprehensive meteorological observation test base)

3.1.2 能見度智能化觀測探索

現(xiàn)有能見度觀測儀器在局部有霧及大氣環(huán)境污染較嚴重的情況下與人工觀測差異較大。由于大氣中顆粒物分布并非均勻，且大氣中的顆粒物濃度與能見度實質(zhì)呈現(xiàn)較好的反相關(guān)性，所以在大氣顆粒物濃度越高的時候，人工觀測的能見度數(shù)值就越接近真實大氣能見度值，而能見度儀觀測的數(shù)值相對于真實值偏小[38]。

為解決此類問題，西班牙和美國阿拉斯加在利用視覺圖像中的邊緣信息計算能見度進行了一些探索[39-40]，但局限性還是很大。

湖南智能觀測團隊利用計算視覺技術(shù)，結(jié)合其他傳感器資料，對霧的局部濃度進行視頻觀測，使在濃霧及重污染天氣情況下的能見度觀測值更接近人眼觀測的目視能見度。該技術(shù)與現(xiàn)有能見度儀器結(jié)合，在團霧、碎霧、部分霧等情況下可測得更為精準的能見度值，并可將能見度、視程障礙類天氣現(xiàn)象的觀測由點拓展到面，對各方向的目視能見度進行精準的觀測（圖10）。

圖10 霧的局部濃度視頻觀測示意圖Fig.10 Video observation of local concentration of fog

3.2 社會化觀測

專業(yè)地面觀測的特點是空間密度小、觀測精度高、數(shù)據(jù)延續(xù)性好，因此專業(yè)地面氣象觀測更主要是保證其準確性和穩(wěn)定性。

現(xiàn)代氣象預報、服務(wù)業(yè)務(wù)向地面觀測提出了更高的需求，專業(yè)地面觀測在時空密度上逐漸不能滿足需要。在這種情況下，社會化觀測的概念和相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品逐漸發(fā)展，其特點是小型化、便攜化、移動化、通用化，重視觀測的時空密度，如目前的移動氣象站、智慧路燈，以及智能手機內(nèi)置的溫度、氣壓傳感器等，均可作為社會化觀測的數(shù)據(jù)來源。此外，利用城市中大量聯(lián)網(wǎng)的交通、安防攝像頭，結(jié)合圖像識別技術(shù)，可以實現(xiàn)大范圍實時的天氣現(xiàn)象監(jiān)測。社會化觀測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的匯集、分析，可以向社會直接提供信息服務(wù)，并有助于預報準確性的提高。

4 地面“云能天”智能化觀測發(fā)展趨勢與展望

從地面氣象觀測技術(shù)發(fā)展歷程來看，地面“云能天”自動化觀測的基礎(chǔ)在于氣象傳感器的發(fā)展以及各類新技術(shù)應(yīng)用。面對“智慧氣象”、“全球氣象”建設(shè)需求，氣象觀測裝備將迎來再一次的更新?lián)Q代，朝著智能化、微型化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、全球化方向邁進。

近年來，嵌入式技術(shù)突飛猛進。國外如英偉達、谷歌、英特爾，國內(nèi)如華為、景嘉微等硬件廠商角逐人工智能領(lǐng)域的至高點，不斷推出集成有CPU+GPU、CPU+NPU、CPU+VPU的嵌入式核心模塊，集成度越來越高、算力越來越強、性價比日益凸顯。因此，應(yīng)把握全球科技創(chuàng)新趨勢和氣象業(yè)務(wù)發(fā)展需求，根據(jù)現(xiàn)代電子技術(shù)、材料技術(shù)、信息技術(shù)快速更迭的特點，推動氣象探測與成熟應(yīng)用型新技術(shù)融合，在氣象專用芯片及核心傳感器上加大自主可控的研究步伐，加快“產(chǎn)、學、研、用”一體的氣象觀測技術(shù)研發(fā)，加強和鼓勵高校和科研機構(gòu)與氣象部門、知名企業(yè)開展全方位、多層次、高水平的氣象觀測技術(shù)合作，積極融入全球氣象科技創(chuàng)新，以推動氣象觀測特別是“云能天”智能化觀測新技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展。