雨雪冰凍天氣過程的觀測(cè)技術(shù)與氣象服務(wù)產(chǎn)品創(chuàng)新

摘 要：隨著全球氣候變化的加劇，極端天氣事件頻發(fā)，其中雨雪冰凍天氣對(duì)農(nóng)業(yè)、交通、能源、城市基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域造成了嚴(yán)重影響。為了有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，提高災(zāi)害防范和應(yīng)對(duì)能力，觀測(cè)技術(shù)與氣象服務(wù)產(chǎn)品的創(chuàng)新顯得尤為重要?；诖?，闡述了觀測(cè)技術(shù)與氣象服務(wù)產(chǎn)品創(chuàng)新的意義，分析了雨雪冰凍天氣的成因和特征，介紹了雨雪冰凍天氣觀測(cè)技術(shù)，提出了氣象服務(wù)產(chǎn)品創(chuàng)新路徑。

關(guān)鍵詞：雨雪冰凍天氣；觀測(cè)技術(shù)；氣象服務(wù)產(chǎn)品

中圖分類號(hào)：P49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–00-03

我國疆域遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜多樣，橫跨熱帶、亞熱帶與溫帶三大溫度帶，這種獨(dú)特的地理?xiàng)l件為多種氣候類型的形成提供了基礎(chǔ)。然而，在全球氣候變暖的背景下，大氣環(huán)流呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的態(tài)勢(shì)，異常度顯著偏高，導(dǎo)致天氣系統(tǒng)更加不穩(wěn)定，極端天氣事件頻發(fā)。低溫雨雪冰凍天氣便是其中之一，其成因復(fù)雜，既與地理位置的特定條件相關(guān)，又深受全球氣候變化的影響。因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)低溫雨雪冰凍天氣并積極組織預(yù)防工作十分必要。

1 觀測(cè)技術(shù)與氣象服務(wù)產(chǎn)品創(chuàng)新的意義

1.1 提高災(zāi)害預(yù)警與應(yīng)對(duì)能力

雨雪冰凍天氣往往伴隨著極端的氣象條件，如強(qiáng)降雪、道路結(jié)冰、低溫嚴(yán)寒等，這對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重威脅。遙感衛(wèi)星和無人機(jī)等觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)雨雪冰凍天氣的發(fā)生，明確其發(fā)展趨勢(shì)和演變過程。通過這些技術(shù)手段，氣象部門可以實(shí)時(shí)獲取大量的氣象數(shù)據(jù)，并基于這些數(shù)據(jù)構(gòu)建精細(xì)化的氣象預(yù)報(bào)模型，提前發(fā)布預(yù)警信息，為公眾和相關(guān)行業(yè)提供充足的準(zhǔn)備時(shí)間，從而大大提高了災(zāi)害預(yù)警與應(yīng)對(duì)能力，減少了災(zāi)害帶來的損失[1]。

1.2 實(shí)現(xiàn)氣象服務(wù)產(chǎn)品的多樣化

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不同行業(yè)對(duì)氣象服務(wù)的需求日益多樣化和個(gè)性化。氣象服務(wù)產(chǎn)品的創(chuàng)新正是基于這種需求變化而進(jìn)行的。針對(duì)雨雪冰凍天氣，氣象部門開發(fā)出多種類型的氣象服務(wù)產(chǎn)品，如精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)、交通氣象服務(wù)、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)等，這些產(chǎn)品不僅提供了更加詳細(xì)、準(zhǔn)確的氣象信息，還可根據(jù)不同行業(yè)的特點(diǎn)和需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，使得氣象服務(wù)更貼近實(shí)際且更具有針對(duì)性，在一定限度上促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。

1.3 推動(dòng)氣象科技的進(jìn)步

一方面，觀測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新需要不斷引入新的科技手段和設(shè)備，這樣可以提高觀測(cè)的精度和效率，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和成熟。另一方面，氣象服務(wù)產(chǎn)品的創(chuàng)新也需要不斷引入新的理論和方法，如人工智能、大數(shù)據(jù)等，這些理論和方法的引入和應(yīng)用不僅提高了氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，還推動(dòng)了氣象學(xué)科的發(fā)展和完善。因此，雨雪冰凍天氣過程的觀測(cè)技術(shù)與氣象服務(wù)產(chǎn)品的創(chuàng)新，對(duì)推動(dòng)氣象科技的進(jìn)步與發(fā)展具有重要意義[2]。

2 雨雪冰凍天氣過程分析

2.1 雨雪冰凍天氣的成因

第一，冷空氣的南下是雨雪冰凍天氣發(fā)生的主要因素。當(dāng)北方強(qiáng)冷空氣南下，與南方暖濕氣流相遇時(shí)，兩者在交界處形成鋒面，導(dǎo)致水汽凝結(jié)產(chǎn)生降水。若此時(shí)地面溫度＜0 ℃，則降水將以雪或冰的形式出現(xiàn)。

第二，高山、丘陵等地形地貌容易形成局部氣候，使得降雪和冰凍現(xiàn)象更為嚴(yán)重。這些地區(qū)的氣流受到地形抬升作用，易形成云而致雨，且由于地形的阻擋作用，冷空氣容易在這些地區(qū)堆積，形成低溫環(huán)境。同時(shí)，在特定的地形條件下，如山谷、河谷等，容易形成局部環(huán)流。這些環(huán)流會(huì)影響氣流的運(yùn)動(dòng)方向和速度，進(jìn)而影響降水的分布和強(qiáng)度。例如，在山谷地區(qū)，由于地形的狹管效應(yīng)，氣流會(huì)加速并上升，有利于云致雨的發(fā)生。

第三，受大氣環(huán)流影響，當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)速較小，有利于降雪和冰凍的維持和加劇。例如，2008年，赤道中東太平洋海溫進(jìn)入拉尼娜狀態(tài)，導(dǎo)致海表溫度較常年同期偏低。這種海溫異常會(huì)影響全球大氣環(huán)流，進(jìn)而影響我國的降水分布和氣溫變化。拉尼娜事件是導(dǎo)致我國南方地區(qū)出現(xiàn)大范圍持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣的重要原因之一[3]。

2.2 雨雪冰凍天氣的特征

雨雪冰凍天氣具有顯著的季節(jié)性特征，通常發(fā)生在冬季或早春時(shí)節(jié)。其持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)可短，短則數(shù)小時(shí)，長(zhǎng)則可達(dá)數(shù)周甚至數(shù)月，具體取決于冷空氣的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和水汽供應(yīng)情況。同時(shí)，雨雪冰凍天氣影響范圍廣泛，可覆蓋整個(gè)國家或地區(qū)，甚至跨國界影響。在強(qiáng)度上，雨雪冰凍天氣可造成不同程度的積雪、冰凍和道路結(jié)冰，嚴(yán)重影響人們的日常生活和出行安全。此外，雨雪冰凍天氣還常伴有低能見度、大風(fēng)等不利氣象條件，進(jìn)一步加劇其災(zāi)害性。

3 雨雪冰凍天氣觀測(cè)技術(shù)

3.1 地面觀測(cè)技術(shù)

地面氣象觀測(cè)站是雨雪冰凍天氣觀測(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施，其監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警提供了基礎(chǔ)依據(jù)，有助于及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)災(zāi)害，其數(shù)據(jù)連續(xù)性和穩(wěn)定性較高，能夠反映氣象要素的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。一般而言，地面氣象觀測(cè)站會(huì)按照一定的間距和地理分布原則進(jìn)行設(shè)置，確保覆蓋廣泛。在設(shè)備方面，地面氣象觀測(cè)站通常配備有溫度計(jì)、濕度計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀、降水量測(cè)量?jī)x等基礎(chǔ)設(shè)備，這些設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并記錄氣象要素。

隨著科技的進(jìn)步，新型傳感器與監(jiān)測(cè)設(shè)備在雨雪冰凍天氣觀測(cè)中的應(yīng)用越來越廣泛，其中，激光雷達(dá)作為一種高精度測(cè)距儀器，在雪深監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。激光雪深傳感器應(yīng)用激光測(cè)距技術(shù)，通過發(fā)射激光束并接收其反射信號(hào)，精確計(jì)算激光束往返的時(shí)間差或相位差，從而得出雪面的距離，進(jìn)而測(cè)量雪深，其具有毫米級(jí)的高精度，能夠顯著提升雪深測(cè)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)，激光雪深傳感器具有極高的方向性和速度，能夠準(zhǔn)確識(shí)別并測(cè)量雪層厚度，避免了其他傳感器在雪層測(cè)量中可能遇到的干擾和誤差，即使是在復(fù)雜天氣和地形條件下也能保持高精度。此外，紅外傳感器則通過檢測(cè)物體輻射的紅外能量推斷其表面溫度，進(jìn)而判斷路面是否結(jié)冰。激光和紅外等新型傳感器采用非接觸式測(cè)量方式，減少了與雪層直接接觸帶來的磨損和維護(hù)需求。這種設(shè)計(jì)不僅延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命，還避免了因接觸式測(cè)量可能引入的誤差[4]。

3.2 遙感觀測(cè)技術(shù)

遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)在雨雪冰凍天氣監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著不可替代的作用，為氣象預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。在雨雪冰凍天氣中，遙感衛(wèi)星通過搭載各種高精度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)獲取地球表面的多種信息，包括云層分布、降水強(qiáng)度、冰層厚度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

風(fēng)云系列衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的氣象衛(wèi)星，在雨雪冰凍天氣監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出色，該系列衛(wèi)星搭載了多光譜成像儀、微波輻射計(jì)等先進(jìn)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣、陸地和海洋的全方位監(jiān)測(cè)，尤其是在雨雪天氣中，風(fēng)云衛(wèi)星通過其獨(dú)特的微波探測(cè)能力，可以穿透云層，直接測(cè)量到降水粒子的分布和強(qiáng)度，為氣象預(yù)報(bào)員提供準(zhǔn)確的降水信息。并且，風(fēng)云衛(wèi)星還具備高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雨雪天氣的連續(xù)觀測(cè)，為災(zāi)害預(yù)警提供了重要的依據(jù)。

高分衛(wèi)星搭載的高分辨率相機(jī)能夠拍攝到地表細(xì)微的變化，包括冰層表面的裂紋、積雪的厚度和分布等。這些數(shù)據(jù)在評(píng)估雨雪冰凍天氣對(duì)交通、農(nóng)業(yè)、城市基礎(chǔ)設(shè)施等的影響方面具有重要意義。同時(shí)，高分衛(wèi)星還具備多光譜成像能力，可以通過不同波段的反射特性，區(qū)分出不同類型的冰雪覆蓋，為災(zāi)害評(píng)估提供更加全面的信息。

3.3 無人機(jī)觀測(cè)技術(shù)

無人機(jī)觀測(cè)技術(shù)在雨雪冰凍天氣監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)了獨(dú)特的靈活性和高效性。相較于遙感衛(wèi)星，無人機(jī)能夠在更低的高度飛行，獲取更為詳細(xì)的地表信息。同時(shí)，無人機(jī)還可以根據(jù)實(shí)際需求，靈活調(diào)整飛行路線和高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的精細(xì)化監(jiān)測(cè)。在雨雪冰凍天氣中，無人機(jī)可以搭載多種傳感器，如溫濕度傳感器、氣壓傳感器、紅外相機(jī)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣參數(shù)、地表溫度、積雪厚度等多種數(shù)據(jù)的采集，方便工作人員進(jìn)一步分析雨雪冰凍天氣的成因、發(fā)展趨勢(shì)及評(píng)估其對(duì)環(huán)境的影響[5]。

在飛行方面，無人機(jī)可以根據(jù)雨雪冰凍天氣的特點(diǎn)，制定合適的飛行計(jì)劃。例如，在降雪較大的區(qū)域，無人機(jī)可以采用低空飛行的策略，避免積雪對(duì)飛行安全的影響；在冰凍嚴(yán)重的區(qū)域，無人機(jī)則可以通過搭載紅外相機(jī)等設(shè)備，探測(cè)冰層表面的溫度分布。

在數(shù)據(jù)處理方面，無人機(jī)搭載的高精度傳感器在飛行過程中不斷采集數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)傳輸至地面站。地面站配備有先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠接收并處理這些數(shù)據(jù)，應(yīng)用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，提取出有用的信息，并將處理后的數(shù)據(jù)以可視化的形式展示給用戶，如生成積雪分布圖、冰層穩(wěn)定性評(píng)估報(bào)告等。

3.4 觀測(cè)數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)

觀測(cè)數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)是指將來自不同傳感器、不同平臺(tái)及不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與綜合分析的過程，這種方法能夠充分利用各數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源在覆蓋范圍、分辨率、時(shí)間分辨率等方面的不足，從而提升觀測(cè)數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。多源觀測(cè)數(shù)據(jù)融合主要包括像素級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合。

在數(shù)據(jù)處理過程中，大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠高效處理海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)、檢索和分析，通過分布式計(jì)算框架顯著加快數(shù)據(jù)處理的速度和擴(kuò)大數(shù)據(jù)處理的規(guī)模。人工智能技術(shù)通過訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類、識(shí)別和預(yù)測(cè)。在數(shù)據(jù)融合過程中，可以引入遺傳算法、粒子群優(yōu)化等優(yōu)化算法，對(duì)融合參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)優(yōu)，以達(dá)到最優(yōu)的融合效果。

4 氣象服務(wù)產(chǎn)品創(chuàng)新路徑

4.1 搭建氣象信息服務(wù)平臺(tái)

氣象信息服務(wù)平臺(tái)是連接氣象數(shù)據(jù)與公眾的橋梁，集成了先進(jìn)的氣象數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，融合了用戶友好的界面設(shè)計(jì)和交互體驗(yàn)，確保信息能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地傳達(dá)。

第一，在建設(shè)階段，氣象部門需整合多源氣象數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星遙感、雷達(dá)觀測(cè)、地面氣象站等數(shù)據(jù)源，確保數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性；不斷優(yōu)化服務(wù)內(nèi)容和形式，滿足公眾多樣化的需求。同時(shí)，平臺(tái)需要提供實(shí)時(shí)氣象信息，包括溫度、濕度、風(fēng)速、降水等關(guān)鍵氣象要素，以及未來幾天的天氣預(yù)報(bào)和氣象預(yù)警信息，為公眾合理安排日常生活和出行計(jì)劃提供依據(jù)。

第二，氣象部門要充分利用現(xiàn)代傳媒技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在平臺(tái)生動(dòng)直觀地介紹氣象科學(xué)的基本原理，以通俗易懂的語言和豐富的案例，幫助公眾建立起對(duì)氣象科學(xué)的基本認(rèn)知框架。針對(duì)常見的氣象災(zāi)害，如暴雨、臺(tái)風(fēng)、干旱等，還應(yīng)詳細(xì)解析其成因、特點(diǎn)、影響范圍及防御措施，增強(qiáng)公眾的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)和自救互救能力。

第三，氣象部門還要注重與教育機(jī)構(gòu)、社區(qū)組織等合作，共同開展氣象知識(shí)進(jìn)校園、進(jìn)社區(qū)等活動(dòng)。通過舉辦講座、展覽，讓公眾在輕松愉快的氛圍中學(xué)習(xí)氣象知識(shí)，感受氣象科學(xué)的魅力，這些活動(dòng)不僅能豐富公眾的文化生活，還可進(jìn)一步推動(dòng)氣象知識(shí)的普及與傳播，為構(gòu)建全民參與的氣象防災(zāi)減災(zāi)體系奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6]。

4.2 深化個(gè)性化與定制化服務(wù)

隨著用戶需求的日益多樣化，氣象服務(wù)產(chǎn)品應(yīng)不斷深化個(gè)性化與定制化服務(wù)。通過收集用戶的偏好、行為習(xí)慣等信息，為用戶提供更加符合其需求的氣象服務(wù)。例如，針對(duì)旅游愛好者，可以開發(fā)旅游氣象服務(wù)產(chǎn)品，提供目的地未來幾天的天氣預(yù)報(bào)、穿衣建議、戶外活動(dòng)建議等。針對(duì)農(nóng)業(yè)用戶，可以提供作物生長(zhǎng)氣象服務(wù)，包括作物適宜生長(zhǎng)條件、病蟲害預(yù)警等信息。

4.3 構(gòu)建多尺度預(yù)報(bào)模型

多尺度預(yù)報(bào)模型在雨雪冰凍天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要作用。該模型通過融合不同時(shí)間和空間尺度的氣象數(shù)據(jù)，能夠更全面地描述大氣系統(tǒng)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)變化。模型選擇時(shí)，相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)預(yù)報(bào)目標(biāo)和預(yù)報(bào)區(qū)域的特點(diǎn)，選擇適合的數(shù)值預(yù)報(bào)模式和物理參數(shù)化方案。參數(shù)優(yōu)化則依賴于大量的歷史數(shù)據(jù)和先進(jìn)的優(yōu)化算法，通過不斷調(diào)整模型參數(shù)，提升預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，工作人員需要驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)果，通過與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，評(píng)估預(yù)報(bào)誤差并反饋至模型改進(jìn)中。

4.4 注重用戶體驗(yàn)與建立反饋機(jī)制

用戶體驗(yàn)是氣象服務(wù)產(chǎn)品創(chuàng)新的核心。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，應(yīng)始終關(guān)注用戶的需求和反饋，不斷優(yōu)化產(chǎn)品功能和界面設(shè)計(jì)，提升用戶體驗(yàn)。氣象部門需要建立完善的用戶反饋機(jī)制，及時(shí)收集用戶在使用過程中遇到的問題和建議，為產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。同時(shí)，可以利用用戶反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品迭代升級(jí)，推出更符合用戶需求的新產(chǎn)品和新功能。此外，氣象部門還可以通過用戶社區(qū)、在線調(diào)查等方式，加強(qiáng)與用戶的互動(dòng)和溝通，與用戶建立良好的關(guān)系。

5 結(jié)束語

雨雪冰凍天氣過程的觀測(cè)技術(shù)與氣象服務(wù)產(chǎn)品的創(chuàng)新對(duì)提高災(zāi)害防范能力和保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。通過綜合運(yùn)用遙感衛(wèi)星和無人機(jī)等現(xiàn)代科技手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雨雪冰凍天氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。同時(shí)，氣象服務(wù)產(chǎn)品的創(chuàng)新，不僅滿足了不同領(lǐng)域的需求，還推動(dòng)了氣象服務(wù)的專業(yè)化、智能化發(fā)展。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，雨雪冰凍天氣觀測(cè)與氣象服務(wù)產(chǎn)品將進(jìn)一步融合，為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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收稿日期：2027-07-31

作者簡(jiǎn)介：趙明（1993—），男，吉林公主嶺人，工程師，研究方向?yàn)闅庀缶C合業(yè)務(wù)。