地面气象观测全面自动化“燃”在哪儿？下一个小目标是——
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编者按
4月1日 ， 地面气象观测自动化改革从全国试运行正式切换调整为业务运行 ， 标志着我国地面气象观测迈入全面自动化时代 。 气象部门将对标“监测精密”要求 ， 持续推进观测业务体制改革、创新观测技术 ， 进一步优化调整观测项目和管理权限、引导台站业务人员转型发展 ， 促进气象事业高质量发展 ， 加快建设气象强国 。
新设备~
地面气象观测自动化历经试点和试运行后 ， 一些观测自动化的新设备几经打磨陆续“上岗” 。 作为地面气象观测领域的“新式武器” ， 它们的功效、性能如何？亮出“名片”见分晓 。
No.1
酸雨自动观测系统
我叫酸雨自动观测系统 ， 由自动降水采样器、降水样品自动分析仪和数据综合处理软件组成 ， 主要负责观测降水pH值、电导率、降水样品温度、降水量等 。
我可以自动采集获取降水样品 ， 记录降水过程发生的起止时间和降水样品的温度 ， 并自动完成对降水样品pH值、电导率的测定 ， 记录和存储相关数据信息 ， 完成数据上传 。 在运行方式上 ， 每24小时我会自动采集一个降水样品 ， 当我的感雨器检测到降水发生时 ， 会在规定延迟时间内打开降水采样桶 ， 在检测到降水停歇达到规定时间时 ， 会关闭降水采样桶 。 
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酸雨自动观测系统No.2
冻土自动观测仪
我叫冻土自动观测仪 ， 随着冻土观测数据在气候监测、农业生产、建筑规划与设计、环境监测等领域需求的日益增多 ， 我的前辈传统观测仪器冻土器已不能满足当前预报服务的需求 ， 于是 ， 集观测精度高、性能稳定、维护方便等多项优势于一身的我应运而生 。
冻土观测内容包括土壤冻结层次和冻结深度 ， 我会根据含有水分土壤的冻融特性 ， 通过测量水的相态 ， 采用阈值判断方法测量土壤冻结深度 。
在数据传输中 ， 我有主动传输和被动传输两种模式 。 启动被动传输模式时 ， 我每分钟完成数据采集处理 ， 等待数据读取命令 ， 向上位机发送距当前时刻最近的数据；启动主动传输模式时 ， 我会根据预设的程序与上位机进行数据传输 。
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冻土自动观测仪No.3
辐射观测系统
我叫辐射观测系统 ， 我有一个大家庭 ， 家庭成员有基准辐射站、一级辐射站、二级辐射站和三级辐射站 。
我的工作很专业 ， 也很高大上 ， 比如在数据采集中 ， 家庭成员之一的基准辐射站采用模拟式辐射传感器 ， 并与基准辐射分采集器相连进行基准辐射数据采集；一、二、三级辐射站等其他家庭成员全部配置数字式辐射传感器 ， 经数据处理直接输出总辐射、反射辐射、散射辐射、直接辐射、大气长波辐射和地面长波辐射分钟辐照度值和状态信息等数据 。
数据采集完成后 ， 我们的辐射站会采用辐射分采集器对各辐射传感器及配套附件数据进行汇集、计算、存储 ， 形成符合数据字典要求的整包数据并上传 。
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辐射观测系统No.4
我叫天气现象视频智能观测仪 ， 由视频采集器、数据处理单元、通信单元、供电单元和附件等组成 ， 可自动识别云量、云状、地面凝结现象（霜、露、雨凇、雾凇）、结冰、积雪和雪深等天气现象或气象要素 。
通过视频采集器 ， 我可以自动采集视频和图片 ， 图片采样频率为1次/分 ， 视频采样频率为6次/时 ， 每次为10秒短视频 。
我有一个数据处理单元 ， 它可以对图片进行自动检查 ， 把质量合格的图片通过智能识别算法进行感知 ， 从而实现天气现象或气象要素的自动观测识别 。
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天气现象视频智能观测仪No.5
气温多传感器标准系统
我叫气温多传感器标准系统 ， 包括三支气温传感器、气温多传感器标准控制器等 。 我的出现 ， 解决了现行自动气象站气温传感器出现故障导致气温数据异常或缺测的问题 ， 确保了气温数据的完整性和可用性 。
我的工作需要多方合力完成 ， 比如在数据采集中 ， 我的三支气温传感器采集的气温观测数据会进入气温多传感器标准控制器 ， 通过融合算法和监控算法被处理为标准值 。 在数据处理阶段 ， 单支气温传感器会采集分钟气温观测数据 ， 再由气温多传感器标准控制器对采样值进行数据处理 ， 形成气温标准值 。
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气温多传感器标准系统No.6
降水多传感器标准系统
我叫降水多传感器标准系统 ， 包括三个翻斗式雨量传感器、降水多传感器标准控制器等 。 我解决了现行自动气象站雨量传感器出现故障导致雨量数据异常或缺测的问题 ， 提高了自动化程度 ， 减轻了人工维护工作量 。
在数据采集阶段 ， 我的采样频率达1次/分 ， 三个翻斗式雨量传感器分别采集的降水观测数据经自动数据处理后形成翻斗式雨量标准值 ， 随后 ， 我会将三个翻斗式雨量传感器接入降水多传感器标准控制器 ， 再通过自动气象站主采集器实现数据通信 。
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降水多传感器标准系统关键技术
从人工观测到自动化观测 ， 需要重点持续攻克和推进应用“云能天”三方面的关键技术 。 火烧乌云盖 ， 大雨来得快 。 云是悬浮在大气中的小水滴、过冷水滴、冰晶或它们的混合物组成的可见聚合体；有时也包含一些较大的雨滴、冰粒和雪晶 。 对云的观测包括云状、云量、云高等项目 ， 涉及三族十属二十九类云 ， 较为复杂 ， 2014年自动化改革推进时 ， 云状观测项目已取消；今年4月1日 ， 地面气象观测自动化改革从全国试运行切换调整为正式业务运行 ， 旨在进一步实现云量、云高的自动化观测 。 “与一般的气象要素观测不同 ， 云的观测更为复杂 。 ”中国气象局气象探测中心高级工程师张鑫说 ， 基于对云的定义和理解相对主观 ， 在利用算法和声光电等方式处理云的观测信息时 ， 显得边界比较模糊 。 他举例 ， 对于云高的人工观测 ， 通常采用目测方式 ， 由观测员根据云状、云体结构、云块大小、亮度、颜色、移速等 ， 结合本地经验估测云高 。 而各种云都是在不断演变的 ， 高度不固定 ， 所以人工观测云时容易产生较大的主观误差 。 因此 ， 面对同一片天空 ， 通过观测设备完成对云遮蔽天空视野成数的云量观测和云底距测站垂直距离的云高观测 ， 结果将更为客观 。 “能”即能见度 ， 涉及白天观测和夜间观测 。 相比较人工观测 ， 能见度自动观测是连续、实时的 ， 观测的可比性和稳定性较好 ， 观测的精度和时间分辨率不断提高 ， 对于提升能见度预报的精细化水平持续发挥重要作用 。 如对于持续时间不长的团雾 ， 人工观测可能无法准确捕捉能见度的变化情况 ， 但逃不过自动观测仪器的“眼睛” 。 “天”即天气现象 ， 包括降水、地面凝结、雷电等 ， 这些现象都是在一定的天气条件下产生的 。 张鑫介绍 ， 天气现象最早的观测项目有34种 ， 在2014年自动化改革推进过程中 ， 基于项目本身的观测内容与合并等需求去掉了十余种项目 ， 目前共有21种 。 具体而言 ， 例如露和霜等气象要素信息较为相似 ， 且对下垫面的气象条件要求较高 ， 其观测自动化进展与现代科技进步密不可分 。 中国气象局气象探测中心在2010年开始进行天气现象自动化观测试验 ， 通过视频实景等拍照片式的图像识别方式 ， 持续推进天气现象自动化观测 。 伴随高精度摄像头等技术的进步 ， 更高清晰度的图片被成功获取 ， 从图像采集到处理 ， 再到大数据、深度学习、人工智能等更丰富智能算法的应用 ， 天气现象得以被进一步科学掌握 。 发展趋势地面气象观测自动化的大幕已经拉开 ， 但这仅仅是迈出的一步 。 在完成整体的自动化切换后 ， 地面气象观测下一个目标是什么？张鑫提供了三种思路 。
基于技术应用完善改进
地面气象观测系统由硬件和软件组成 。 硬件包括传感器、采集器、综合集成硬件控制器、通信接口、系统电源和业务终端等 。 虽然各种观测项目已实现自动化采集数据 ， 但在观测能力、观测效率以及观测方法和机制上仍然有提升空间 。
比如雪深观测仪 ， 虽实现了自动化采集数据功能 ， 但在复杂气象条件下仍有改进空间 。 根据国外的经验 ， 雪深观测仪是通过增加探头来提升数据收集的准确率 ， 在国内这样的操作是否可行？研究人员需要验证 。 把这些技术细化到每一个观测仪器上 ， 仍有很大的提升空间 。 同时 ， 一些观测方法和机制也可以改变 ， 以适应观测需要 ， 提升观测效率和数据准确率 。
技术人员还可以对传感器、采集器等进行进一步研究 ， 改进和完善相关技术 ， 让硬件与软件更匹配 ， 使采集技术更成熟 。
基于业务流程优化更新
自动化观测需要完成数据采集、质量控制、数据传输、系统组网和远程监控等流程 。 在自动化业务运行过程中 ， 每一个环节的传输效率除了通过技术提高外 ， 还可以依靠优化业务运行流程来实现 。
观测数据从台站到省级信息中心 ， 再到国家级信息中心 ， 每一级的传递 ， 在一定程度上会导致数据延迟 。 张鑫提出设想 ， 如果将台站数据同时传给省级信息中心和国家级信息中心 ， 传输效率就能提高 ， 运行效率也会相应提高 。
针对单个观测设备的数据采集 ， 涉及到的步骤和过程也可以再优化 ， 这也是自动化切换后可以改进的地方 。
发展“云+端”技术新模式
当基于自动化的技术和业务流程逐渐成熟 ， 下一步 ， 自动化观测或将朝着“云+端”技术新模式方向探索 。
地面自动气象观测“云+端”技术 ， 主要是建立地面自动气象观测两级架构新模式 ， 发展观测设备“端”数据采集和传输技术 ， 统一设备级通信协议、数据格式、终端控制等技术标准 ， 实现远程互联互通 。 发展地面观测数据接收处理中心级的“云”技术 ， 即利用大数据、云平台、物联网等技术手段实现数据的远程接收、设备控制和数据的融合加工处理技术 。
另一方面 ， 我国在复杂条件下云天观测所用到的综合判识和图像识别技术仍然不成熟 。 如果能在大数据、人工智能方向继续深挖 ， 赋予自动化更多智能思考和运算 ， 同样也会降低数据差错率 。
如果说自动化观测主要解放了人力 ， 提高了运行效率 ， 那么智能化观测的主要研究方向就是提高数据准确率 。 目前 ， 自动化观测指标已经达到合格线 ， 形成自动化、集约化、标准化的业务体系 。 而智能化的目标就是精益求精 ， 进一步提升观测数据的准确率 。
网友热议
01曾经有个职业叫“观测员” ， 一干就是几十年 ， 前二十年后二十年 ， 都有观测员 。 70后观测员报到 。 观测本 ， 月报年报表 ， 日照纸 ， 自记纸……统统进入气象博物馆02@风：此处一定有掌声 ， 一线观测人员的期盼啊！03@cm：这是多少代人梦寐以求的事情 ， 太好了！04@人生若只如初见：实现自动化真好！84年参加工作就从事观测的我经历了手工编报、手摇电话发报、PC1500编报手工录入、电脑自动发报 。 想起我们以前观测 ， 手摇电话故障发不出去报还得跑到山下面找别的单位的电话发报 ， 下雨天电闪雷鸣也得观测被雨淋的似落汤鸡和被冰雹砸的头起包 ， 下雪天踩着17cm厚的积雪拿小型蒸发皿 ， 手和铜器粘在一起真是生疼 ， 眼泪不由得滴落下来 。 还有一次气压室进入毒蛇 ， 马上就到观测时间了 ， 来不及叫人 ， 自己胆战心惊含着眼泪硬着头皮去观测气压 ， 然后踩在凳子上把所有报文和工作做完才去喊人把蛇弄走 。 到现在还经常做噩梦忘记发报了 ， 神经衰弱成了职业病！现在终于实现了自动化 ， 觉得我把最美的年华献给了气象事业而感到骄傲和自豪！05@闪电云腾：我的父亲1971年从军队转业后当了一辈子观测员 ， 他参加过援藏工作 。 我1992年从气象学校毕业也当了近二十年观测员 。 看到气象观测全面自动化 ， 真是由衷的高兴 ， 愿我们国家的气象事业在新时代蓬勃发展 。 06@一米阳光：除了应急 ， 平时终于可以有正常的作息了 。 07@Riligogo：昨天晚上20时和一起工作的姐妹们拍照留念啦 。 一个95后实习期的妹子笑着说 ， 哈哈哈 ， 我还没有用过观测本 ， 就要下架了 ， 不开心～我回答她 ， 以后解锁新技能维护等新技能一样可以感受气象工作者的人生 。 我的观测经历也圆满下架啦 ， 今天也是我当台长的一年纪念日 。 08@乐乐：几代气象人的记忆 ， 有苦有甜的记忆 。 每个人的经历都可以是一个感人的故事 ， 我们是最棒的 ， 为可爱可敬的观测员点赞！09@姚：气象观测自动化是我国科技发展的缩影 ， 观云测天为人民 ， 优质服务创一流 ， 是我们气象观测员的宗旨 。 
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【地面气象观测全面自动化“燃”在哪儿？下一个小目标是——】绿了！更绿了！透绿了！|跟着气象卫星看中国
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文字作者：中国气象报全媒体采访人员宛霞、谷星月、王亮、文科
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