AI+大数据 成就“读云术”

——湖南探索研究型业务助推观测自动化发展

　　“观测业务改革以来，自动化程度大大提高，不仅观测数据的质量得到提升，我们自己也可以把更多精力投入到仪器装备维护和气象服务中去了。”湖南省湘西自治州凤凰县气象局52岁的老观测员杨吉安感叹。

　　作为全国地面观测自动化改革7个试点省（自治区）之一，湖南气象部门以敢为人先的创新精神、经世致用的改革思潮、咬定青山不放松的坚韧劲头，立足实际需求，积极探索研究型业务发展，采取综合智能判识和视频识别相结合的方式，成功打通地面观测自动化“最后一公里”技术瓶颈，为全国地面综合观测自动化、智能化、标准化发展提供重要技术支撑。

　　填空白——需求引领 技术革新成效初显

　　时间拨回到2014年1月1日。这一天，全国地面气象观测业务进行调整，取消了雷暴等13种天气现象观测和夜间人工观测。

　　观测业务调整后，观测员的工作任务有所减轻，但新的问题出现了——现有观测资料无法满足实际业务需求这一难题亟须解决。

　　立足于业务需求，攻关团队想到的第一步就是凝练本地化的关键业务指标和判据。他们采取集中讨论、分头研究、技术攻关等方式，对云量以及雾、霾、雷暴、雨凇等人工观测项目的判识指标进行反复研究，探寻最科学、最有效的判识方法。

　　经过多次尝试，攻关团队运用改进后的融合、订正算法，实现了对多种天气现象的自动综合判别，完成了基于各类卫星产品的云量反演和订正，生成了逐小时实时更新的地面观测融合产品。从2015年汛期开始，这项成果就在全省气象部门投入业务应用，有效地填补“云、能、天”资料的不足，开创了地面观测要素智能化判识的先河。

　　改革带来成效。自湖南推广多源观测资料融合业务以来，各级预报员能直接通过MICAPS系统调阅夜间逐小时的云量等数据，有效提高了全要素、全过程、全覆盖的精细化气象预报与服务能力。同时，台站减少了大量的人工加密观测任务，国家基本/基准站观测工作量减少约33%，台站业务人员逐步转型发展，基层预报预警和服务效益得到明显提高。

　　出亮点——从点到面 湖南经验全国推广

　　这项可借鉴、可推广的技术方法自全省推广开来，跨部门和跨省的交流、与国家级层面的应用合作也有序推进。与此同时，湖南探索研发的综合气象观测智能分析判识新模式，也在稳扎稳打，持续向前走。

　　2017年，中国气象局印发《综合气象观测业务发展规划（2016-2020年）》，明确提出“大力推进观测模式智能化，发展天气实况自动判识能力”。也正是这一年，湖南省气象局牵头中国气象局小型业务建设项目——综合气象观测智能分析判识系统建设，联合江苏、安徽、宁夏三省（自治区），构建了适用性广、准确率高、物理概念明确、可移植且推广性好的云和多种天气现象判识模型，建设了综合气象观测智能分析判识系统，实现了全国范围内总云量、云高、露、霜、雾凇、雨凇等16项人工观测项目的自动、智能、快速分析判识。

　　在技术攻关中，湖南气象部门打破传统思维，运用天气预报的思路去解决气象观测中的问题，将统计方法与人工智能技术相结合，使得综合气象观测智能分析判识系统从技术上实现跨越式发展。

　　2018年11月开始，判识产品在湖南、安徽、广西、黑龙江等7个省份开展试点应用。在推广到其他省份的过程中，为了尽可能地提高产品的准确率，湖南气象部门反复研究数据资料，根据实际情况分区域改进识别算法，并多次评估应用效果。经过不断优化，到2019年底，综合判识产品在全国的准确率提高了5%至10%，对雨凇、雾凇等天气现象的综合判识产品准确率超过90%，真正为预报员提供了科学可靠的参考资料。

　　经过中国气象局综合观测司组织的专家论证，湖南建立的综合判识智能化新模式，可有效补充并逐步取代目前的部分人工观测项目，为台站观测业务无人值守奠定基础。

　　促转型——图像识别 智能观测仪“替身”观测员

　　时代呼唤改革，改革需要先锋。面对人工智能技术发展的新浪潮，早在2018年1月，湖南气象部门就在长沙、怀化、南岳布设了三套图像采集设备，开始探索云和多种天气现象图像采集、人工智能识别的相关规范、技术，初步实现了智能化的云和天气现象产品生成。

　　依托中国气象局下达的“地面气象自动观测智能分析判识系统建设”项目，湖南省气象局在建立天气现象分类图像数据集的基础上，充分比较了多种图像识别算法对天气现象图像识别的适用性，创新性地完成了基于图像、时空序列信息和气象要素信息的多源融合AI识别算法模型构建。

　　2019年5月，中国气象局综合观测司组织开展了“天气现象视频智能观测仪”测试工作，面向全国征集可实现云和雨凇、雾凇、露、霜等多种天气现象自动观测的仪器设备。湖南省气象局在前期的成果基础上，联合华云升达（北京）气象科技有限责任公司，共同研发了“天气现象视频智能观测仪”，在多款参测仪器中脱颖而出，成为唯一完全符合中国气象局技术要求的人工智能观测仪器。

　　“等这套设备正式运行后，基层观测员要主动跟上观测业务的发展，加快自身转型，为地方防灾减灾、经济社会发展提供更优质的气象保障服务。”常德市安乡县气象局综合业务股股长龚亚琴说。

　　目前，湖南已完成八十余套天气现象视频自动观测仪的布设，实现了观测数据自动生成、上传。随着该仪器的全面布设及相关业务流程建立，湖南有望率先实现地面观测全面自动化。按照中国气象局规划，全国2400余个气象台站也将在2020年9月全部安装完成。

　　“通过技术的不断革新，不久的将来，包括预报员在内的广大用户将能够获取到多要素、高精度、全天候的自动气象观测产品。那时，我们能看到的不仅仅是用数字、文字表示的观测结果，还有全国所有气象台站或关键地点的实景图像、视频，可以帮助我们更直观、连续地了解各地天气实况。”谈到未来，智能观测项目负责人、国家级首席预报员叶成志信心满满。（陈朝晖、屈右铭、尹婷、刘玥、李昱对本文均有贡献）