众包气象让手机变身观测站

刘西川

对于大多数人来说，一谈到气象观测，脑海中浮现出来的就是这样一幅画面：气象观测员站在百叶箱前，用温度表测量空气温度。其实，气象观测员除了要观测近地面的温、压、湿、风、降水外，还要观云识天。不仅如此，他们的工作还需要每年365天、每天24小时不间断，雷打不动。尽管如此，现有的气象观测站网仍然不能实现全覆盖，气象机构迫切需要更多、覆盖面更广的气象数据。

如今，这个问题有望得到解决，解决的途径就是依靠公众。随着智能手机和移动互联网的普及，特别是5G时代的到来，即便是非专业人士，也可以借助手中的智能手机，摇身一变成为气象观测员，成为庞大的气象观测网络中的一个节点，为气象预报事业添砖加瓦。

众人拾柴火焰高

1997年，美国科罗拉多州柯林斯堡发生了一场局地性很强的暴风雨：在个别地区，数小时内的降雨量多达1英尺（大约相当于304毫米）；而这个城市其他地区的降雨量极少。随后发生的洪水让许多人措手不及，造成了高达2亿美元的经济损失，并导致5人死亡。引发这一灾害的主要原因，就在于降水随地形、天气过程和季节的变化很大。所谓“东边日出西边雨”，即使在同一街道，降雨情况也有可能不一样；而专业气象观测站网中的雨量计和天气雷达覆盖范围不足，导致了强降水的漏测。

为了吸取教训和弥补专业气象观测站点的不足，美国科罗拉多州立大学的科罗拉多气候中心开始推动建设非盈利性质的志愿者观测网络—“社区协作观测雨、冰雹和雪”（英文缩写为CoCoRaHS），号召公众志愿者进行有针对性的气象观测，并将观测资料提供给相关机构，用于天气预报。

该网络对志愿者的要求不高，各个年龄段和各行各业的个人以及家庭志愿者都可以加入。观测仪器也针对志愿者进行了设计，主要为雨量计和冰雹板（图1）；且操作简单，用时不多，每天只需要花上几分钟即可。其中，雨量计的直径为10厘米的透明圆筒，每天测量一次积水厚度；冰雹板为2.5厘米厚的泡沫聚苯乙烯板（上面覆盖金属箔），如有冰雹撞击，记录下冰雹的直径。经过简单培训后，志愿者可通过相关网站或手机APP将总降水量、降水强度、冰雹的起止时间、冰雹的大小、种类、下落角度以及造成的相关损失等信息上报，并最终生成全国范围内的分布结果。前不久，该网络增加了蒸发测量和土壤湿度测量两个观测项目，不过这两个项目的操作过程较为复杂，对仪器的架设地点要求较高，并且需要自身所处环境能够代表周围的典型植被条件。

2004年时，CoCoRaHS的志愿者数量只有1036人；到了2015年，该数字已经超过了2万人，覆盖范围包括美国全境、波多黎各和加拿大的13个省。CoCoRaHS的观测资料被应用于美国国家海洋和大气管理局的国家环境信息中心和全球历史气候网，与业务观察站网资料相结合，在临近预报、洪水雷暴预警、雷达估计降水以及气候研究等方面发挥了重要作用。

用众包弥补专业

所谓众包，是指把过去由专业员工执行的任务，以自由自愿的形式外包给大众志愿者的做法。美团、蜂鸟、阿里等互联网机构都拥有众包平台，主要提供骑手、客服等兼职。CoCoRaHS的做法也算是一种众包，它是将众包方法引入到气象观测中，即众包气象。这样一来，非专业人士在工作和生活之余参与气象观测，可以为专业气象机构提供更加多元、更为海量的气象数据。

2011年，美国在进行WSR-88D天气雷达双偏振升级改造时，发现专业气象观测站网难以为降水粒子识别算法的优化提供准确的高分辨率地面降水类型资料。因此，美国国家海洋和大气管理局的国家强风暴实验室提出，征集非专业人员利用移动智能设备提交降水类型资料，该计划前期被命名为mPING（mobile Precipitation Identification Near the Ground，译为中文是：近地面移动降水识别），后改名为近地面气象识别（缩写为mPING）。mPING将降水类型分为雨、雪、冻雨和冰粒4种，让非专业人士判断起来也十分容易。志愿者只需下载手机APP mPING或在线将所观测到的降水类型以及时间、地点等信息提交到mPING服务器（图2）即可。不仅如此，志愿者可以即时得到所提供报告是否被采用的反馈，而且可以查看其他志愿者提交的降水观测报告。mPING的资料经过质量控制后，对于提高双偏振雷达的降水类型识别精度有着积极的推动作用；同时，在数值预报模式、高速公路和机场的地面结冰监测等方面也有重要的应用价值。

在我国，众包气象也已经起步。2011年11月，香港天文台与香港理工大学提出了社区天气观测计划，鼓励香港市民亲身参与天气观测活动，以增加对天气和气候的兴趣和认识。香港市民可以通過网站、社交网络以及智能手机APP等方式上传天气照片或天气观测报告（图3），在分享天气状况的同时，极大地增加了香港的气象观测密度，对于提高防灾减灾能力也具有一定的启示意义。

目前，号召公众利用智能手机参与气象观测的应用正在迅速发展，智能手机APP是公众参与气象观测的主要工具。以我们都很熟悉的墨迹天气为例。而今，墨迹天气APP拥有6.5亿海量用户，其“观天者计划”是国内首个气象灾情图片实时收集平台（图4）。当用户所在地区出现暴雨、内涝、滑坡、泥石流、暴雪、冰雹、台风、大风、沙尘、大雾等气象灾情时，用户可进入墨迹天气APP的观天者通道拍摄或上传实时天气图片。该APP平均每天约有30万张实景照片上传（图5）。据了解，墨迹天气与河北省气象灾害防御中心合作完成了雨、雪、雾霾、冰雹等类型灾害天气和内涝、洪水、倒塌、滑坡等类型灾害事件图片的智能识别模型。这一新方式极大地推动了气象信息采集能力，并且让墨迹天气APP具备了对外提供气象灾害预警服务的能力。

此外，福建省气象局的“知天气”、上海市气象局的“上海知天气”、象辑科技的“天气家”等APP或微信公众号等，也是通过建立志愿者手机报告网络，对某些天气实况进行实时报告和分享。值得一提的“卦天”APP，采用卷积神经网络方法，首次在智能手机平台实现了对云状的智能识别，准确率高达90%。打开“卦天”APP后，只需使用手机摄像头对准天空拍摄照片，就可以获得对当前云状、云量的判识结果。相机实景叠加降水云图，还能提示用户所在地的天气情况和可能出现的天气过程以及半径100千米范围内的实况降水云图。目前，该APP还将观测要素扩展至能见度、电线积冰和路面状态（图6）。“卦天”APP能够实时向用户反馈识别结果，增强了软件的趣味性和互动性。

随着APP的推广应用，越来越多的用户在拍照上传天气图像的同时，也将成为气象观测志愿者，推动社会化观测资料库更加丰富与多元。让非专业人士参与气象观测，不仅有助于增加公众对天气和气候的兴趣和认识，而且可以为其他人出行、旅行等活动提供参考，真正实现了自媒体时代，人人都是传播者的目标，让网络处处体现出全体网民的智慧与力量。

此外，设置在公共场所的监控摄像头也可以用于众包气象。普通监控级摄像头每5分钟对天空和地面拍一次照，利用智能算法和图像技术，就可以实时识别出云、降水、能见度、道路结冰和霜等多种气象要素。不需要额外的硬件投入，利用已有监控摄像头就能够完成这一工作（图7）。目前，浙江省气象局与海康威视正在合作推进“天脸识别”项目，通过挖掘利用社会化的高清视频资源，让“天脸”像“人脸”一样变得可被识别。这一项目正在开展试验，有望成为取代人工观测的一种全自动气象观测手段。

用物联网编织观测网

与此同时，随着各种嵌入式傳感器的微型化和低功耗，智能手表、智能手环、谷歌眼镜、智能运动鞋等可穿戴设备也开始被应用于气象观测。该类设备使用微型传感器收集气象要素，通过处理器上传到云平台，能够弥补一些边远地区观测站点少、资料不全的不足。如上海市气象局推出的徽章式微型气象传感器、北京象辑公司推出的WeatherON随身气象站、中科院深圳先进技术研究院推出的Thermodo私人气象站、小米公司推出的米家温湿度传感器、墨迹天气推出的“空气果”，等等。此类设备与智能手机相连接，即可实现气象信息的实时采集与分享。

StormTag随身蓝牙气象站拥有气温、气压、湿度、紫外线等多种气象传感器，外型很像钥匙扣，可以携带和测量气象数据；它采用蓝牙技术，能够连接苹果手机及平板电脑和兼容的安卓设备，将数据同步至云平台，可实现世界范围内天气数据的聚合以及本地化的天气预报。

荷兰代尔夫特理工大学的科研人员在雨伞上安装了一个压力传感器，用来测量降雨信息；美国密歇根大学的科研人员利用汽车雨刮器的雨刮频次来记录降雨情况……这些方式可以获取百万量级甚至千万量级的海量数据。通过大数据分析和提取气象信息，能够极大提高气象观测的获取效率、时效性和覆盖范围。通过获取街道级的精细气象信息分布，可为气象灾害的实时监测和预警、防灾减灾决策等提供依据。IBM推出的“全球高分辨率大气预报系统”（GRAF）项目，恰恰是利用了多种众包传感器数据，将全球预报的空间分辨率提高至3千米，成为首个能在全球范围内预测雷暴等小尺度天气的实时商业气象系统。

拉开社会气象观测大幕

2018年，中国气象局出台了《社会气象观测发展指导意见》，推动公众、企业、社会机构等多方参与进行社会气象观测，鼓励和引导社会各界开展气象大数据融合应用。2019年12月21日，社会气象观测联盟（Social Meteorological Observation League）在北京成立，初创成员单位包括墨迹天气、中国天气网、中国天气通、新浪天气通、彩云天气等。这标志着我国众包气象的大幕正在加速拉开。

将每部智能手机都作为气象观测的站点，每部手机的观测不止为自己服务，也为其他人服务。这样的应用是众包思想最直接的体现—人人为我，我为人人。参与者越多，气象观测越准，越能够提高天气预报的准确性。

由于种种原因，利用智能手机进行气象观测，目前还存在很多问题：在参与观测的智能手机机主中，绝大部分属于非专业人士，他们不一定能保证24小时开机，这也就意味着，不一定能保证实时连续测量；通过智能手机所获取的数据容易受到外界环境的影响，其测量精度不如传统气象观测业务的精度高；智能手机数量庞大，所采集的数据量可以达到百万甚至千万量级，中间可能隐藏了非常多的误差信息……为此，科学家们正在着手开展手机数据质量控制、大数据处理等方面的研究。

在我国，众包气象还属于新生事物。目前，我国已开展气象观测的智能手机或者物联网设备数量相对比较少。若要充分发挥众包气象的优势，当然是参与者的数量越多越好。让每一部智能手机都成为一座气象观测站，人人都变身为气象观测员，才有助于进一步提高天气预报的准确性。有关方面认为，我们还需要在以下几个方面加以努力：

首先，尽管大多数人对天气预报非常关注，但对于气象观测的了解程度还远远不够。智能手机应用于气象观测，不需要观测者具备很高的技术水平，只需要能够进行拍照、上传等简单操作即可，甚至不需要操作。因此，有必要让参与观测的非专业人士更多地了解气象知识，增加他们对于气象观测的参与感和成就感，从而提高智能手机应用于气象观测的普及率。

其次，虽然互联网可穿戴设备和物联网设备层出不穷，但是真正用于气象观测的比较少，尤其是取得商业成功的产品更少。随着气象传感器的微型化、低成本和低功耗，除了智能手机以外，还可以考虑在汽车、智能家居等智能设备中加入气象传感器；同时，引入用户激励机制，让用户有意愿购买这些附加气象观测功能的智能设备。

最后，除了专门的天气APP以外，我们还可以利用微博、微信、抖音等社交网络平台。用户可以通过发布图片、视频直播等方式上传当地的天气状况，专业气象机构通过大数据分析后，就可以得到天气实况的精细化分布，还可用于危险天气预警。