新型智慧城市背景下的气象观测发展研究分析

姜明，史静，党岳，刘子锐，崔晔

（天津市气象探测中心）

1 引言

自2010年IBM提出“智慧城市”愿景以来，全球城市管理者对“智慧城市”寄予厚望，认为其是解决城市化问题，实现城市可持续发展并宜居、推动经济发展模式转型，提升企业自主创新能力，开创优化、节能、环境友好的创新型发展模式都具有着重要的示范效应的重要途径[1-2]。截至2015年底，中国智慧城市试点接近300 个，已成为世界上智慧城市数量最多的国家[3]。我国智慧城市建设已经从探索期和发展期转入新型智慧城市建设阶段，新型智慧城市已经成为我国城市目前发展的重点方向[4]。

气象观测信息是开展天气预报及各类气象服务、科研活动的基础，是推动气象科学发展的原动力，也成为城市管理者与各行业用户在生产工作中必不可少的气象信息来源。随着新型智慧城市建设向纵深发展，城市大数据和各种新技术的融合将为城市管理者提供更加丰富的决策视角，为城市运营、产业发展、居民宜居等提供更加丰富手段和途径。在此背景之下，气象观测作为城市天气状况的直接“捕获者”，如何实现在新型智慧城市背景下的创新式发展，为城市和城市各行业用户及公众提供更为高效的气象观测服务，减少城市气象灾害影响，成为气象行业工作者重点思考的问题。

2 新型智慧城市为城市气象观测提出了新的要求

现在普遍认为新型智慧城市是指以为民服务全程全时、城市治理高效有序、数据开放共融共享、经济发展绿色开源、网络空间安全清朗为主要目标，通过体系规划、信息主导、改革创新，推进新一代信息技术与城市现代化深度融合、迭代演进，实现国家与城市协调发展的新生态[5]。

新型智慧城市的建设为气象观测提出了新的要求。首先，城市气象观测要以为民服务为核心。新型智慧城市建设要求从人民群众的根本利益出发，强化城市各项建设内容和服务贴近民生，气象观测作为城市和公众不可或缺的气象资料来源，应进一步提高为民服务的宗旨。在推进观测技术改革的同时，率先解决城市居民急需的气象服务应用场景，与智慧城市建设理念和民生服务相适应，积极探索与其他行业融合服务产品加工和衍生。其次，城市气象观测应以推进城市高效治理为目标。新型智慧城市将通过统筹城市资源、完善治理能力进一步提高城市治理的高效化和透明化。气象观测应与智慧城市各行业部门紧密互动，通过多维数据深度加工挖掘，在城市交通、绿化、环境等治理等多方面发挥联动优势。最后，城市气象观测以数据共享为根本。传统智慧城市建设始终存在着数据使用效率低、数据资源割裂、信息孤岛持续等现象[6]，在新型智慧城市建设中要力求数据开放及信息化，需要城市气象观测体系率先建立数据共享清单和共享机制，在气象数据共享的前提下实现城市服务质量、气象观测产品创新及气象观测技术发展。

3 新型智慧城市背景下传统气象观测的不足

我国拥有体量庞大的综合气象观测网，在“十三五”期间，我国综合气象观测能力达到世界先进水平，建成了近7 万个地面气象观测站、216 部雷达、7颗风云卫星，组成了地空天一体化的综合观测体系（见图1）。以地面气象观测站点为例，截至2017年我国国家级地面气象观测站为2423个、区域自动气象站55680 个，全国乡镇覆盖率94.1%，区域自动气象观测站网整体呈现出东部密度高、西部密度低的特点，站点平均间距在东部地区为10km，在西部地区为100km[7]。

图1 全国各类气象观测站数量分布

纵观我国地面观测技术发展历程，从1999年前地面气象观测以人工观测为主到2000年全面启动地面基本气象要素的自动观测，并在2015年基本实现包含云、能见度和天气现象在内的地面气象要素的自动观测，建立了全自动化的业务流程和观测规范，2020年全国开展地面观测自动化业务工作。对比世界气象组织(WMO)观测准确度标准，我国天气观测技术指标基本达到要求，高时空分辨率的天地空气象观测资料为气象预报、服务及科研提供了有力支撑，随着格点预报技术的发展，目前我国精细化气象预报可以实现1km×1km 的格点预报。但在新型智慧城市发展背景下，现有的综合气象观测网仍然存在一些明显的不足无法适应新型智慧城市建设。主要表现在：

1）气象观测站点分辨率不足

在新型智慧城市城市化发展过程中，明确要求为了实现城市的精确感知、信息系统的互联互通和惠民服务的无处不在，需构建共性基础“一张网”[8]。受城市热岛及建筑物和地下管网影响，城市空间内气象要素变化性更强，同时如龙卷等小尺度灾害性天气观测能力缺乏。

2）气象观测要素精细化程度不足

现有城市区域自动气象站往往以温、湿、压、风、雨为主要观测要素，在构建新型智慧城市感知网的前提下，需要对城市气象要素的监测尽可能丰富与拓展，由城市“需求侧”决定城市气象观测要素的“配置侧”，如直接影响居民出行的紫外辐射信息、为城市绿化服务的土壤水分信息、为建筑节能提供的光照信息和垂直风信息等。

3）气象观测协同组网能力不足

当前的气象观测过程中，在面对不同的天气过程中各项设备均以固定观测频率开展工作，观测设备中心站或是气象控制中心对气象设备的智慧控制能力不足，“云+端”的整体架构尚未定型。在针对城市开展精细化天气观测和服务过程中，不同类别的气象观测设备分频率、分重点、分区域的协同观测组网能力尚未建立。

4）气象观测新技术应用广度和深度不足

随着智慧城市的推进，智慧气象应运而生，而在国内外气象观测领域新兴技术开始渗入传统气象观测领域，如基于图像识别技术天气现象观测设备、基于物联网技术的个人自动气象站等新技术使气象观测的领域不断扩展，同时大数据的运用和人工智能技术也在气象观测领域开展了创新性尝试，如利用大数据识别城市降水和积水中心、利用人工智能开展天空雨量、云状判别等等，但各种新技术于气象观测领域仍处于起步和发展阶段，实际应用效果和效益尚存在争论。

4 智慧城市背景下气象观测新发展

4.1 气象观测布网精细科学化

城市气象站的密度应适应城市不同街区、不同功能分区的气象服务需求。整体观测网布局需要实现不同观测设备的多维覆盖，以微型化、低成本的气象观测设备为基础，以天气雷达观测覆盖、小型地基遥感设备多点观测实现新型智慧城市下的整体布局方案。从站网功能方面来看，需要针对城市具体功能和个性合理分布站网密度和地面气象观测设备种类，在一张基础城市气象观测网的基础上，合理增设气象观测要素和站点密度，建立不同城市气象观测功能子网，如针对城市重污染天气增补气溶胶质量浓度观测设备、针对城市生态系统增补土壤水分、辐射、CO2观测要素等等。从站网建设基础方面来看，新型智慧城市下的气象观测设备需要充分融入智慧城市建设中，充分利用城市现有的硬件基础设施，切不可独立建设、各自为战，针对不同应用场景，充分利用城市公交站、智能灯杆、智慧共杆、广告牌等公共基础资源开展城市气象观测站点选择，实现城市基础资源的“共享、共建、共用”。

4.2 气象观测微型智能化

城市发展的结果之一是城市空间的利用率得到充分提升，在城市有限空间内实现更高的气象观测站点密度，就需要改变以往气象观测站占地面积过大的不足，将气象观测设备小、微化，实现在城市环境的高密度布网。从国外BLOOMSKY/Allmeteo 等几款家庭气象站外形来看，设备的小型化、物联网化已经成为该类设备的发展趋势。同时观测端的“智能化”技术应该不断丰富，如拥有多网络传输方式，便于利用不同网络环境实现数据传输；自动状态判断功能可实现自身运行状态的观测端诊断，进一步提高设备维护维修时效；利用图像识别技术实现天气现象、突发气象灾害的判别，增加气象观测感知能力等。诸如此类的新型气象探测智能技术应成为新型智慧城市建设过程中气象观测设备的必备功能。

4.3 “云+端”气象观测协同化

改变传统气象观测单一的观测方式，建立城市运营中心统一智慧、观测设备端协同互动的“云+端”城市气象协同观测新模式。在该模式下，城市运行中心（城市大脑）要充分融入“气象大脑”的气象观测策略，实现对城市各气象观测站点、气象观测资源的自动控制调度，而观测端在接收调度指令后开展具体的协同观测任务。如针对一次城市对流降水过程，城市大脑根据预报锁定可能降水区域，向区域内各观测设备发送加密观测指令，根据“云”端对多元观测数据的分析结果判别降水过程的发生和发展过程，动态调整观测设备观测的时间频率、图像设备的拍摄目标等信息，并结合“云计算”将气象观测实况信息、气象观测服务产品等的制作。除了观测协同外，“云+端”的观测模式将进一步改变气象观测数据产品服务模式，云端利用其强大的计算能力，实现观测数据的多维加工，并将成熟的加工方法定时或实时传送至观测端，提高观测端的气象观测数据初级处理能力，设备端通过一定的计算能力，或借助区域“边缘计算”，分担一部分基础计算功能，在提高效率的同时降低云端压力。

4.4 气象观测全民化

新型智慧城市的建设核心是“以人为本”，而新型智慧城市背景下的观测过程中也将改变以往以气象行业主导的观测模式，强调城市公众人人可以成为气象观测的感知端。在国外，越来越多的个人气象站加入到气象观测站网中，实现了观测数据量的几何级增长；随着移动通讯、智能终端的不断发展，公众在社交媒体上发布的天气照片、主动拍摄的天气过程或是针对气象服务开展的评论，均可作为城市气象观测数据来源。日本商业网站WEAWOW①https://weawow.com，为用户提供免费的天气预报的同时，鼓励用户提交反映当时天气状况的摄影图像，并通过版税方式激励用户参与。

居民作为城市的直接用户，一旦参与到气象观测过程中来，观测数据的时空分辨率将突破现有城市气象观测网布局，不仅可以有效提高气象观测分辨率和时效，同时公众提供的海量数据也为各项气象业务科研提供了重要的数据参考。

4.5 气象观测多元数据融合化

新型智慧城市要求城市内各类传感器构成的数据共融、共享，共同构成城市泛在感知网，各行业、各类型观测数据的汇集，为气象观测带来新的挑战和前景。通过城市交通和安全监控数据，可以构成气象视频监控的数据来源之一，通过AI图像识别技术可以对天气现象、路面状态、能见度等气象信息进行定向识别。通过城市环保部门建设的环境观测站可以与气象数据构成城市环境气象数据集，为城市污染物追踪、环境气象分析提供数据来源。不同类型的观测信息，经大数据挖掘、人工智能等现代科学技术的处理，将实现数据效益的成倍增长。新型智慧城市在构建城市智能感知网端已经初见端倪，而如何处理城市观测大数据，将大数据信息整合、加工、处理，提供更为精确、及时、高分辨率的气象观测资料将成为气象行业和城市管理者持续探索的问题。

4.6 气象观测服务即时化

“以人为本，服务居民”是新型智慧城市建设的目标，气象观测作为气象预报、服务、科研的基础工作，在“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展指引下，应进一步提高气象观测的服务能力，传统的以从气象观测到气象服务的业务流程应该持续深化，同时推进观测服务前置能力。针对城市居民实际需求，实现气象观测“供给侧”端改革和服务产品加工，完成在观测端气象观测产品的即时加工，进一步提高服务效能。例如，气象观测结果通过边缘计算及城市中脑，及时进行产品加工，完成各类气象观测指数的计算和发布，通过和行业数据融合及时发布预警信息。在数据显示及查询端，建立更加贴近民生的服务产品，如针对居民出行信息提供交通路线的气象信息、针对天气结果开展医疗气象产品发布等等，让气象观测结果不再以“数据”示人，而是以更优质的、更有温度的产品提供服务。

4.7 气象观测运维产业化

自2014年以来，财政部、国家发改委等相关部委密集出台政策文件，大力推广公私合作模式，智慧城市建设从政府主导走向了全社会参与共建阶段。全新的智慧城市建设机制不仅为政府提供了资金支持，还为政府提供了多元化的技术手段、运营管理能力的提高以及风险转移。PPP模式为新型智慧城市下的智慧气象提供了创新发展方式，城市内的气象观测数据只有当深挖气象数据与其他行业数据关联、花大力气分析气象数据结果后才会发现其与各城市环节的关系和重要性。在PPP 模式下，智慧气象的发展很可能被颠覆，气象数据和城市多维度的大数据由企业重组，并开展针对性数据挖掘，将实现气象数据效益的集中体现，甚至为其他行业带来颠覆性进展，而新型智慧城市下的气象观测体系建设就是要积极配合城市共建用户，完善气象观测和城市融合的顶层设计，在城市气象观测得到跨越式发展的同时，实现PPP项目的增值与推广。

5 结语

新型智慧城市是一个开放的复杂的巨系统，是建设数字中国、智慧社会和新基建的核心载体，气象与城市建设、交通、农业、民生服务等社会经济各领域环节息息相关。气象观测的发展，需要在“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念的指导下，在新型智慧城市建设的背景下，在坚持“政府主导、部门协同、全民参与”的基础上从气象观测的途径、方法、应用和服务角度增强其精细化、智慧化发展，完善智慧城市气象观测的整体架构和顶层设计，将气象观测充分融入城市运营管理的各个环节，为新型智慧城市建设发展提供内生动力。