孔诗媛　麻锴　孙文博　王旭　王雪松

摘要：近些年由于天气异常和天气现象的多变性，出现短时突发性天气现象的频率逐年增加，给农业生产、人民生活都来了很大的影响。目前，针对空基和天基观测系统的发展得到很大重视，同时也取得了极大成就，不过作为短时重要天气预报有力数据支撑的地基观测发展却相对缓慢。为进一步提高气象保障水平，实现城市内微尺度天气现象短时的测报预报。本文提出了一种新型微尺度气象监测服务系统。通过本系统可丰富地基观测方法，提高气象综合观测能力，更加准确地推演和预报微尺度天气系统。

关键词：移动监测;微尺度;视频监测;微型气象站

中图分类号： TP391.13                                 文献标识码：  A                    DOI编号：   10.14025/j.cnki.jlny.2019.12.063

2017年7月13～14日、19～21日吉林中东部连续出现罕见暴雨到大暴雨的天气过程，车辆熄火停在马路中间造成交通拥堵，突发性降水造成人员伤害及财产损失，能见度低下，高速关闭，造成车辆滞留等，因气象灾害给管理部门和人们出行带来了极大的不便[1]。若气象部门可以通过更精细化的观测资料结合先进的预报手段，及早判断出局域性灾害天气发生区域并进行预警，则可将损失和影响降至最低。本文提出一种新型的地面观测方法，以街（区）为单位在重要路段通过固定和移动监测两种方式，将图像、视频和数字信息以最直观及时的方式响应给气象部门。

1 系统简介

该种方法是将固定监测系统和移动监测系统相结合，共同组成的新型气象监测网。主要目的是实现微尺度街区气象数据的及时响应。微尺度气象数据包括两个量化尺度：空间尺度量化和时间尺度量化。空间尺度是指采样空间覆盖范围分辨率，时间尺度是指采样数据的时间频率分辨率。从目前基于地面观测、卫星观测、数值模式产品等多种观测手段，获取的中国气象局陆面数据同化系统产品数据集公布参数来看，时间分辨率为逐小时，空间分辨率达1/16°×1/16°。但短时灾害性天气的响应甚至需要测报出几公里的分钟数据，这种新型的气象监测服务系统作为自动站的数据补充，可以帮助实现上述需求。

2 微尺度气象监测服务系统的组成

微尺度气象服务系统主要由前端观测系统、观测数据管理平台、互联网交互平台三部分组成。具体框架见图1，本文主要探讨前端观测系统的数据采集方式。

微尺度气象监测系统的前端建设分为两个部分：第一部分是固定监测系统，监测手段分为自动气象站数字化监测和视频监测两种方式。自动气象站数字化监测是集温、压、湿、风、雨、辐射等气象要素于一体的传统气象要素采集方式;视频监测部分以数字图像处理和机器识别技术为主，实现包括降水状态、能见度、天气现象、路面状况等新型气象要素的观测;第二部分是移动监测系统，通过移动终端搭载便携式气象要素传感器、路面状况传感器和视频监测设备实现移动式气象监测，该种方式作为固定监测系统的補充，可实现加密覆盖城市街区采样数据的功能。

2.1 固定监测系统

固定监测系统的安装原则为人流、车流的密集区，保证在突发状况天气现象来临时能够及时感知，并有针对性的预警。拟在城市的商业圈、旅游景点、医院、车站、学校、因天气影响造成的事故多发段、易发生气象灾害地段（地势低洼，山体滑坡等）、城际高速公路出入口等地安装观测系统，包括高清视频摄像、微型气象站、能见度仪、天气现象仪、路面状况传感器等设备。数据实现分钟式上传，依据地势、建筑物高矮和人为影响等因素建立站与站之间的微尺度气象预报模型，该模型可分为线性模型和非线性模型，再将各微尺度模型积分到一起，形成整个城市的气象观测网。

固定监测的优点是监测数据真实可靠，可以直接判别街区内实时天气的变化情况。固定监测设备也可用来校验天气预报的准确性，为预报准确率提供更加全面的评估手段。

固定监测的不足在于：只能针对特定街区进行一定范围内的气象观测，研究场景单一，较全市范围来看，采样效率较低。

2.2 移动监测系统

移动监测是还未在气象领域兴起的一种气象监测方式，虽然近些年对于重大气象灾害有应急气象服务车在现场保障，但未将移动监测方式应用到日常业务的开展中[2]。图2为移动监测系统的框架结构图。

移动监测主要分为三种方式：

一是使用车载气象要素传感器实行移动式气象要素的监测，根据需求灵活调度，是兼顾数字和视频图像最全面的采集手段之一;二是使用无人机搭载采集器进行气象监测，该种手段具有操作简单、机动灵活、反应快速等特点，可将其应用到车和人不便到达的地方，搜集灾害影响或气象数据;三是将气象要素做成微型采集器安装在非机动车或行人背包上，该种方式成本低廉，可用于实现加密气象数据的目的。

根据载体的不同，移动监测安装的气象要素种类略有区别：车载气象要素搭建全面，包括小型自动气象站、视频监测系统和路面状态传感器等气象要素，检测过程中停靠在路边或均速低速行驶，此时要根据车速和行驶特性综合观测修正采集到的气象要素值;无人机作为新兴的遥感技术手段已在军事侦查、应急救援等领域有较成熟的发展，作为气象监测领域的应用还处于萌芽期，尤其是在低空飞行时直接测量实属空白，无人气象侦查机搭载手持气象站和视频监测设备，将成为一种未来最有希望的移动气象数据采集方式[4];非机动车和行人的移动监测特点是能够采集高时间、高空间分辨率的数据，以轻便的微型采集设备为主，设备具有便携性，但要素采集相对单一。

3 结语

新型微尺度气象监测服务系统是一个功能齐全、性能优越、安全可靠、高度自动化的气象通信网络系统，将探测资料应用、数值预报、资料再分析整合到一起，形成结构合理、保障有力的气象服务产品。能够提升气象服务水平，丰富公共气象服务方式、提升服务效益，实现全社会的气象信息开放共享，推进气象服务保障民生，降低灾害对人们生活和经济造成的损失。具体来说具有以下特点。

一是精确化。目前气象服务对短时临近预警的需求十分迫切，通过微尺度气象监测网的建立，可以将分辨率提高到1km甚至更加精确。

二是跨部门合作。城市微尺度气象数据有利于环境保护部门开展微尺度街区内污染物浓度预测等课题的研究，为其提供有力的数据支撑[2]。

三是个性化。该监测网可以针对重要地点、重大活动的个性化服务需求，如高速公路进出口、高铁、火车站等关键地区，或重大活动马拉松等提供成熟的监测服务系统，播报路面积冰、积雪、雨雾等灾害性天气的实时监测数据及视频图像，实现及时、准确、直观、多元化的气象服务。将气象保障与便民服务和物联网相融合，实现“物联网+”的概念，减少城市内涝造成的灾害，降低人民的财产损失。

四是专业化。完善地空一体化的气象观测业务，将监测预警、短时临近、数值预报等业务融合到一起，实现业务资源的合理统筹。为无缝隙、精准化的气象预报业务提供观测数据支撑，提高气象监测预报预警的准确率和精细化水平，加强面对突发公共事件的气象响应能力，为气象业务的连续可靠运行提供技术支撑。

五是科研支撑。为研究人类生产活动引起的城市气候发展等相关气象课题提供有力的城市气象资料。

参考文献

[1]张莹.省局召开吉林省2017年十大天气气候事件新闻发布会[EB].http：//www.jlqx.gov.cn/tpxw/201801/t20180105_3582647.

html，2018-01-15.

[2]宋兵跃.基于移動监测的微尺度街区交通污染物浓度[D].北京：清华大学，2016.

[3]郭琪，童庆祥.无人机在气象监测中的应用[J].广东气象，2016，38（06）：64-66.

[4]何洪良.无人机在气象情报侦查中的应用[J].无线电工程，1997，27（02）：36-38.

[5]张宁.建筑物对城市微尺度气象环境影响的大涡模拟[D].南京：南京大学，2004.

[6]周宇，穆海振.微尺度气象模式在环境影响评价中应用初探[J].高原气象，2008，27：203-20.