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2015年,十大气象科技展望

时间:2015-09-22 06:00:37  来源:中国天气网  作者:

  关于气象科技,科学家畅想无数。有些双脚落地,一些则靴悬半空。但正是这些畅想,才使得气象科技始终伴随着国际前沿科技不断发展。

  畅想并非凭空揣测。恩格斯说,社会一旦有技术上的需要,这种需要就会比十所大学更推动科技运用。纵观这个时代,互联网几乎解构并重塑了社会框架,在此基础上,人们有了更广的认知以及更深层次的需求。

  对气象而言,人们素质不断提升,乐于增加气象素养,愿意参与气象预报,期望通过气象服务改善生活……这些都促使气象科技进行革命性发展。

  在这种构架及变化下,2015年,物联网技术、大数据革命、3D打印、零边际成本概念日趋成熟,都可以引入气象科技中。

  敢想,才能更快突破。2015年,放眼国际气象科技前沿,我们需要尽情畅想。


畅想1:人人都是气象观测员

  提炼:永不掉线是一种新的传感器理念。在这种理念下,科技和身体从分开走向融合。“穿戴”技术如果走俏,有人的地方就有气象站将成为可能。

  2015年人人都是气象观测员并不是空穴来风,从技术层面上,这是看得见的未来。

  2014年9月22日,《时代》杂志评论说苹果智能手表将迎来穿戴科技时代。智能手表通过引入低价传感器、增强电池寿命、提高语言识别技术等移动计算技术的优势来创造一种可佩戴的移动设备。

  苹果手表通过第三方佩戴感测器的生态系统工作,所有产品集中在一个外观小巧但功能强大的集成器里,就好比佩戴着小型电脑或者小型处理器。

  如果将这一概念引入气象观测,使用微缩的、低价的传感器收集气象要素,通过处理器上传到云平台,便可实现有人的地方就有气象站。苹果6手机已经具有气压传感器,能够测量并上传气压;三星S4及Note2已经具备气压、温度、湿度传感器。这为可检测气象要素的微型传感器应用于穿戴设备奠定了基础。

  每个人都可以通过穿戴设备将气象观测数据传入气象数据的大网络,这将弥补一些边远地区观测站点不足、站网不密的情况,避免由于气象数据不足而造成的气象服务偏差。


想2:气象预报员的十字路口

  提炼:随机动力学引入数值模式或带来天气预报第三次飞跃。在数值预报变革的同时,气象预报员站在了十字路口上。

  将随机动力学引入预报数值模式是气象专家正在做的事。一些学者从大气运动随机性出发,试图在理论上获得突破,即明确随机过程在多大程度上影响大气运动,同时在模式的每一步积分运算中将随机内容体现出来。

  从另一角度说,数值模式提升必须伴随计算机提升,目前气象界议论即将诞生百亿亿次计算能力,耗能将达100兆瓦,约是10万人城镇的用电量。引入随机动力理论如果成功,天气气候模式在更贴近实际的同时,计算方案中一直被复杂化的势头也将被有效简化。因此,加入更多“随机”要素能在相同的计算消耗下获得更好的预报效果。

  欧洲国家正在尝试,气象学家称之为天气气候预报的新拐点,2015年这一理念也将进入更多国家。

  数值预报变革难免会牵扯到预报员的命运。数值预报可提供日常预报以及人力很难达到的高频预报,解放现有预报员的精力。预报员则有更多精力去做决策性预报,或针对不同客户需求,完善针对性天气预报。

  美国、加拿大等发达国家走在前列,预报员基于数值预报实现了预报服务一体化。由此看来,2015年全球的预报员可能站在十字路口上。


畅想3:气象资源妙用给经济加油

  提炼:人类粗犷式征服自然的后果已经显现,气候变暖可能造成不可逆的损害,此时,巧用气象资源,借力于自然,可能成为引领时代的突破口。

  100多年前马克·吐温曾说密西西比河永远不会被工程师征服,但如今,水库和大坝降服了这条巨大水道。人类从来都想征服自然,但若想不破坏自然可持续发展,巧妙利用气象资源倒是不错的法子,这也难怪“风能”入选2015年最值得期待的十大科技突破。

  最近,当工作人员开始在美国马萨诸塞州科德角安装高压电缆的时候,他们其实是在为一个可再生能源新时代奠定基础。这些电缆将把电能从美国第一座海上风力发电场输往新英格兰。130座巨型涡轮发电机将满足25万新英格兰居民75%的电力需求——在之后超过25年的时间里为他们节省大约72亿美元。美国能源顾问布鲁斯·汉密尔顿说:“海上风力发电时代已经到来。”

  全球变暖的今天,寻找像风能一样的清洁能源已成为既减缓适应气候变化又为世界经济加油的举措。

  像风能一样,气象资源的妙用就在于借力于自然。农作物种植线北扩从而扩大种植面积、海冰融化开辟出北冰洋新航道、北极资源探查等……因此有理由相信,2015年,气象资源妙用将会成为科技创新的突破口,推动和引领一个时代。


畅想4:量身定制天气服务

  提炼:如果你是个夜猫子,喜欢半夜出去泡吧,那么每天23时你可能会收到天气预报推送,告知夜里温度及适合穿的衣服。

  刚刚过去的一年,挪威气象部门的气象预报网在欧洲乃至全球都很闻名,精细化街区预报不仅每小时都可以更新,用户还可以在网上定制不同时间和地点的天气报告。

  2015年,精细化、针对性、客户全程参与仍然是国际上气象服务的主要发展思路。目前很多国家都研发了专门进行1小时内分钟级降水预报的软件,其中一些30分钟内降水预报准确率在80%左右,6分钟内准确率达90%。

  由此看来,2015年传统天气预报受众会越来越少,而能够满足个人需求的多点精准预报服务、获知灾害发生和结束确切时间将有可能实现。

  世界气象组织计划从2016年至2019年启动服务提供战略及其实施计划,关键就在于让用户全程参与,根据用户需求、后续反馈推送并调整天气服务信息,形成循环链条。

  大数据、云平台以及随时互联沟通的智能设备都已为有针对性、互动性的精细化气象服务打好了基础。大势所趋,2015年是全球气象服务备战试水的一年,也必将是竞争激烈、挑战与机遇并存的一年。


畅想5:气象搭上了大数据列车

  提炼:气象数据的多少决定气象服务社会这道“招牌菜”的口感,但吃一盘菜始终不如学做一盘菜来得实惠,因此,数据也必须用活了。

  从1904年皮叶克尼斯提出天气预报是一个物理初值问题至今,在短短不到一百年的时间里,气象数据的应用实现了质的飞跃。特别是近20年,气象数据已经增长了近千倍,观测信息量越大,所蕴藏的真实信息越多,“招牌菜”的口感也就越丰富,而原材料的加工使用也被日益关注。尤其是大数据时代,气象数据怎么用就更为关键。
地球风险是一家利用大数据预报未来天气情况的公司,他们基于820亿次计算以及60年的气象历史数据来识别天气模式,加之美英政府以及数千气象科研人员的观测数据,还有每天更新的数据库,最长可提前40天预报冷热天气概率。再比如,默克公司提前半年多掌握了美国地区3月份的气象信息,并预测温暖空气将带来花粉等过敏因素,默克公司加大了过敏药的宣传和供应,由此带来了数百万美元的额外销售额。

  随着大数据时代深入人心,气象搭载上这趟开往智能地球的列车是必然之选。2015年,气象大数据将着眼于“鱼到渔”的改变。观测数据高速增长,可能因为用户使用不当无法升值。在这种情况下,建设服务平台、开发软件服务,让气象大数据成为城市社会建设的“基础设施”是明智之举。


畅想6:3D打印技术的气象路

  提炼:用3D打印技术可以省去小批量高精尖设备高昂的模具成本,关键是打印物件更加优良。这听起来非常有趣,且充满神秘感。

  3D打印技术被誉为划时代的技术。2012年,一位83岁的老妇曾成功移植了3D打印的钛颌;2013年,美国一男子头部移植了3D打印的塑料头骨。

  这几年,这一技术已经开创了在气象领域运用的先河。RedEye公司与美国航空航天局(NASA)合作,3D打印了卫星天线模组的30套支架,用于帮助气象卫星群观察地球大气电离层、气候、气象状况的太空任务。

  一直以来,气象观测设备都是以传统机械加工的方式制造的,存在重大的缺陷——耗时长、成本高。随着3D打印技术的发展,适应气象观测所需材料以及设备将被逐步研发,这将可以节约劳动成本。

  气象学业界家对于3D打印的争论还是在于其成本问题。目前,3D打印机已经家庭化,美国Makerbot公司推出了售价仅为1400美元的迷你3D打印机,可在线下载模具。这为大家提供一种全新的家庭制造体验。2015年,随着科技发展及成本下降,气象高精尖设备的生产也许会更多地依赖3D打印。


畅想7:卫星像单反相机一样

  提炼:当用单反相机拍摄出绚丽的照片时,是否想像着在外太空利用气象卫星洞察大气呢?新一代静止气象卫星的研发让这一梦想将不再遥远。

  目前,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)、中国气象局、日本气象厅、韩国气象厅等全球主要的卫星运行机构都在加紧研制14通道至16通道的新一代静止轨道卫星。“风云四号”和EUMETSAT下一代静止卫星将首次搭载红外高光谱探测仪。每十分钟获取一次地球监测图,在特殊的天气条件下,可启动1分钟至2分钟的高频次观测,这些都将不再是梦想。

  2014年10月7日,日本成功发射了“向日葵8号”气象卫星。卫星设计寿命达到15年以上,所携带的观测仪器设计寿命为8年以上,搭载的可见光和红外扫描辐射计拥有世界顶尖的观测能力,可每十分钟一次直接传送彩色卫星图像。

  可以说,国际气象卫星星载仪器和通道更多、时空分辨率更高、成像更快、性能更高和产品更加丰富等已成为发展趋势,正如世界气象组织综合全球观测系统专家詹姆斯·珀德姆所说:“我们将见所未见,打开一扇通往美丽世界的大门!”


畅想8:极端天气研究成为科技热点

  提炼:人类生活的地球在不断升温,面对频发的极端天气事件,科学家们一直在努力寻找其背后的推手。

  《科学》杂志在2014年终刊上对2015年可能出现的科技热点进行了预测,其中就包括北极海冰。除此之外,太阳系探测、大型强子对撞机和联合免疫疗法也都榜上有名。

  北极海冰减少对北极地区气候变暖的放大效应在科学界已是众所周知,因为海洋会吸收更多的太阳热量。但北极变暖对低纬度地区天气将造成何种影响,是否对过去十余年间一些与亚洲季风和欧洲冬季有关的极端天气气候负有责任,仍然是科学界热议的话题。

  确认大气环流中的复杂动力的长期联系不是一件容易的事情。在过去的一年中,科学家们提出了一些观测模型,包括大型的罗斯贝波(又称行星波)和极地喷流模型,2015年,通过这些模型也许能够确定北极变暖如何对数千公里以南地区的天气造成影响。


畅想9:“未来地球”找寻环保之策

  提炼:交叉学科的发展不论在国内还是国外都比较艰辛。只有打破学科间的壁垒,填平研究和实践间的鸿沟,才能更好服务于社会发展。

  现代气象学和海洋学的开拓者卡尔·古斯塔夫·罗斯贝从美国回到自己的祖国瑞典后,发现欧洲在相关方面落后于美国。他提出欧洲小作坊模式基础研究要改变,要学美国搞大工业生产。之后,欧洲气象中心传承罗斯贝的理念,于1976年组建,1980年投入使用,1981年,预报水平就成为世界第一。

  这一成功案例体现了打破小作坊思想、发展交叉学科的重要性。作为全球变化研究计划的延续,为期十年(2013年至2022年)的“未来地球”计划旨在应对全球环境变化给各区域、国家和社会带来的挑战,加强自然科学与社会科学的沟通与合作,为全球可持续发展提供必要的理论知识、研究手段和方法。

  与全球变化研究计划相比,“未来地球”计划从原来单一的自然科学研究逐渐向自然与社会科学相结合,从而增强全球可持续发展能力,以应对全球环境变化带来的挑战。值得注意的是,“未来地球”计划首次将“人类发展”这个影响地球环境的主要因素放在了其研究框架的主要位置。相信2015年,跨学科的“未来地球”计划能够开启找寻环保之策的钥匙。


畅想10:在线学习风潮提升气象学科热度

  提炼:过去,知识一直被封闭在科研机构的高墙之内,获取知识所付出的代价相当高昂。零边际成本社会让这一情况逐渐被改变。

  2011年,美国斯坦福大学教授塞巴斯蒂安·特龙在线提供了一个和他在学校授课方式类似的“免费”课程:“人工智能”,这门课程的开设开启了一场教育革命。当课程开始时,共有来自世界各地的16万名学生坐在自己的电脑前学习,形成了历史上单次课程的最大教室。

  这正好印证了杰里米·里夫金提出的零边际成本概念,这种新兴的混合式经济模式均摊在每个人身上的成本趋于零,必然引发新的社会变革。

  零边际成本在经济、能源等多种领域都有其例证,在气象教学方面也已经掀起了风潮。打开世界气象组织的主页,“网上学习”一栏十分醒目,该网站是世界气象组织和英国气象局合作运行,为世界气象组织成员提供种类丰富、涵盖气象、水文和相关科学的培训课程。同时,人们对天气改变生活的意识不断深入,有意愿在线了解气象科普。

  大气科学的普及程度虽然不比社会科学,但随着在线学习风潮的蔓延,2015年会有更多人有机会接触这门看似高深的学科。

  (文中配图均来源于网络)

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