智慧气象包括智能的信息获取、精准的预报预测、开放的气象服务、高效的科学管理、深度的产业融合、持续的科技创新6方面主要特征，是新时期气象现代化的重要标志。其中，智能的信息获取也称“智能的感知”，是各类智慧产业的共性内涵，也是智慧气象的必要组成部分。随着以传感技术、计算机技术、通信与控制技术、微纳米技术为代表的信息技术与制造技术的日新月异，传感设备逐渐朝着微小型化、集成化、网络化、智能化方向发展，为下一代气象探测设备的发展提供了强大推动力与更多的可能性。可以预见，气象探测设备的微小型化和智能化将是今后的发展趋势，势必会对气象业务的发展产生多方面的影响。
一、微型智能探测设备的发展趋势和特点
信息技术的发展促进了气象探测技术的进步。自16世纪以来，随着一系列测量地面要素的仪器投入实际应用，使大气探测进入到定量器测阶段。1901年无线电通信技术的发明，以及气象探测传感设备的数字化导致了无线电探空仪的发明，从而使得气象探空业务成为可能。二战初期原本用于作战的雷达技术，后来在气象领域得到了广泛应用。美国于1958年1月试验成功本国第一颗人造卫星，随后便于1960年4月发射了“泰罗斯-1号”用于气象观测业务。20世纪后期各种类型的遥感设备相继研制和试验成功，如激光雷达、风廓线仪、微波辐射计等，气象探测仪器和设备的自动化程度、精度和效率越来越高，极大地推动着气象预报和气象服务水平的提升。
以计算机、传感器等为代表的信息技术产品更新换代的速度加快，功能不断强大与完善，体积却可以越做越小。以电子计算机为例，从大型主机、个人电脑、笔记本直至智能手机，每10年体积缩小超过100倍，如图1所示。特别是随着微纳米技术的发展，微型智能传感器、毫米级计算机、智能灰尘等产品和概念相继问世，为新一代气象探测仪器和设备的发展提供了强有力的技术支撑。
微传感器因其微型化、智能化、低功耗、易集成的特点而越来越受到青睐。特别是目前基于微机电系统（MEMS）的微传感器，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，主要由传感器、动作器（执行器）和微能源三大部分组成，是一个独立的智能系统。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS温湿度传感器等以及它们的集成产品。概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。图2为一微型（2平方毫米）无线温度传感器，只需要从附近的一个路由器获取能量便可正常工作。
智能灰尘概念最早由美国加州大学伯克利分校的Kristofer Pister 教授提出，属于一种分布式的传感器网络系统，由多个微小传感器组成，可随机且大量的投放到目标环境当中，通过具备温度、加速度、磁场等传感功能的智能灰尘传感器可对周边环境进行监测并能追踪到自身的位置，通过无线网络进行有效的接力通信将目标环境信息发送到接收器中以进行高效的分析与精确地处理。智能灰尘系统非常适合进行灾害监测或广域无人区域的气象监测。根据Gartner 2017年7月发布的新兴技术成熟度曲线，“智能灰尘（Smart Dust）”处于新技术“触发期”，将是未来几年战略性技术趋势的前沿热点，如图3所示。
近期，美國科学家研制出一种可供青光眼病人使用的植入式眼压监测器，据信这是世界首个完整的毫米级计算系统原型。辅之以一套无需调谐便可找准频率的紧凑型无线电设备，多个毫米级计算系统就能搭建成一个无线传感器网络。系统虽然微小却五脏俱全，包括耗电极微的微处理器、感压器、记忆体、薄膜电池，太阳能电池和带有天线、可以将数据传至外部接收器的无线电台。这个微型系统有望在数年内完成商业化，并且被认为是计算机工业的未来发展方向。
即便是人造卫星也向着小型化、微型化的方向发展，与以往的大卫星相比，微小卫星具有技术含量高、研制周期短、研制经费和发射成本低等优势，且可以进一步组网，以分布式的星座形成“虚拟大卫星”。
目前，市场上已经出现了应用智能传感设备进行气象观测和空气质量检测，如墨迹天气公司的空气果、海尔公司的空气盒子等。以空气果为例，其室外版集成了温度、湿度、气压三大气象要素以及PM2.5的监测，采用ZigBee通信协议与其他空气果连接，组成一张监测网，并将数据上传，通过移动终端APP查看。虽然没有达到智能微尘的微小程度，但理念类似。
准专业化的小微型智能气象探测设备也已问世。Bloomsky公司于2014年推出了一款智能天气监测设备，这款设备号称是一体化的户外气象站，目前的售价为169美元。室外版内置了温度、湿度、光照、气压、紫外线甚至雨量传感器，能够观测附近实时的天气状况。其测温范围-25～65℃，精度0.4℃；测湿范围1～99%，精度±5%；气压分辨率1hPa；雨量传感器最小检测阈值1mm/1hr。除此之外，其内置了170°超广角摄像头，能够在白天每隔3到5分钟拍摄一张照片上传到云端。Bloomsky storm版还具有风传感器，可以测量风速风向等。研发团队在极端户外条件下对这两款产品进行了测试，发现其能经受暴雨和大风等天气的考验，内置电池一次充电最长可以使用两周时间。该仪器携带便携、安装方便，若广泛应用可有效解决气象观测站稀少、地形复杂地区气象数据覆盖范围有限、实时性不高的缺陷；其Wifi联网功能可以与智能设备连接进行数据的传输、处理和展示。
可见，微型化、智能化、网络化是这类信息技术产品的共同特点。微型化与集成微电子机械加工技术的日趋成熟密不可分，微型化的同时还会降低功耗与成本，可靠性与稳定性会越来越高，同时可以保证探测精度。智能化是指传感器和计算机融为一体，实现传感功能与数据处理、存储、双向通信集成，可实现信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能；同时智能传感器也可与人工智能结合，具备模糊推理、人工神经网络、专家系统等高度智能化的功能。网络化即物联，指传感器具备自组网能力，实现针对同一观测任务的互相协同。
二、微型智能气象观测对传统气象业务的影响
目前气象观测业务可以用“大”、“固”、“疏”、“定”、“专”等几个字概括。“大”是指观测仪器大多为中大型设备，如自动气象站里的各种仪器、气象雷达、气象卫星等；“固”是指观测仪器大多固定放置，直接探测或遥感仪器布设点周围的气象信息，移动性差，灵活性低，且需要外接电源；“疏”是指虽然站点数量仍在不断增加，但受到设备成本和安装条件等制约，站点密度仍比较稀疏，尚难满足中小尺度预报服务的观测需求；“定”是指数据传输为定时定点，在固定时刻进行数据采集并传输；“专”是指观测多为国家统一布局，仪器定标、数据传输和质量控制按照国家气象业务标准执行。微型智能观测设备由于其技术特性，使得观测具备如下新的特点：一是随时观测，安装在各种移动终端上的设备在任何时刻都可传输观测数据，不受固定数据采集传输的影响；二是随处观测，同样是因为其微型化，使得观测地点的选择更为自由便利和广泛，甚至可由无人机进行抛洒，观测传统仪器不易进入的地方；三是自适应观测，传感计算一体化以及物联特性，使得仪器定标、质控等具备“智慧化”特点；四是社会化观测，微小型化及低廉的成本使得人人都能进行观测。因此，随着微型智能观测技术的不断成熟，普及率越来越高，若广泛应用到气象观测业务中，将会对现有气象观测业务产生多方面的影响。
2.1 对观测业务布局的影响
当前，全国地面气象观测站是按照行政区划建站统一布局的，站网分布相对均匀。截至2016年底，全国范围内的国家级地面气象观测站2423个，平均站间距71km；区域气象观测站57435个，平均站间距约29.6km；高空气象观测站120个，平均站间距250km。依托地面气象观测站，还构建了辐射观测、雷电观测、环境气象观测、农业气象观测等专业观测站网。同时，我国还建有小规模的移动气象观测体系，包括2部L波段探空、45部天气雷达、31部风廓线雷达，以及241部便携式自动气象站和708部便携式自动土壤水分观测仪，是固定气象观测系统的延伸和有效补充。
精细化短时临近预报和专业气象服务经常要求在特定时间范围内对特定区域进行基本气象要素的加密观测。目前的移动天气雷达和移动地面观测站在面对长时间、大面积观测时，难以充分满足需求。而气象要素感应元器件的微型化、廉价化和智能化，使其应用物联网技术，可快速部署具备空间密度满足需求、资料品质符合探测业务规范的临时地面观测网，并在观测任务结束后快速回收所有设备，代价低、效果好。这种技术在地面观测及类似领域的有效应用，将使得气象基本探测体系逐渐实现“弹性化”，即在维持满足基本气象业务需求的固定观测空间密度基础上，实现任何区域、任何时段和任何密度的气象观测网的快速部署和观测设备的快速回收，以满足特定任务对特定时空密度的观测需求。另外，微型智能观测设备完全可以在智能终端、可穿戴设备和公共设施上搭载，这样就可以实现基本气象要素获取的大众参与。虽然这种方式依赖于人类居住和活动等条件限制，在空间分布方面与气象业务需求存在一定差距，但毕竟在特定地理范围内是对气象探测业务体系的一种补充，而且从服务角度讲，能够获取到更加接近服务热点地区的实况数据，比采用临近固定站点的观测数据更加真实有效。
因此，短期来看，微型智能观测设备主要应用于专业气象观测和社会观测的补充，暂时还不能替代国家统一布局气象观测系统，但随着其观測精确度越来越高，观测要素越来越多样，观测能力不断提升，以及社会化的普及率的越来越高，可以预见这类观测将会不断发展壮大，将会触动和转变现有的观测业务布局方式：一是由自上而下统一布局向自下而上接纳适应转变，观测设备将呈现数量的爆发式增长，“观测无处不在”将成为现实，使传统自上而下的观测统一布局将变得比较僵化，未来需要考虑的是设立统一平台、接口和标准来接纳泛在的观测设备和数据，使之成为气象预报预测和服务的基础。二是由定时定点观测向全覆盖的随机观测转变，以观测大数据为基础，从大量的不定时不定量的观测数据中，提取、筛选、插值、融合出想要的（空间、时刻、要素等）观测数据产品，现有的观测和数据业务流程将会改变。
2.2 对观测数据质量控制流程的影响
气象仪器及其探测出的气象数据值要经过标校和质量控制环节才能应用到业务服务系统中。现有的质量控制业务流程一般包括装备计量校准、观测端质量控制、数据端质量控制等若干环节。其中装备质量校准包括出厂前的标校和业务应用期间的日常标定，即计量检定业务；观测端质量控制主要包括对仪器运行状态的监控和装备保障、信号质控等；而数据段质量控制则包括对仪器产出的观测数据的一致性、合理性检验、平滑处理、质量标识甚至后期质量评估等。这种质量控制流程是建立在标准化的基础上的，首先是仪器准入的标准化，进入到观测业务系统的仪器要具备一定的准入条件，符合业务需求和规范；其次是观测方式的标准化，比如观测场地的要求，四周不能有高大建筑物，温湿度表要放到百叶箱内等；第三是观测数据量的可预见性，仪器是标准化的定时定点观测，即使数据量随着观测布网、仪器种类、数据产品的增加而不断增长，但数据量是一定的、可控的、可预见的。
微型智能观测设备由于其微型、廉价的特点，品牌、型号、功能等可能会五花八门，业务主管部门对此进行标准化的仪器准入管理似乎显得不太可能；而且其泛在性、非常规性、临时性和专业化的观测应用，不能保证其处于标准化的观测环境中，例如室内、火场、地下等各种环境都有可能存在观测设备；数据量也会呈爆发式、不可预见式增长。相较于仪器严格标定、数据质量控制相对稳定的传统观测业务，微型智能观测设备可能会带来仪器质量参差不齐、精准度差别较大、观测地点和时间不可控、超大数据量等新问题，对现有的标准化观测业务、计量检定和数据质量控制业务将产生很大影响。
2.3 对观测数据应用的影响
2.3.1 数值预报应用方面
观测数据经过资料同化步骤进入到数值模式的初始场中，对数值预报的准确与否至关重要。资料同化研究的就是如何最优的导入数据，避免观测资料直接应用到模式中做初始场所引起的“高频振荡”，实际可以看作是一种“数据质量控制”过程：将空间不规则点上的观测值插值到网格点上，经过数学方法用“观测场”去订正“背景场”，最终得到较好的分析场。高质量、高时空密度的气象观测数据对提高数值预报的准确率来说十分有益，但数据的准确性一定要得到保证，因为对数值预报模式来说，初始数据的错误会对预报产生负效应，这比数据的缺失更令人头痛。因此，数据格式、接口标准、质量控制方法、数据融合方法等“标准化”问题，是微型智能观测设备未来发展必须解决的重点问题。如果这些问题得到解决，其高时空密度的观测将会是数值预报的有益补充。
2.3.2 气候监测应用方面
气候监测是对整个气候系统进行全面的观测，以便及时发现气候系统状况的任何值得注意的变化，不仅包括常规观测（温、压、湿、风、降水等），也包括非常规的观测，如太阳常数、微量气体等；不仅包括针对大气系统的观测，也包括海洋系统及其他成员的观测，如海温、盐度、海冰、土壤温湿度、全球植被等。气候监测需要确保观测仪器的长期、连续和不受干扰。相较于传统观测仪器，微型智能观测设备是否具有足够的耐用性对其能否应用到气候监测方面来说是一大问题。但是，针对气候系统圈层的监测有很多人类无法涉足的地方，微型智能观测设备经过无人机等设备的抛洒，可以深入到这类地方进行监测。随着微型智能观测设备的可靠性精确性不断提高，应用到气候监测领域是可行的。
2.3.3 气象灾害监测与突发灾害气象保障方面
我国已基本建成了地基、空基、天基相结合，门类比较齐全，布局基本合理的气象综合探测系统，但是对于一些中小尺度突发的气象灾害来说，现有的气象监测设施还不能完全覆盖到。微型智能观测设备的低成本、易布网、社会化的性质，将会提升观测覆盖率。同时，对于突发灾害的气象保障来说，如森林灭火、环境灾害、地质灾害等，微型智能观测设备可以突破灾害所造成的障碍而迅速部署，可大大提升气象服务保障能力。
三、未来发展与应用预期
微型智能气象观测设备是信息化的必然趋势。它的出现发展将会大大促进气象服务能力的提升，同样也必然深刻影响当前业务形态、结构、分工和组织方式，需要我们提早关注，积极谋划与应对。
3.1 业务流程方面——发展“敏捷”业务模式
微型智能观测设备的出现和发展，使得气象观测手段愈来愈呈现出泛在化、多样化和个性化。而目前的业务模式强调可靠性、稳健性、计划性、成熟性、长期性等特点，不适应微型智能观测设备的业务化。Gartner公司于2014年提出“双模式IT”理念，即一个机构仅拥有单一的业务模式（基于预测的、工程型的、规范化的、传统的应用系统研发模式）是不够的，还应拥有另一种模式，即敏捷模式。传统模式侧重于安全性和准确性，敏捷模式侧重于敏捷性和速度，每个模式都拥有各自运营所需要的人员、资源、伙伴、结构、文化、方法、治理、指标，以及对于价值和风险的态度。这种敏捷模式适合微型智能气象观测的发展。在继续维持传统模式的同时，引进并拥有敏捷模式的能力，最终形成双模式能力，对于气象部门而言是一种能力的补充和完善。双模式业务既包括常规的、基于计划的、已形成规范业务流程的、较少变化的、价值确定的、操作型的传统业务，如现有的常规气象观测，也包括非常规的、临时的、规范不健全且传统规范不适应的、较高不确定性的、价值与风险较高的、开创性的敏捷业务，如专业、特殊或应急气象观测等。传统业务是气象部门的基础，敏捷业务则是气象部门应对社会现实需求及信息化发展趋势的有效能力和立身之本。从短期来看，微型智能观测设备虽不能完全替代现有的气象观测业务体系，但构建适合其发展的敏捷业务模式，也是接下来需要考虑的问题。
3.2 数据质量控制方面——加强设备端质量控制
目前，數据质量控制还未完全实现自动化，一些环节还涉及人工确认、订正。因此，实现数据质量控制自动化是微型智能观测设备引入的必由之路。这样为确保数据准确，需要强调实施质量控制重点在设备端完成，从而减少错误数据进入数据系统。把好数据入口关是微型智能观测设备数据质量控制的关键，仪器的计量和标定显得尤为重要。全国省级气象计量机构工作人员总计约260人，每年仅国家级自动气象站的计量检定任务十分繁重。随着微型智能观测设备的广泛应用，现有的计量检定体制必然不能满足探测业务发展的需求。计量管理按其性质和管理方式可分为科学计量、法制计量和工业计量三类，工业计量的内容包括建立校准、测试服务市场，建立企业计量测试体系，开展各种计量测试话动等方面。工业计量在高技术为基础的经济构架中显得尤为重要。对于微型智能观测设备来说，应以工业计量管理为主，为了更有利于调动社会上除法定计量机构之外的多方计量资源，要建立校准技术体制，通过建立计量标准溯源链条，保证在开放市场条件下有效控制量值的统一。与此同时，应大力发展仪器本身的“自检测、自标校、自校准、自补偿”等智能观测能力。
3.3 科技创新方面——传统大气科学研究方法与信息技术理论方法相结合
如何处理并应用微型智能观测设备所产生的海量观测数据并将其应用到气象预报预测和服务领域，将会成为未来气象科技研究的重要关注点之一。目前的气象科学研究领域更多的是基于传统的大气科学研究理论方法，对于时空密度不均、要素精准度参差不齐、体量巨大的气象大数据的处理和应用，应当结合最新的信息技术理论方法，将数据融合分析、人工智能相关理论等引入到气象科研技术体系之中，加强大数据挖掘技术的研究和应用，推动气象创新发展。
四、结语
微型智能观测设备应用到气象观测领域是一件新生事物，本文基于现有的资料对其发展可能对气象业务产生的影响进行展望式分析，难免有不完善和不妥之处。但总体来说，各种新兴技术推动气象信息化发展，业务体系必然要以更加高效、综合、集约、开放、智能为目标，朝着适应信息化发展态势的方向不断的进行优化和调整。未来为了迎接智能微型设备的大量涌入，气象部门应做好制定传感器技术、数据及接口等标准的准备，规范接入的设备，从而方便多种设备观测数据的使用和融合。
（本研究由中国气象局气象软科学重点项目——“智慧气象总体架构研究”资助。）
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