气象,也是一种通信?

作者: 鱼非我

来源: 公众号:中兴文档

发布日期: 2024-03-28 10:30:34

本文探讨了气象作为信息传递的一种形式,以及人类如何通过观察和研究气象来理解自然规律。文章还讨论了气象学的发展,以及现代技术如AI在气象研究中的应用,强调了气象与通信技术的紧密联系。

有人说:天地不仁,以万物为刍狗。意思是说天地对所有的生物都一视同仁,没有偏好和感情。然而,亿万年来那流动的水、吹来的风、天降的雨、震动的大地、喷发的火山,总是给人类一种错觉:天地是有脾气的。智慧的人类,早就从那些重复出现的蓝天白云、狂风暴雨、风轻云淡、地动山摇、春来秋去、潮涨潮落中,发现了天地的运行规律,弄懂了各种天气现象传递的信息。文档君浅浅的认为:通信的本质,是信息的传递。

从这个角度来看,人类从气象中获取到信息,也算是人类与天地之间的通信吧?!什么是气象?气象是来自天地的信息,有很多的表现形式,常见的,不常见的。普通人日常生活最常见的气象,就是天气如何,是晴朗还是多云,是降雨还是降雪,是炎热还是寒冷等。提前了解到这些气象信息,可以让生活变得更从容。预报明天有大雨,那出门的时候务必带上一把雨伞,就不会在突然降临的大雨中变为落汤鸡了。

不经常见到的气象,包括:极夜、台风、地震、火山喷发、龙卷风、特大暴雨等。这些特殊的气象,在发生之前总是会有或多或少的预兆。及时发现预兆,解读出即将到来的特殊气象,那就可以争分夺秒地作出应对,降低可能会有的风险。实际上,气象能传达的天地信息,不局限于上述的常见气象、特殊气象,更包含了冰盾、沙漠、山脉、海洋、海平面温度、海洋盐度、土壤湿度、生物圈、风廓线等等。

对气象的研究,已经发展成为一门学科:气象学!气象学,是研究大气现象以及天气现象的一个科学领域。它涉及对大气中的气体、水汽、云、降水、温度、湿度、风、气压等要素进行观测、分析和预测,以了解和解释天气变化的原因和规律。气象学家通过观测、收集和分析气象数据,利用数学、物理和统计学等方法,以及计算机模型和气象仪器,来推断和预测天气的变化,为人们提供天气预报和气候研究等方面的信息和服务。

气象学的应用范围广泛,涉及到农业、航空、海洋、环境保护、能源等领域。从古至今,人类采用了各种办法去获取、解读、运用来自气象的信息。比如观察晚霞,预测明天会有雨。观察太阳、月亮和星星的位置变化,总结出二十四节气,根据有规律的天气变化择时安排农业生产活动。而到如今,我国已建成世界先进的“地-空-天”一体化自动化综合观测系统,形成了全球最大的综合气象观测网。

目前,我国的暴雨预警准确率高,台风路径预报误差小,能提前发布强对流天气预警。要做到这些,离不开强大的通信系统,包括:“First气象信息采集”。大地上,几万个地面自动观测站、几百部天气雷达,时刻监测着气象情况。与通信系统的基站类似,都是在一定的覆盖范围内实现信息的交互。区别在于,基站的上行数据、下行数据的流量都比较大,随着覆盖范围内的用户数量的变动而有所波动。

而气象信息采集设备的上行数据、下行数据的数量级差别较大,各种气象数据的汇总和传输会占用较大的上行带宽,下行数据一般是对各种传感器、物联网设备的控制指令,占用较小的下行带宽。天空中,在轨运行的多个风云气象卫星,站得高看得远,能够监测到更大范围内的气象情况。

从1988年风云一号气象卫星拍摄了第一张云图,到最新的风云四号B星成功在东经105度的静止轨道上岗,为更多国家的天气预报、防灾减灾救灾等提供了切实的数据支撑。遍布大地的气象站,需要通过专用的数据通信网络,将采集到的气象数据,层层传递汇总到一个系统中。

整个气象观测网除了建设专属的通信网络外,也可以通过卫星广播系统、GTS(全球通信系统,Global Telecommunication System)、互联网等方式传输气象数据。天气雷达、气象卫星使用的是无线通信方式,是有自己专属通信频谱的。

有一些频谱,是特别适用于特定气象的,例如:频率在1.4 GHz左右的测量能够提供关于盐度的最精确信息,6 GHz频带最适合测量海水温度,24 GHz适合测量水蒸汽,36 GHz以上频率适合测量水云。庞大气象数据,并不是简单的一存了之。气象学的研究者们,在历史气象数据的海洋里,使用各种数学、物理、统计学、云计算等方法,不断地探索和挖掘气象数据中蕴藏的宝藏信息。

例如:中国气象局发布的《2023年中国气候公报》指出,2023年我国气候状况总体偏差,暖干气候特征明显,涝旱灾害突出。全国平均气温为历史最高,降水量为2012年以来第二少,全国平均高温日数和极端高温事件分别为历史第二多和第四多,而全国平均降水日数为历史第二少。

再例如:基于风云三号D星搭载的红外高光谱大气探测仪(FY-3D/HIRAS)观测资料,研究者利用RTTOV(Radiative Transfer for TOVS)快速辐射传输模式模拟了不同逆温强度、不同逆温层顶高度对HIRAS红外通道观测亮温的影响。

结果表明,在780—1000 cm−1窗区光谱内的精细谱线对应的通道对逆温层最为敏感,与参考通道(926.875 cm−1)的亮温差可以用于大气逆温层识别。通过这项研究,探索了中国卫星监测逆温层的方法和途径。气象与我们每个人都息息相关,现在的各种气象服务也层出不穷。从之前电视上每天晚上七点半的天气预报,到现在手机上随时可查的天气情况、台风路径、强对流天气公报、地质灾害预报等等。

气象数据已经得到了极大的应用,并在强大的通信网络帮助下,让气象信息变得随时可得。通过对气象数据的统计分析,也为通信设备的部署提供了数据依据。具备良好气象条件的地方,是存放互联网海量数据的绝佳所在。毕竟温度适中,空气湿度较低,是有利于通信设备的使用和散热的。总之可以说,气象与通信之间的关系,已经变得十分紧密。人工智能的浪潮已经风起云涌,各个行业都在用AI给自己助力。

文档君觉得AI与气象一旦相遇,会碰撞出一些火花:让气象研究更高效。面对海量的气象数据,我们可以通过AI的深度学习、大数据分析技术,发现各种气象数据之间的关系特征,比如:云层、风暴等。这样的分析结果,可以让研究者在预测极端天气时,有足够的参考信息。让气象预报更准确。在AI的协助下,研究者可以构建更加复杂的天气预报模型,基于历史气象数据进行训练,用于预测未来的天气情况。

训练-预测--验证--改进,是一个持续演进的过程。天气预报模型会自动改进,不断进化,提升天气预报的准确性。让人类生活更便捷。每个人对气象的需求不同,AI可以根据气象数据和每个用户的特定需求,向用户推送实时的天气预报和提醒,提升用户的体验感。简单总结一下:气象传递的信息,从古至今,一直在被人类观察、解读和运用,已经发展成为一个专门的学科。气象学的方方面面,都有通信的参与。

AI的出现,让气象、让通信,开启了新的进化之路。

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