珍貴氣象檔案數字化技術與應用

■ 鞠曉慧 王妍 李俊

在氣象觀測活動中形成的各種原始記錄、報表、天氣圖、整編成果等統稱為氣象檔案。根據中國氣象局發布的《珍貴氣象檔案分級鑒定辦法》，觀測時間序列長、觀測數據完整性好、觀測要素種類多的原始觀測記錄檔案稱為珍貴氣象檔案。目前中國氣象檔案館保存的紙質氣象檔案主要為2012年之前各類氣象臺站的觀測記錄檔案，其中歷史最久的檔案可以追溯到19世紀。

早在20世紀70—80年代，中國氣象局就開展了氣象檔案保護和數字化工作。截至目前，已經持續開展了地面、高空、輻射、農氣等主要氣象觀測報表的圖像掃描和數據錄入，建立了豐富的數字化成果。中國氣象局還開展了部分19世紀中葉至20世紀中葉器測資料的數字化，建立了部分重點城市氣溫、降水、氣壓等基本要素長序列資料，為近百年氣候變化研究提供基礎數據。

1 珍貴氣象檔案

中國氣象檔案館館藏的紙質氣象檔案從時間上可以分為19世紀中葉至1950年和1951—2012年兩部分。19世紀中葉至1950年的紙質檔案多為孤本，檔案非常珍貴，涉及600多個臺站。1951—2012年紙質檔案涉及2400多個臺站，臺站年代比較完整，數量龐大，是檔案館的主體檔案。1951年前地面各類氣象檔案的詳情見表1。

表1 1951年以前各類地面氣象檔案

中國近代海關氣象檔案是1951年以前各類地面氣象檔案中比較重要的檔案之一。清朝海關總稅務司從1870年開始在中國沿海各口海關和主要燈塔所在地逐步設立了氣象觀測站（海關測候所），開展定時氣象觀測，先后建立的站點有70多個。中國氣象檔案館館藏的近代海關氣象檔案約有145卷（冊）、17萬頁，涉及66個站點，觀測記錄30年以上的有40多個，主要有原始紙質海關月總簿（monthly meteorological return）和海關月報表（monthly report）兩類。除中國大陸館藏了絕大部分近代海關氣象檔案外，海外有少量館藏，主要是中國海岸氣象登記冊（China coast meteorological register）（圖1）。

圖1 中國館藏與美國館藏的1894年1月9日臺灣安平（Anping）海關氣象觀測記錄（左圖：中國氣象檔案館館藏的海關氣象月總簿；右圖：NOAA圖書館館藏的海岸氣象登記冊）

2 數字化技術

2.1 紙質檔案修復技術

由于歷史久遠或保管條件所限，珍貴的紙質檔案（如19世紀至1950年的各類氣象記錄檔案）出現了不同程度的發黃、破損、酸化等狀況，個別檔案破損較為嚴重，必須對檔案原件進行搶救和修復。

對紙質檔案進行修復和保護的主要措施有：除塵去污、局部修復、字跡去污、修裱與加固、測酸去酸等。

2.2 縮微技術

縮微技術是在感光材料（通常指膠片）上記錄縮微影像的技術過程。縮微技術不是數字化處理技術，但它是以紙質檔案為加工對象，是檔案異質保存的重要手段。20世紀70—90年代，氣象部門利用縮微攝影技術對歷史天氣圖、氣象記錄報表和解放前部分歷史氣象記錄檔案進行了載體轉換，數量達10萬張（盤），保存在中國氣象檔案館延慶分館。

2.3 紙帶穿孔數字化技術

數據紙帶是早期計算機的輸入輸出手段。通過編制好的程序將氣象觀測資料使用穿孔機穿成數據紙帶的過程稱為紙帶穿孔。紙帶穿孔是早期計算機應用的數字化方式。最早使用紙帶穿孔技術進行數字化的氣象檔案主要是國家級臺站地面氣象記錄月報表，包括地面觀測的19類要素項目。

2.4 圖像掃描技術

圖像掃描是使用黑白或彩色掃描儀對紙質氣象檔案進行逐頁掃描，經糾偏、去黑點、壓縮等系列操作，保存為TIFF或JPEG文件的處理過程。掃描技術參數的選擇決定著掃描質量。因此，在掃描處理過程中要根據檔案原件的質量和利用需求來設置掃描技術參數和存儲格式。掃描后的圖像文件也是數字檔案的重要檔案資源，用于物聯網時代的檔案資源共享。

2.5 跡線數據提取技術

與紙質氣象報表人工鍵盤錄入不同，自記紙跡線提取基于較為成熟的計算機技術，研制人機交互軟件，才可以實現批量規模化處理。自記紙跡線提取軟件主要包括圖像文件預處理、自記跡線識別、數據提取、標準化數據轉換、數據質量控制等技術。在以上的技術處理中，跡線識別和數據提取是關鍵，決定了提取是否有效以及提取后的數據是否準確。

隨著人工智能技術的發展，基于深度學習的圖像跟蹤技術已應用到達因風自記紙跡線提取軟件中，減少了跟蹤誤差，從而減少了人工核查的工作量，大大提高了數據提取的效率。

自記紙跡線提取時由人工操作提取軟件，逐站逐張提取并進行人工干預和修正，提取完一個站所有自記紙后進行數據格式轉換和數據保存。為了保證提取數據的質量，需要對提取后的數據進行多次質檢和評估。評估不合格的臺站需經過整改和重新提取，直至數據合格。圖2為一張降水自記紙跡線提取后的回放效果圖，提取的逐小時降水數據已標識在圖像上。

圖2 降水自記紙跡線提取效果（上圖：原圖；下圖：跡線提取后效果圖）

3 數字化技術應用

從1979年1月開始，中國氣象局啟動了氣象檔案信息化處理工作。2000年之前，以紙帶穿孔技術和鍵盤錄入技術為主，目的是獲得時間序列較長的歷史觀測數據，以地面觀測數據為主。2000年之后，隨著掃描儀的發展普及，同時認識到紙質檔案進行雙備份的重要性，數字化的技術以圖像掃描和數據錄入為主，數字化處理從地面資料擴展到高空資料、輻射、農業氣象等。近年來，隨著計算機圖像處理技術的發展，對自記紙圖像圖形進行自動識別和數據提取成為數字化工作的重點。另外，隨著全球氣候變化成為熱點問題，中國氣象局也加強了對館藏的19世紀中葉至20世紀中葉長達百年的珍貴氣象檔案的數字化工作。

中國近代以來至1951年各類氣象觀測檔案主要包括：天主教會觀測月報和年報，海關總署海關月總簿和月報表，日本在華觀測檔案，國民政府或一般月總簿、一般月報表、自記紙、出版物以及各類統計表（示例見圖3）。這些珍貴檔案涉及臺站約600個（分布在大約500個城市），觀測時間為1841—1950年，但是絕大多數臺站觀測不連續。由于這些檔案來自不同國家或機構、使用不同的觀測儀器和單位、采用不同的時制，無論是紙質檔案的物理狀況還是記錄的數據狀況都非常復雜，掃描和數據錄入的處理難度都比較大。

圖3 1951年前珍貴檔案數據示例（左圖：俄國氣象年報記錄的北京1872年3月的氣象數據；右圖：海關月總簿記錄的漢口1880年5月的氣象數據）

中國氣象局在全國范圍內選取有代表性的116個城市，對19世紀至20世紀中葉的觀測記錄檔案中氣壓、降水、氣溫、風向、風速和濕度等要素數據進行了人工錄入，形成了重要的數字化成果。

百年長度的歷史長序列是研究長期氣候變化的基礎。相關學者基于已數字化的百年氣溫、降水等要素的日值、月值資料，研究得出了中國1841年以來的氣候變化趨勢和特征，相關研究成果已發表在國內外科技期刊上。在中國近代以來珍貴檔案數字化成果基礎上，研究氣象站建站時間、觀測情況及觀測資料氣候代表性等，從而為中國百年氣象站認定工作提供重要依據。在國際合作方面，中國氣象局參與了中英合作項目“國際大氣環流重建計劃（ACRE）”中國子計劃，在中國區域18世紀以來早期器測氣象資料的挖掘、數字化和應用方面取得了進展，項目成果已應用在20世紀再分析資料（20CR）。

4 結語

中國歷史氣象檔案拯救與數字化工作始于1979年，并在2006年以后快速發展。40多年的工作歷程取得了豐碩的成果，基本滿足了氣象業務、科研和社會各行業對基礎氣象數據的需求。但是，與中國氣象現代化和信息化發展需求相比，與國內檔案行業發展水平相比，氣象檔案數字化還存在一定的差距，主要表現在以下兩個方面：一是氣象檔案信息化程度不夠。目前，國省氣象檔案館館藏檔案還有接近50%的館藏檔案沒有進行圖像掃描處理，地面自記紙僅完成了約15%的數據化處理，中國國家級地面站1951年以來的逐小時氣溫、氣壓和相對濕度數據序列還未建立。二是多種類、多形式、高質量的歷史基礎數據集產品研發能力有待提高。需要通過對掃描圖像文件元數據整編，實現電子圖像文件100%在線訪問、檢索和應用，從根本上實現對紙質檔案的保護和充分利用。

針對以上不足，今后中國歷史氣象檔案拯救與數字化工作有三個重點：一是開展氣溫、氣壓和濕度自記紙跡線提取以及近代氣象觀測以來的重要站點資料的數字化，建立1951年以來國家級臺站分鐘和小時分辨率歷史數據，以及百年氣象臺站歷史氣象數據；二是基于數字化原始成果，研制形式多樣（例如格點資料、圖形產品以及定制產品等）的氣候基礎數據集產品，滿足多個行業部門的應用需求；三是依托數字氣象檔案館建設，提高歷史氣象檔案掃描圖像成果應用能力，改變傳統的紙質檔案服務方式，提高檔案的應用效率。

深入閱讀

吳增祥, 2007. 中國近代氣象臺站. 北京: 氣象出版社.

范邵華, 余予, 鞠曉慧, 等, 2018. 氣象資料數字化進展及其應用. 氣象科技進展, 8(1): 64-70.

蘭平, 2019. 氣象檔案事業70年回顧與展望. 氣象科技進展, 9(4): 67-69.

何溪澄, 馮穎竹, 2017. 《海關醫報》與1877—1894年廣州氣象觀測記錄. 氣象科技進展, 7(3): 71–73.

宋建萍, 何曉, 蘇秀梅, 等, 2016. 近代湖北海關氣象觀測檔案初探——以江漢關、宜昌關、沙市關為例. 氣象科技進展, 6(6): 71-74.陳永生, 李娜娜, 2017. 中國近代海關檔案的分布與現狀. 中國檔案,(8): 58-59.

鞠曉慧, 馬楠, 王妍, 等, 2022. 基于深度學習的氣象資料跡線識別.科學技術與工程, 22(21): 9215-9222.

王伯民, 呂勇平, 張強, 2004. 降水自記紙彩色掃描數字化處理系統.應用氣象學報, 15(6): 737-744.

Ju X H, Huang S P, Li C J, et al, 2019. Development of the Selfrecording Per-minute Precipitation Dataset for China. Journal of Meteorological Research, 33(6): 1157-1167.

Cao L J, Yan Z W, Zhao P, et al, 2017. Climatic warming in China during 1901—2015 based on an extended dataset of instrumental temperature records. Environmental Research Letters, 12:064005.

戰云健, 陳東輝, 廖捷, 等, 2022. 中國60城市站1901—2019年日降水數據集的構建. 氣候變化研究進展, 18(6): 670-682.