四川省氣象信息化歷程回顧及發展展望

■ 馬渝勇 向筱銘＊ 王可耀

分階段介紹了四川省氣象信息化的歷程，根據各個階段的發展，充分說明氣象信息化，就是現代信息技術與氣象業務結合及應用的進程，現代信息技術與氣象業務的結合日益緊密和深化，應用日益廣泛，從根本上改變了氣象業務系統及流程，驅動了氣象業務服務的發展，并將引領整個氣象業務服務系統朝著更加高效集約和智能智慧的方向發展。

氣象信息化的歷程，就是現代信息技術與氣象業務結合及應用的演進過程。20世紀70、80年代以來，信息技術蓬勃發展，極大地影響和驅動了諸多行業的快速發展，氣象就是其中一個具有典型代表性的行業。四川省氣象信息化的里程，基本可以概括為從氣象資料的通信傳輸開始，信息技術與氣象業務開始比較系統性規模化地結合，并逐步深入和廣泛，與信息技術發展大致經歷的計算機化、網絡化、Internet加數據庫為標志的幾個發展階段相對應，氣象信息化也大致歷經了以計算機通信、信息網絡、數據管理和共享應用等為代表的幾個階段，與氣象業務服務系統的結合和融合日益緊密深化，發展到目前以省級數據環境和基礎設施資源池來集約全省主體氣象業務服務系統，并進一步朝著基于云計算的氣象大數據平臺方向發展。

1　回顧

1.1　第一階段：以氣象計算機通信為代表

20世紀80年代中期，隨著電子信息技術的日益發展，計算機系統，特別是微型計算機系統日漸成熟并得到廣泛應用，在氣象業務系統中引入電子信息相關技術的需求十分突出，基于計算機通信實現氣象數據通信自動化的條件已經具備。

在此背景下，四川省氣象局與成都氣象學院合作研發了采用APPLEII為主機的微機轉報系統，成功實現了西南區域氣象電報的微機編輯及多路轉發等業務功能，取代了此前以人工加電傳機的氣象電報編輯轉發模式，面向西南區域，實現了氣象電報自動收集處理分發等業務功能，在電子信息技術與氣象基礎業務的結合和應用上系統性規模化地邁出了第一步。

大致同一時期，氣象業務中部分其他分支，根據業務性質以及當時電子信息技術發展狀況，不同程度地與信息技術相結合，主要是在計算機化方面，積極推進了各自業務的發展。比如：基于微型計算機處理的自動填圖系統等，逐步進入氣象預報業務。

歷史氣象資料的信息化工作，依靠計算機系統進行氣象數據的紙帶、卡片等進行數據處理和存儲，在此前就已經起步，20世紀80年代中期，實現了基于計算機系統處理的磁帶存儲，并逐步引入微機處理系統和磁盤存儲等方式，其計算機化逐步深入。

綜合觀測方面，“從20世紀80年代初期到90年代，四川省各級氣象臺站先后使用PC-1500袖珍機，逐步升級為APPLE、IBM微機，處理觀測記錄、編發報告、制作報表，全部實現了計算機自動處理交換，告別了算盤和計算器。”

隨著成都區域氣象通信樞紐建設進程，四川省在20世紀80年代后期，引進了VAX-11/750小型計算機作為計算機通信的主機系統，在國家氣象中心的幫助下，成功移植了氣象電報交換系統軟件包，取代了微機轉報系統，實現了功能更加強大的氣象電報收集處理及傳輸等業務功能，以此系統為標志，完成了成都區域氣象通信樞紐建設。

這一階段的主要特征，是部分氣象業務的計算機化，以計算機系統作為工具，取代原有業務中的人工處理，并未改變原有業務流程和格局，各個部分業務的計算機化分別進行，尚未形成體系。

1.2　第二階段：以氣象信息網絡為代表

隨著信息技術的發展，計算機網絡技術日漸成熟，并得到廣泛應用。自20世紀90年代中上期開始，在成都區域氣象中心業務系統建設中，采用計算機網絡技術，開始以計算機網絡系統作為氣象數據傳輸和業務系統的基礎支撐。在四川省局采用了VAX4400小型機作為主機，初步形成以文件交換為標志的計算機網絡通信，一方面初步建成了四川省氣象局的計算機局域網，另一方面實現了與西南區域各省基于計算機廣域網的通信傳輸，大大提升了通信的質量和效率，同時，以遠程終端（工作站）等為形式，計算機網絡通信系統逐步開始向地市以及縣級延伸。

基于計算機網絡系統，開始逐步建立在線獲取資料并開展應用的預測預報等業務系統，在四川省氣象局，初步能夠基于計算機應用觀測資料及模式產品圖形圖像系統研發并應用。基于CD4680小型計算機系統，有限區域數值模式開始搭建并業務應用。

以西南區域的計算機廣域網系統和相關網絡業務系統為支撐，成都區域氣象中心成立。

9210工程在四川省氣象系統的實施以及基于X.25分組交換網的氣象廣域網系統建設，最終實現了以衛星廣播和地面窄帶廣域網相結合的全省氣象數據傳輸系統。基于網絡系統，MICAPS（氣象信息綜合分析處理系統）系統逐漸成為的預報業務的主要工作平臺。

20世紀90年代后期，自動氣象站建設開始起步，標志著觀測自動化及信息化進程啟動。

2000年代以來，隨著國家基礎通信服務的發展，基于運營商基礎信道的全省寬帶網絡系統逐步建成到市到縣。其他業務服務系統逐步轉變為基于計算機網絡為基礎。

2007—2008年，四川省氣象部門構建了集省、市、縣三級結構為一體的氣象信息廣域網系統（圖1），其中包括星形與樹形相結合的SDH寬帶主干網絡系統、基于Internet的VPN備份網絡（主備路由基于OSPF實現了實時熱備、自動切換）以及在省和市兩級集約的、有防護的接入Internet等幾個主要方面。網絡系統的構建成型，為氣象業務服務系統的網絡化發展提供了基礎支撐。

圖1　集省、市、縣三級結構為一體的氣象信息廣域網系統

以文件系統為核心的氣象數據管理和共享服務系統逐步建立，成為綜合觀測、預測預報以及公共服務等業務系統氣象數據的集散中心。MICAPS系統以文件共享系統作為數據來源，通過調取各種實時氣象數據，經預處理轉換成MICAPS格式的數據文件，存儲于自身系統附帶的文件系統進行應用。

1.3　第三階段：以氣象數據管理和共享應用為代表

隨著Internet及其相關技術的飛速發展，特別是數據庫技術的廣泛應用，加速推進了氣象信息化進程，基于數據庫技術的氣象數據管理系統和以web技術為代表的（同時C/S模式并存）氣象信息共享服務以及共享應用系統引入氣象業務服務系統。

圖2　區域級氣象信息共享系統

2000年代中后期開始，四川省氣象局建設了區域級氣象信息共享系統（圖2）。首先，搭建了集約化的綜合氣象信息管理系統，利用大型關系型數據庫（Oracle），采用元數據驅動技術，實現了對氣象業務與服務工作所需多種觀測資料、預報產品和服務產品的標準化、規范化存儲管理，成為面向全省有效提供氣象數據共享服務的基礎。其次，以信息管理系統為基礎，構建了采用消息中間件及其二次封裝函數庫作為開放的、面向多方面應用的共享應用支持系統，該系統面對全省各級各類用戶提供標準、開放、多樣的（包括C/S和B/S系統結構在內）氣象數據服務方式，包括多編程語言及Web Service應用開發接口，支持對綜合氣象信息數據庫的安全、高效、便捷訪問，實現要素級和文件級的氣象信息共享服務支持，在全省實現了對諸如中國天氣網四川站等應用的數據共享服務。同時，基于氣象信息管理系統和共享應用支持系統的直接支撐，研究開發出了一系列適應業務需求的專業級氣象信息共享應用系統和平臺，如新一代天氣雷達PUP產品共享應用系統、西南區域氣象信息共享服務網站系統和四川省省市縣三級預報業務平臺，以B/S及C/S方式提供省、市（州）、縣（臺站）及行業用戶業務服務的實時在線應用，先期踐行了省級部署、省市縣直接應用的業務應用模式，多項應用平臺在氣象業務科研和應急氣象信息服務中發揮了重要作用。

全省國家站的自動站建設逐步完成，新一代天氣雷達站網建設逐步啟動，基于全省寬帶廣域網實現省級數據收集和共享服務。區域自動觀測站開始大規模布設，通過移動通信基于GPRS/Internet的數據網實現前端數據收集并接入氣象信息網絡系統。

2007年建成超過浮點運算速度超過每秒萬億次的SGI高性能計算機系統，2011年左右建成浮點運算速度達每秒12萬億次的曙光高性能計算機系統，區域數值模式同步取得迅速發展。

從系統角度而言，基于數據庫技術的氣象數據管理系統逐漸成為氣象業務服務系統，包括綜合觀測、預測預報和公共服務系統的中樞。

2　發展狀況

隨著信息技術日新月異的飛速發展，氣象信息化進程進一步加速，經過不懈努力，目前四川省氣象局已經初步建成以CIMISS（全國綜合氣象信息數據共享平臺）為核心的省級數據支撐環境和省級基礎設施資源池，初步實現了集約化的業務系統發展格局。

以CIMISS為核心的省級數據支撐環境，存儲和管理了包括實時、歷史一體化的綜合氣象觀測資料、數值模式產品以及其他預報和服務產品在內的海量氣象數據，通過MUSIC（Meteorological Unified Service Interface Community）訪問接口面向全省提供數據檢索和共享服務，諸多業務系統與CIMISS系統接駁，主要有由CIMISS直接支撐和以CIMISS為數據源兩種方式，其中包括四川省精細化預報業務平臺、縣級綜合觀測業務集成平臺、四川省氣象業務內網、四川省市縣公共氣象服務系統等業務應用系統，面向全省省市縣提供直接應用，其中縣級綜合觀測業務集成平臺已經在全國開展推廣應用。

以虛擬化技術為主要技術支撐的省級基礎設施資源池初具規模，目前署虛擬機120多個，遷移部署實時業務系統數十個，作為應用系統的承載，已經初步面向向省級業務單位提供系統資源服務。

針對MICAPS4對數據服務的需求，在CIMISS后端建成基于分布式計算和存儲技術的Cassandra集群，作為CIMISS系統的有效擴充，面向全省省市縣的MICAPS4客戶端直接提供高效的數據支撐和服務，一方面實現了最主要預報工作平臺的省級部署、省市縣應用，另一方面，也是開始對基于分布式計算和分布式存儲的系統首次開展實際應用。

全省氣象信息網絡系統進一步發展擴充，建成了省市縣星型與樹型相結合、基于雙運營商的MSTP雙寬帶廣域網系統，雙寬帶實現了準負載均衡；網絡系統可靠性和服務能力的提升，為業務服務系統的運行和發展提供了基礎保障。目前省到市帶寬雙十二兆、市到縣帶寬雙四兆，并將根據信息化發展的需求進一步大幅度提升帶寬，提升省級部署、市縣應用為代表的業務模式應用體驗。

2014年左右，建成了浮點運算速度達每秒26萬億次的IBM高性能計算機系統，基于該系統，省局組織數值模式團隊，實現了西南區域9 km數值預報模式系統的業務化，并迅速推進3公里數值預報模式的業務化運行。

這個階段的主要特征是以集約化為標志，希望通過整合業務系統和再造業務流程，將各類業務系統逐步集約整合到以基于CIMISS為核心的省級數據環境，并以省級基礎設施資源池作為各類業務系統的承載體，同時對于基于分布式計算和分布式存儲為代表的云計算技術，開展積極的嘗試和摸索。

3　發展展望

當今世界，以云計算、大數據、移動互聯、物聯網等技術為代表的現代信息技術方興未艾，深度學習、人工智能等技術蓬勃興起，給各個行業帶來了巨大的影響。氣象業務服務在數據管理與加工處理、共享服務方面對云計算和大數據技術的應用具有迫切的需求，物聯網和移動互聯給綜合觀測以及公共服務帶來了全新的途徑和思路，這些技術與氣象業務服務的深度結合，勢必給整個氣象業務服務的格局帶來革命性的發展。

基于分布式計算和分布式存儲技術，構建云化的省級氣象數據環境（New CIMISS），實現對綜合觀測數據及其加工產品、數值模式產品以及各種預報服務產品的高效管理，并進一步集約整合相關行業泛氣象數據、防災減災以及經濟社會相關數據等多源數據，搭建省級氣象大數據平臺，是氣象信息化發展的大勢所趨；同時，省級大數據平臺通過統一的元數據管理體系，作為國家氣象大數據平臺的重要組成部分（子集），與之實現互聯互通、互為備份、互為服務。

基于省級氣象大數據平臺，一方面從云計算和分布式環境獲取更加高效的數據服務能力，建立高效便捷的數據共享服務，提高氣象數據基礎支撐能力，為全省各級各類氣象業務服務系統提供直接支撐，特別是為諸如MICAPS、CIPAS等專業級天氣氣候業務平臺提供直接支撐，另一方面還要從基于云架構的分布式計算環境中獲得強大的數據分析和信息挖掘能力開展氣象數據產品的深度加工處理，開展多源數據的分析挖掘和融合應用。

以氣象大數據平臺為中心，集約整合全省綜合觀測、預測預報以及公共服務系統業務，構建“云+端”扁平流程并形成業務互動，實現現代信息技術與氣象業務服務系統的高度融合和深度應用，并進一步延伸到管理等各個方面。

基于省級氣象大數據平臺，將數據挖掘、多源分析、智能預報等的通用算法和基本業務功能進行共享，構建多源數據挖掘應用的算法云平臺和氣象業務眾創平臺，為精細精準預警預報、防災減災決策研判，以及跨行業的數據價值挖掘提供數據、算法和硬件資源的一體化支撐，為構建智慧氣象發揮主導作用。

深入閱讀

沈文海, 2017. 云時代下的氣象信息化與管理. 北京: 電子工業出版社.

馬渝勇, 徐曉莉, 宋智, 等, 2011. 省級氣象信息共享系統的設計與實現. 應用氣象學報, 22(4): 505-512.

馬渝勇, 方國強, 向繼濤, 等, 2012. 省級氣象網絡系統的整體設計與實現. 計算機應用研究, 29(4): 1374-1377.