2018年美國地球物理學會（AGU）秋季年會評述

■ 許小峰

2018年美國地球物理學會（AGU）秋季年會因恰逢美國氣象學會成立100周年，也稱為AGU100，于2018年12月9—14日在美國華盛頓召開，來自世界各地的近3萬人與會，圍繞大氣、海洋、冰川、生態、環境、水文、地質、地理、太空、數據、探測、智能、科研、創新、服務、教育、出版、管理等諸多領域進行了交流與探討。

AGU100內容豐富、涉及面廣，很難完整把握會議內容，本文僅就對目前氣象部門業務科研關聯度較密切的內容做一簡要評述。

一、數據獲取與分析

從國際視角看，對數據的重視程度一直較高，特別是近年來隨著大數據技術的發展，地球系統的綜合數據問題也更加受到關注，成為一個相對獨立發展的領域。

在這一領域的發展特點主要集中在兩個方面，一是獲取數據的手段呈多樣性的發展趨勢，除了我們比較熟悉的常規觀測，如地面、探空、衛星和雷達等，在涉及氣候系統各圈層相互作用的信息獲取方面明顯加強，如通量、邊界層、高層大氣、輻射變化、生態變量等方面的觀測，同時各種非常規的探測也呈現明顯發展，社會公眾信息收集、微波通信信息間接轉化數據等。例如，美國紐約市城市學院的學者介紹了國際衛星云氣候項目 （ISCCP）的對流系統跟蹤（CT）數據庫發展情況。該數據庫建設首先根據衛星獲取的各類云特征信息進行歸納分析，構造云分類數據，然后對每個云系統跟蹤，構成完整的對流云演變過程數據，目前已可以做到全球覆蓋、10 km分辨率、從1983到2015年連續的對流云數據集。

二是在數據分析處理方面的發展，主要在數據同化、再分析資料、質量控制、智能處理、觀測系統仿真試驗等領域，有相當多的交流和介紹。如通過對2006年發射的云雷達衛星（Cloudsat）信息處理分析可以獲取全球降水頻率和強度的整體信息；通過對云和氣溶膠粒子等大氣成分進行地面和現場對比觀測，對校準和驗證衛星的相關測量至關重要；而較為普遍應用的觀測系統仿真試驗（OSSE），可以在觀測系統建設前就給出逼真觀測試驗模擬，有助于對新建觀測系統的理解和降低投資風險。

NOAA和ECMWF等多位專家介紹了歐洲中心發展的用于OSSE的大氣狀況的分辨率為9 km的14個月長期預報模式（Nature Run）的運行情況，經過實際對比，認為這一模式體現了其先進、完整和準確性。這一模式可以通過網絡獲取到，條件是在研究成果中要注明模式來源。

以上介紹反映了數據分析的重要性，除了在預報過程中（同化、資料的后處理（再分析）外，提前對可能獲取資料的判識分析也是很有價值的，有助于對觀測業務發展的科學性、時效性進行預先分析和判斷。

二、氣象小衛星星座計劃

隨著航天科技的發展與進步，從20世紀末以來，微小衛星的發射與應用越來越受到重視，已從最早的以通信應用為主擴散到遙感、氣象、海洋、測繪、空間等多個領域。微小衛星具有成本低、研發發射周期短、星座組網等優勢，目前已從研發設計階段逐步向科研和業務應用推進，涉及地球系統多個領域，在AGU100會上有不少國家的專家做了相關介紹，總體上認為發展小衛星對地球系統的探測具有獨特的科學價值。

如美國密歇根大學的學者介紹了美國航天局2016年成功發射的由8顆衛星構成的CYGNSS星座信號的分析應用情況，通過對地表GPS散射信號的分析，獲取地表狀況、水汽通量、風場等信息，并應用到臺風等災害性天氣的分析預報中。

美國NASA介紹了計劃中發射的通過紅外光譜測風的小衛星星座機載測試試驗結果，其目標是能提供空間3～4 km分辨率的三維風場探測，也包括水汽、云、污染和氣溶膠信息。

美國海軍研究實驗室的專家介紹了一個被稱為“彩虹”激光雷達小衛星星座的發展計劃，通過主動遙感獲取地表高度、矢量風場、海冰、云水特征等信息。

中國香港和中國科學院的專家還介紹了利用美國小衛星提供的每天覆蓋全球地表信息監測青藏高原地表融化和生態退化狀況的分析結果，體現了小衛星監測高時空分辨率的優勢。

三、GPM測雨衛星資料的應用分析

無論是監測還是預報，包括數值模式發展，對流天氣過程都是重要的難點之一，也是天氣、氣候研究中最大不確定性因素之一。隨著探測技術和分析水平的提高，在這一領域也呈現出新的進展。雷達探測技術的發展及相關的模擬分析技術的進步起到了重要作用，包括地面天氣雷達和衛星雷達技術的進展，特別是雷達衛星和衛星微波探測的發展，將對云的內部結構探測從區域拓展的全球。對全球云系變化特征進行的分析，既可針對天氣過程，也能提高對全球氣候問題的認識。

在本次會議上，有不少學者介紹了美國和日本聯合發射的全球降雨測量GPM星座核心衛星測雨雷達星的應用情況。GPM核心星是一顆雙頻雷達衛星（Ku和Ka波段降水雷達DPR），并攜帶微波成像儀，于2014年發射，與相關微波衛星構成一個測雨星座，可以每3小時提供一次全球大部分地區的觀測資料，利用這些信息可以及時繪制全球三維雨雪合成圖像，并能將這些信息供數值模式使用。美國NASA的代表專門介紹了通過GPM資料演示全球三維雨雪信息合成圖像，包括對臺風結構的細致描繪。

日本氣象廳的專家介紹了他們發展的中尺度數值模式四維變分同化系統，其中包含有云微物理過程方案，該系統的重要特點之一是可以同化GPM衛星的三維雷達觀測信息，有助于分析較大范圍的強對流天氣。

四、智能方法

基于地球科學問題的非線性、復雜性和不確定性等特征，智能科學方法有可能在其中一些領域發揮出獨特作用。特別是隨著地球科學中的數據量呈指數級增長，先進的信息和人工智能技術為地球科學研究的深化開辟了新的途徑，基于知識的推理有望進一步加速發展，自適應傳感、機器學習、深度學習、知識繪圖和其他方法越來越多地進入實用階段。

美國阿拉巴馬大學等部門的代表介紹了通過知識圖發現地球科學信息的方法。如何及時發現與研究人員領域相關的數據和出版物面臨重大挑戰，因此，專注于數據挖掘和預測分類的認知計算工作對于促進科學發現具有特殊價值，其中的重要方法是利用知識圖（Knowledge Graph），通過建立語義實體識別（SER）模型和一個關聯模型，最終實現及時獲取相關領域科技進展信息的目的。

在臺風預報業務中對臺風強度的判斷具有一定不確定性，由于缺少實測信息，只能根據衛星、雷達的相關信息進行推斷。美國國家颶風中心估計，在僅用衛星數據直接分析的情況下，其分析強度估計約有10%～20%的不確定性。來自美國NASA等部門的專家介紹了一個基于深度學習算法的熱帶氣旋強度估算系統，通過對數萬張衛星圖像臺風案例進行學習，對臺風定強的確定性有顯著提升。

五、生態氣象與氣候變化

AGU關注的是地球科學的整體發展，生態問題則與地球系統各圈層的相互作用密切相關，在諸多領域的討論交流中都涉及，與氣象密切相關的領域重點集中在氣候變化問題上。既包括氣候變化對生態系統的影響，也包括生態系統對氣候變化的作用。其中涉及干旱、農業、林業、溫室氣體、氣候模式、氣候監測、碳循環、水資源、災害防御和可持續發展等諸多問題，特別是氣候系統各圈層相互影響、相互作用，屬于AGU上涉及面最廣的內容之一。

在地球生態系統研究中，全球通量網FLUXNET的信息得到了廣泛使用，不少專家介紹了通過使用這些通量資料所做的工作。如來自香港的學者通過檢索FLUXNET 2015數據庫156個站點的逐日資料，研究分析了地球表層的能量平衡閉合（EBC）狀況，并進一步分析了生物和氣象變量與平衡的關系，分析不同地表、植被、氣候帶在不同條件下可能發生的變化。美國亞利桑那大學的學者則利用FLUXNET對全球碳排放變化狀況進行了分析，認為若不能很好地執行《巴黎協定》，未來全球陸地碳吸收能力將會顯著下降。

六、著名科技企業的參與

會上，除與地球科學相關的企業外，一些著名IT公司也有很活躍的參與度，包括他們自己的產品展示和相關科學家利用他們的成果所做的工作介紹。

谷歌公司在會議的展廳里占據了最顯赫位置（圖1），展示內容覆蓋地理信息、數據分析等領域產品。在學術交流中也能看到一些專家介紹谷歌產品的應用情況。美國華盛頓大學的研究人員就介紹了利用谷歌趨勢資料（Google Trends Data）分析美國花粉過敏的病情分布，對一些選定城市的信息分析表明，當空氣傳播的花粉濃度很高時，谷歌搜索“花粉”一詞的數量會很大，可以利用這些數據建立美國大陸地區花粉對健康產生影響的時空分辨率。而利用Google Earth Engine（GEE）信息分析處理相關地球系統演變的交流論文就更多了。

IBM公司發展的量子計算機技術在世界范圍引起廣泛關注，美國喬治華盛頓大學的學者在這次會議上介紹了IBM量子計算的一些進展情況，包括一些正在研究的算法及可供公眾在量子設備上使用的開源軟件包。

圖1 Google展位

亞馬遜公司的云服務在美國地球系統科學中得到了廣泛應用，大量地球數據信息都可以通過亞馬遜的云系統存儲和獲取。在本次AGU會議上，美國GMRT（The Global Multi-Resolution Topography Synthesis）團隊介紹了運行在亞馬遜云上的全球多分辨率地形合成信息，匯總了各種不同分辨率的陸地高程和海底測深數據，且不斷根據新的資料進行更新，對地球科學研究有很高的應用價值。

結合以上介紹內容和中國下一步氣象業務和科研發展情況，提出以下參考建議。

1）注意加強數據業務建設。無論是從科研還是業務需求角度看，數據信息都成為越來越關鍵的環節，需要加強總體設計、建設、管理、應用。在未來的建設發展中，數據建設應獨立于探測系統和計算網絡系統，盡管有相當大的關聯性，但仍有許多獨立特征是需要單獨考慮的，應作為相對獨立的業務功能發展。

2）系統考慮衛星、雷達等遙感探測系統的業務建設。本次會議涉及氣象小衛星、雷達衛星、相控陣雷達、激光雷達、云雷達等內容，這些領域有些已比較成熟，有些處于起步階段，我國也已開始有相關發展，在未來的氣象探測領域可能將發揮重要作用和影響，需要予以關注，并在我國的氣象業務設計中統籌規劃和發展。

3）在業務科研與業務建設中注意氣候系統各圈層相互影響問題。AGU會議將地球系統各領域的進展和成果放在一起交流，本身就凸顯了其相互間密切關聯，無論是地球系統、氣候系統、生態系統、氣候變化等問題，都需要考慮各領域之間的相互作用和影響問題。如何把握好氣象業務、科研的定位和拓展，及與其他部門的合作，需要做好系統的規劃設計。

4）關注人工智能技術的進展。智能技術如何在氣象領域發揮作用，需要一個探索和實踐過程。但從目前的進展情況看，在一些復雜、突變、不確定等問題的處理上確實可以發揮作用，國內外都取得了相當多的成果，應予以重視并加強在這一領域的設計和指導，是發展智慧氣象的重要途徑。