“互聯網+智慧氣象”眾創平臺架構設計

王興 卞浩瑄 曾康 王暉

摘要：隨著我國社會氣象服務事業和商業氣象服務市場的不斷發展，“互聯網+氣象+專業服務”的模式愈發受到氣象敏感行業和市場的關注。對我國氣象服務現狀做了簡要分析，提出構建智慧氣象業務與服務眾創平臺，著重闡述了“互聯網+”背景下智慧氣象服務眾創平臺的總體架構和功能結構，總結了眾創平臺的應用場景和應用價值。

關鍵詞：“互聯網+”；智慧氣象；眾創；氣象服務；氣象業務

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）23-59-3

0引言

隨著“互聯網+”[1-2]與傳統行業不斷融合和創新，“互聯網+氣象”專業服務模式的研究愈發受到各行業專家和研究人員的重視。聯合國減災辦公室指出，在過去的二十年，因氣象災害造成的經濟損失高達數萬億美元[3]。全球氣候變化也正在加大極端天氣事件發生的概率和影響程度，氣象和氣候災害仍將持續影響社會的發展[4]。德國經濟學家弗里德黑姆·施瓦茨（Friedhelm Schwarz）在其報告中指出，天氣在80%的世界經濟活動中起著關鍵性作用[5]。

隨著全球經濟一體化和我國全面深化改革進程的不斷推進，結合人工智能、大數據等技術構建“互聯網+”背景下智慧氣象服務[6]，已然成為氣象行業重點發展的目標和方向。近十年來，我國氣象核心業務的技術水平和服務能力已取得長足進步[7]，但公眾和各個氣象敏感行業對氣象服務能力的期望與要求也越來越高，主要是因為氣象服務模式及服務能力的提升跟不上社會發展的節奏。與一些發達國家相比，我國氣象軟實力不強、科技支撐能力不夠、服務創新性不足等問題依然突出[8]。當前，“互聯網+智慧氣象”服務仍有相當巨大的發展空間，而要加速發展就需要突破現有的一些困難和瓶頸。

1眾創平臺建構的意義

2019年上半年的氣象標準化工作報告中指出，我國氣象業務部門長期業務化應用的氣象觀測設備品牌和型號種類繁多，數據格式、技術規范不統一，如不同型號的雷達往往造成拼圖產品存在失真，進而影響后續雷達預報等業務的準確性。智慧氣象業務與服務眾創平臺（氣象眾創平臺）設計并構建一套規范化的數據流和中間件，并通過API的方式向用戶提供訪問權限可控、可監管的應用程序編程接口。

氣象眾創平臺將整合氣象算法的程序資源，如各類報文的解碼、譯碼、氣象觀測資料的質量控制、天氣雷達和氣象衛星等探測資料的預處理、常用數值天氣模式、海洋模式和環境模式的運行維護及產品輸出等，減少程序重復編寫所耗費的時間和人力投入，同時提供新算法可迭代更新的算法云服務。

氣象眾創平臺的應用能夠極大降低氣象關鍵技術研發的門檻，最大化賦能個人或初創企業。他們只需將精力專注于如何改善預報預測的空間分辨率、預報的時效性和準確率以及各類氣象敏感行業對于氣象新產品的需求，而不必再從各類氣象觀測數據的獲取、解碼、譯碼和預處理等基礎工作做起，極大地提高了新產品研發和測試的效率。

2氣象眾創平臺的架構設計

2.1平臺總體架構

氣象眾創平臺的建設是一項集氣象計算環境基礎搭建、氣象關鍵技術研發和智慧氣象服務推廣于一體的系統性工程。在核心技術層面，平臺建設重點統合全球多源氣象大數據資源，加強氣象關鍵技術科研轉化力度，突出氣象服務和專業化、精細化產品的眾創、共享。在功能方面，除了整合天氣數值預報、短時臨近預報及災害性天氣預報等一批現代氣象服務關鍵技術外，還涉及眾多IT前沿高新技術，如分布式與并行架構、異構計算、多源氣象資料大數據挖掘、人工智能識別、云計算、圖形圖像處理、數模構建及互聯網技術等。平臺建成后可實現統一的氣象數據應用、氣象科學技術成果轉化、氣象服務眾創、成果共享以及智能服務。

2.2平臺功能結構

氣象眾創平臺的功能結構如圖1所示，主要包括多源氣象資料融合處理、數值模式、天氣監測預報、環境監測預報、海洋監測預報以及系統監控管理等系統層級部件。

多源氣象資料融合處理模塊主要負責氣象數據的標準化處理、多源氣象資料質量控制以及資料的融合和網格化處理。其中，數據標準化處理包括數據采集與監控、數據接收通知、缺失告警、人工補正、數據前處理、格式轉換及數據解析入庫等功能。數據存儲與分發支持并行或分布式文件系統，數據并發訪問支持高吞吐量、高容錯的性能要求。

數值模式模塊主要負責業務上常用的資料同化、天氣模式、海洋模式、模式產品釋用等業務功能的部署和基本參數優化，利用虛擬化技術實現數值模式的柔性副本，用戶通過本平臺的API靈活配置，搭建滿足個性化需求的數值模式輸入資料、模式參數、計算處理過程以及輸出產品，且各個副本之間相互獨立，可極大降低普通用戶對于數值模式軟件系統運維的時間成本和復雜性。

天氣監測預報模塊由災害性天氣智能識別、預警、定量降水預報、臺風監測預報和精細化要素預報等核心業務功能組成。災害性天氣智能識別和預警主要利用天氣雷達等探測資料，以該專業領域主流算法和理論為支撐，研發更先進的災害性天氣智能識別預警算法模型，提高判別龍卷、中氣旋、冰雹、雷暴、強對流大風和下擊暴流等災害性天氣現象的時效性和準確性，為智慧氣象、民用航空氣象和農業氣象等應用領域提供初級產品，平臺用戶可在此基礎上研發更加豐富、更加精細化和個性化的預報預警產品。

環境監測預報模塊主要由空氣質量監測、大氣成分分析、空氣質量預報、預報結果檢驗和大氣污染物預警等核心業務功能模塊組成。利用激光雷達等設備對空氣質量進行實時監測和分析，并提供精細、準確的空氣質量監測數據和空氣質量變化趨勢。

海洋監測預報模塊主要由海洋要素預報、海洋短期天氣預報、近海風能指數和海洋預報檢驗等核心業務功能組成。根據大氣科學、海洋科學相關理論和前期成果，研發相關的算法模型對近海地區未來的天氣做出分析和預測，并在此基礎上采用卡爾曼濾波釋用（KLM）、最優集成預報（OCF）及模式輸出統計（MOS）等技術方法進行客觀化預報產品釋用，并實現浪、潮、涌和洋流等海洋要素的預報。

系統監控管理模塊負責對該平臺的業務運行狀況、作業調度情況、系統運行狀況等進行實時監控和管理，并對平臺的用戶信息、角色信息、權限配置、日志管理和產品配置等進行統一管理和維護。

3應用

眾創平臺的用戶包括2類，一類是直接用戶，根據平臺賦予的權限，能夠訪問平臺提供的產品及應用服務；另一類是依托眾創平臺進行二次研發的用戶，他們能夠自主開發精細化的氣象要素預報業務系統，如實現基于氣象云的格點預報和實時訂正，實現基于多維度的以格點、站點預報數據的處理和共享，實現氣象數據及產品更新的一體化、全要素、全時序及多級協同預報服務流程，進而達到氣象預報專業技術能力相互促進提升與成果共享的目標。

氣象業務人員通過該平臺成功注冊并獲取某些功能模塊的使用授權后，便能訪問相應的產品，產品的形式包括平臺生成的氣象數據、圖表以及基于Web的軟件系統，同時可檢索或下載感興趣的產品。

對于科研人員，他們不僅能夠訪問權限內的平臺產品，還能在平臺上編寫自己的算法程序，平臺通過虛擬化技術，實現不同用戶平臺的硬盤存儲空間、CPU、內存等硬件資源相互獨立和隔離，既有效保護每位用戶的知識產權，又利于平臺硬件資源的合理分配和監控。

直接用戶中還有一類屬于高級用戶，他們的真實身份可以是有氣象理論知識和軟件開發經驗的個人，也可以是其他軟件公司、科研院所或氣象業務部門的工作人員，他們可基于平臺的各個功能、模塊和子系統，“繼承式”地定制開發滿足個性化需求的軟件功能、軟件模塊或軟件子系統，實現基于該平臺的二次開發，二次開發的產品可為氣象業務部門、民航氣象部門、新能源氣象部門及各個氣象敏感行業提供服務。例如，在智慧農業氣象服務方面，依托眾創平臺，開發人員可進一步開發格點化農業氣象災害預報、農用天氣預報等功能模塊，為春玉米、冬小麥、水稻等作物生長狀況提供更加精細化、客觀化的氣象服務。

眾創平臺的用戶可以靈活選擇是否將二級開發的源代碼、算法程序或產品進行公開和分享，成果分享支持有償和無償的方式，對于有償分享，其他用戶通過付費使用，其所產生的收益將反饋給分享的用戶。

4結束語

“互聯網+”背景下的智慧氣象業務與服務眾創平臺，能夠降低氣象關鍵技術研發的門檻，提高新產品研發和測試的效率，實現氣象關鍵技術研發的眾創，打造氣象API共享經濟，并且整合氣象基礎算法和產品，讓用戶致力于面向防災減災和民生需求，以發展高影響天氣預報和風險預警為目標，將研發重心專注于市場各個氣象敏感行業的需求以及新技術的研發，跟進社會發展及各個行業對氣象服務的更高要求。

參考文獻

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[8]佚名.全國氣象發展“十三五”規劃[N].中國氣象報，2016-11-30.