基于質量發展的氣象預報服務模型探索

孫石陽 申丹娜 董昊

（作者單位：孫石陽，深圳市氣象局/中國氣象局發展研究中心；申丹娜，中國氣象局發展研究中心；董昊，天津市氣象局/中國氣象局發展研究中心）

基于質量發展的氣象預報服務模型是指把氣象預報服務業務及其支持基礎作為氣象預報服務的一個整體提供體（不論該提供體的組織架構或開展氣象預報服務的形式），融合其標準體系實施機制，促使預報與服務的平衡發展，實現氣象預報服務。構建這樣的模型，需要從內部運行保障有力、統一協調、高效有序，外部服務效果彰顯、績效突出、投入性價比高，內外互動及時、高效、持續改進機制健全等角度出發來實現。

數值天氣預報（NWP）與人工智能（AI）的科技應用在全球氣象領域呈加速發展態勢，氣象專家試圖一方面通過數值預報模式從本源上來解決提高天氣預報準確性問題；另一方面積極探索從物理模型到智能分析渠道來降低天氣預報不確定性問題。美國、歐洲、英國等世界先進數值預報模式正朝“全球模式”“無縫隙”“一體化”發展。中國全球數值預報模式北半球可用預報時效已經接近7.5 d，在參數化、資料同化、軟件實施等關鍵技術研究方面也都取得實質性進展，全球數值天氣預報技術和計算機技術的發展為預報服務的一體化業務應用和開展智慧氣象服務提供了強有力的基礎支撐條件。一種基于“全球一體化無縫隙模式”氣象預報發展業態可帶來預報上的許多變革，人工干預預報服務的環節將越來越少，人工智能、數值天氣預報等核心科技支撐氣象預報直通服務的可行性越來越大。NWP與AI技術的發展對氣象預報服務業務無疑會產生重大影響，但氣象預報和服務的不平衡、不充分、不協同發展的風險也將顯著增加，重新審視和分析預報與服務的協同發展問題，對探索構建基于質量發展的氣象預報服務模型具有重要現實意義。

1 問題提出與研究方法

1.1 問題提出

圖1a表示的是以信息化為基礎，以傳統氣象預報和信息服務為主要預報服務方式向數值天氣預報模式、人工智能為主支撐的現代氣象預報服務方式的轉型示意圖。為便于表述，將圖1a表示的服務提供簡稱為“服務器”。圖1b系氣象服務標準體系實施示意圖，簡稱為“驅動器”。圖1整體揭示的是科技發展融合標準體系實施驅動服務發展的邏輯關聯，其發展目標一致，機理相輔相成，過程相互融合；同時也形成了科技發展將改變氣象“預報”和“服務”的格局。

1.2 方法探索

將基于反映科技發展和氣象服務標準體系實施的“前瞻性、系統性、科技性、專業性”四個共性要求來對兩者進行邏輯關聯，建立診斷模型，結合對典型案例的診斷分析，摸清科技發展、氣象服務標準體系實施對氣象預報服務提供的影響機理，為探索構建基于質量發展的氣象預報服務模型劈開了一條新徑。

根據標準體系實施原理，“科技發展”“驅動器”“服務器”之間用關系式可表示為

f(x，y，Ф，t) = f(a，b，Ф，t)∝α(a’，b’，c’，t)， （1）式中，各變量因子見圖1中標注，∝表示通過“驅動器”α的作用，Ф表示信息化支撐因子。由式（1）得出，氣象服務標準體系實施中的每個因子a’、b’、c’均需作用到氣象預報服務中數值預報模式發展（a→x）、人工智能應用（b→y）、信息化（Ф）支撐三因子中，α才能有效驅動f(a，b，Ф，t)向 f(x，y，Ф，t)模式轉變。因此，需重點分析科技發展和標準體系實施驅動下的數值預報模式發展（a→x）、人工智能應用（b→y）、信息化（Ф）支撐三大因子的特性要求。表1、表2列出的分別是科技發展和“驅動器”驅動“服務器”發展的“前瞻性、系統性、科技性、專業性”的特性要求。

分析表1、表2，要將科技發展與氣象標準體系實施融合發展以達到質量發展的效果，提出以下四個共性發展要求：1）信息化融合需要貫穿“四性”發展特性統籌建設；2）精細化、精準化、全球化融合需要加強高質量標準實施；3）質優化融合要科學建立預報服務質效管理機制；4）一體化、科技化、智能化融合要強化科技發展的支撐力。

圖1 科技發展驅動服務提供發展（a）和標準體系實施驅動服務提供發展（b）關聯示意圖

表1 科技發展驅動氣象預報服務提供（“服務器”）發展特性要求

表2 標準體系實施（“驅動器”）驅動氣象預報服務提供發展特性要求

2 概念評估與分析

2.1 國際案例

表3給出ECMWF和NOAA提供模式的概念評估對比實例。其中，NOAA關于科研應用定位的“巴斯德象限”理念和科研成果轉換的“領結”型驅動概念很值得關注。“巴斯德象限”系由普林斯頓大學 Donald Stokes提出的一個關于科學與技術相互關系的概念模型，象限代表的是既受研究驅動又面向應用的基礎研究，說明科研過程中的認識世界和知識應用的目的是可以并存的；科研成果轉換的“領結”形狀的驅動概念形象地表示了NOAA從科研合作到測試檢驗，到用戶使用的規范化、質量化的過程。

兩個國際案例的對比，可以解析出案例的主要特征。

● 協同發展型，即ECMWF型。科技發展支撐從氣象監測、數據存儲、數據分析、數值預報、數值服務、信息提供、服務反饋、評估改進的發展全過程，形成了以“信息化”為紐帶的協同發展“驅動器”。其發展機理為：“驅動器”從預報能力建設和提高服務水平兩側提供協同發展的驅動力，實施數值精細預報能力和智慧服務水平的均衡發展，從而打造集“一體化”“智慧化”“標準化”“信息化”的現代氣象預報服務平臺。

● 互動發展型，即NOAA型。以“數值預報模式+人工智能”為核心科技支撐，不斷融合并促進數值精細預報能力與智慧氣象預報服務水平提高的同步均衡及規范化發展。其發展機理為：打造集“精細化數值天氣預報全球模式”與“人工智能氣象預報服務模式”業務于一體，“基礎科研向成果應用轉換”與“天氣有準備的國家”目標于一致的現代化綜合氣象預報服務平臺。

表3 ECMWF和NOAA服務模式概念評估對比

2.2 地區案例

2.2.1 香港天文臺（HKO）模式

通過科學創新和服務奉獻來建設一個更美好社會，一直是香港天文臺的核心愿景，其天氣預報和警報服務成功通過ISO認證，以“MET +”的概念開發創新氣候服務，并支持適應、恢復和減緩的氣候變化戰略（ARM），香港天文臺“驅動器”不僅體現在科技對預報服務的技術支持上，也體現在用科技來支撐工作環境的質量改善和綠色、低碳、環保的辦公意識和自覺實施中，同時也融入到單位文化培養和員工素養的提高中。HKO模式的機理是讓科技發展的作用充分滲透到氣象服務提供、標準實施的每一個環節，實現精準預報和精細服務提供“天人合一的質量和效果最優”的發展平衡。

2.2.2 深圳市氣象局（SZMB）模式

深圳市氣象局近年出臺了有關科技實施的文件和標準不少。分析統計2014—2017年按照標準體系實施要求制修訂、發布的標準文件，得出2014—2017年氣象服務標準實施中各子體系標準增修訂數與標準體系增修訂總數的比率（圖2a）（該比率反映該子體系標準的實施優勢）；圖2b分析的是2014—2017年深圳氣象發展指數（SZMDI）各一級指標平均增長數與指數平均增長總數的比率（該比率反映該單項指標的發展優勢）。比較圖2a和圖2b，可以發現：1）信息標準盡管比率只占4%，但其均為新增標準，且SZMDI創新驅動的增長比率最高（29.9%），可以認為信息化（Ф）支撐在創新發展深圳氣象側效果是顯著的；2）創新驅動優勢明顯，主要體現在人力資源管理（15%）、財務與合同管理（12%）、服務提供運行與管理（29%）、服務提供與控制（13%）、服務評價與改進（10%）等標準的實施優勢上（圖2a），科技創新優勢與科技創新標準實施的驅動效果完全吻合。

3 構建氣象預報服務模型探索

以“需求調整、科學環境、設施設備、合作互動、研用平衡、卓越勞動、轉換應用、績效考核”為PDCA驅動原則，結合國際和地區模式特色進行優化及改進，構建基于質量發展的氣象預報服務模型框架圖（圖3）。圖中平衡器的原理是：因子x、y分別支撐預報水平和服務能力發展，兩個向上的虛線箭頭分別表示因子x、因子y的發展優勢，平衡器的平衡機制來源于因子x、因子y的自身發展優勢及其各自對對方為達到有效適應并平衡這種優勢的目的所需要的“鏈式”強迫作用，而這種強迫作用力均來自“驅動器”與“服務器”之間的互動和通過PDCA驅動。

圖2 標準體系實施（a）與SZMDI各項一級指標發展（b）優勢關聯圖

圖3 基于科技發展融合標準體系實施的質量發展氣象預報服務模型架構圖

該模型的實施，需要實現以下幾個方面。

1）融合實施。模式除了科技發展自身融合“服務器”、“驅動器”外，還有“服務器”與“驅動器”之間在標準控制層、工程保障層、信息保障層、智慧引擎層之間的融合。在融合中實施，在實施中融合。

2）互動實施。如數值天氣預報科技發展（x）增強（時效性、分辨率、準確性任意一個指標或多個指標表征），那么根據“驅動器”要求，須對人工智能科技發展（y）進行強化，從而對信息化（Ф）支撐做出對應調整，對標準控制層、工程保障層、信息保障層、智慧引擎層的流程實施再造，達到科學發展目的。

3）平衡實施。通過信息化（Ф）支撐實施數值天氣預報科技發展（x）與人工智能科技發展（y）之間的平衡（平衡器原理）。讓信息化（Ф）支撐始終走在前面，因數據與信息涵蓋的工程保障層、信息保障層、智慧引擎層等供給側都呈指數級增長，建議信息化（Ф）支撐能力建設按照其涵蓋領域的指數級增長數的總和需求來規劃和匡算預算安排。

4）協同實施。如在大力發展數值天氣預報科技（x）的同時，須要同時考慮與服務提供端人工智能科技發展（y）的平衡，統籌調整與加強服務提供有關的標準控制層的質量標準和科技發展支撐力，科學調配工程保障層、信息保障層、智慧引擎層側的項目建設。

5）綠色實施。強化服務提供的質效管理，還需重點加強能源、環境側標準的實施力度，隨著科技、信息化快速發展，信息化（Ф）支撐對能源、環境的要求增強，科技發展在無紙化、綠色辦公、科學文化中的保障作用更應得到充分發揮，這也是降低服務提供成本，提高服務質量和效益的重要舉措。

4 結語

通過建立基于質量發展的概念評估模型，從“信息化統籌建設力、質量標準支撐力、質優化管理實施力、科技發展支撐力”四個維度對構建基于質量發展的氣象預報服務模型進行全新探索，可為高質量發展氣象預報服務業務體系提供科學統籌策略。

1）科技發展融合“服務器”與“驅動器”的互動發展是構建基于質量發展的氣象預報服務模型的核心理念，只有將科技發展融合到氣象預報服務提供和標準體系實施互動的全過程，所構建的質量發展氣象預報服務模型才能充分體現高質量發展的效果。

2）探索構建基于質量發展的氣象預報服務模型充分考慮了國內外先進預報服務供給模式的各自科技發展特征和質量管理績效優勢，重構了以信息化統籌建設力貫穿標準控制層、工程保障層、信息保障層、智慧引擎層的高質量發展氣象預報服務提供新模式（模型架構），在實施過程中，需將模型架構圖的思路與模型實施要點相結合進行，為有關決策者借鑒使用。

3）基于質量發展的氣象預報服務模型融入了創新、融合、互動、平衡、協同、綠色的發展特征，統籌考慮解決以數值天氣預報、人工智能、信息化等科技快速發展下的預報與服務的發展平衡問題和氣象預報服務的高質量提供問題，為高質量發展智慧氣象服務業務提供戰略發展支持依據。

4）隨著科技的快速發展，以信息化為主鏈條的氣象預報服務業務提供體將更多出現，基于質量發展的氣象預報服務模型對智慧氣象預報服務工程建設、研用成果轉換、氣象預報服務信息一體化供給、智慧氣象服務信息引擎等標準建設具有更多、更高期待。

深入閱讀

陳曉輝, 2015. 科技創新引領標準化管理創新研究. 中國標準導報,(2): 36-39.

馬雷鳴, 鮑旭煒, 2017. 數值天氣預報模式物理過程參數化方案的研究進展. 地球科學進展, 32(7): 679-685.

馬旭林, 陸續, 于月明, 等, 2014. 數值天氣預報中集合-變分混合資料同化及其研究進展. 熱帶氣象學報, 30(6): 1188-1194.

許小峰, 2018. 從物理模型到智能分析—降低天氣預報不確定性的新探索. 氣象, 44(3): 341-349.