信息技術在氣象部門的應用回顧與展望

當前，信息技術已經滲透到社會運行的方方面面。氣象部門工作的特點在于：從萌芽階段開始，便與信息技術相伴相生。信息技術自身的卓越發展以及在氣象部門內的有效應用，是氣象學科和業務發展的重要因素。

氣象工作者們最初真正了解大氣的整體情況和運動狀態，是從能夠將散布在各地的氣象觀測資料及時匯總到預報員手中的那一刻開始的。以有線電報和無線電報為通信形態，以莫爾斯電碼為信息形態的通信技術，是最初實現氣象觀測站點高度分散，數據使用高度集中的執行者和實現者。

在20世紀20年代無線電探空技術發明之后，高空大氣的結構和運動狀態才被氣象工作者們所了解。由此產生的一系列大氣運動理論和各種學派，使得氣象工作開始以一個獨立科學學科的形態矗立于世界科學界。

浩瀚的大海是影響地球大氣運動的最重要的因素，是氣象部門主要的觀測領域之一，也曾經是氣象觀測難以涉足、卻又不得不努力嘗試的領域。無線電通信使得船舶實時觀測得以全面推廣，而衛星通信技術的應用又使得散布于各大洋各個海區的海洋浮標觀測變得可行，從此科學家們對海洋的運動、成分和狀態不再陌生。

雷達應用于氣象領域后，衍生出測風雷達、測雨雷達以及各種型號的天氣雷達，成為了氣象探測領域一個專門的技術門類，也為中小尺度天氣（特別是災害性天氣）觀測、預報、預警以及該領域的機理研究提供了最為有效的手段。

氣象衛星使得人們可以從陸地到海洋、從植被到雪蓋、整體到局部地觀察地球表面的一切與氣象有關的物理狀態、化學狀態和生物狀態。氣象衛星與地面常規觀測、雷達遙測、飛機觀測等各種手段的有效結合，使得人們能夠除巖石圈外的其他地球圈層從整體到局部、從宏觀到微觀進行全面地觀測，從而更好、更全面地掌握大氣的運動狀態和成分結構，為現代氣象業務和氣象科學的發展提供了更加全面、更加豐富的信息和數據。

由于計算機的發明，人們開辟出了數值天氣預報這一氣象領域嶄新的專業科目。經過數十年的發展，數值預報已經成長為氣象領域的一棵參天大樹，成為天氣預報、氣候預測的最主要的方法和手段。

在我國氣象事業輝煌的發展歷程中，同樣伴隨著信息技術的普及和深入應用。

一、艱苦創業階段（1949年—1979年）

新中國成立之初的短短數年間，新增觀測站點數量較之前增加數十倍。由于當時基礎薄弱，如何將這數千個觀測站點的觀測數據及時完整地匯聚到國、省兩級氣象臺，以供預報員使用，是當時氣象部門遇到的最為棘手的問題之一。

當時，國內氣象觀測資料的收集（上傳）采用四級流程，即：臺站—省局—區域中心—國家中心，所使用的通信技術主要有：電話、有線電報、無線電報、電傳等。進入20世紀70年代，國內氣象觀測資料的上傳仍沿用四級流程，臺站發報基本上采用以專線、話傳為主，甚高頻、單邊帶等通信傳輸為輔的傳輸手段。傳真技術也在這個時候開始應用于天氣圖及氣象背景資料的下發和共享。而國外氣象資料收集除增加了北京—東京、北京—奧芬巴赫的有線電傳電路外，開始接收國外東京、關島、檀香山等地方的傳真廣播； 其中的傳真設備，最初是由氣象通信部門與國內有關通信專業工廠共同研制成功的。

20世紀五六十年代，氣象部門用于分析處理數據的工具，大致局限在算盤、計算尺和手搖計算器范圍。身為當時中央氣象局三大業務單位的氣象資料室曾于20世紀50年代末從蘇聯引進了一臺“穿孔卡計算機”，可進行一些簡單的加減法運算，主要用于氣候數據的統計分析以及氣象資料出版物的排版和印刷膠片的制作，至20世紀60年代末，這臺穿孔卡計算機依然是中央氣象局乃至整個氣象部門唯一的一臺電子計算機。該機于1970年在四川江油“315基地”退役。

中國氣象科學研究院的前身中央氣象局氣象研究所早在20世紀50年代后期便已開始了數值氣象預報的研究工作，由于沒有計算資源，研究所不得不委派專人每天按時將穿在紙帶上的模式程序和數據騎車送至中科院計算所，借助那里的計算資源（109乙型晶體管計算機，中科院的“功勛計算機”）來進行相關的探索和研究。

1969年，氣象研究所引進了國產DJS-108乙型晶體管計算機（定點運算速度7萬次/秒、浮點運算速度3萬次/秒、浮點字長48位、內存32K），專用于氣象研究所的數值預報模式研究工作。這是我國氣象部門擁有的第一臺通用型電子計算機。該機的引進，在一定程度上改善了氣象研究所數值模式研究團隊缺乏基本計算資源的窘境。

1970年，為完成國家下達的專項任務，已“戰略搬遷”至四川江油的氣象資料室引進了國產DJS-111型晶體管計算機，以用于氣候資料的統計分析。該機最初只提供加減法運算，后經資料室相關技術人員的設計改造，利用應用軟件補齊了乘法和除法的運算能力。這是氣象部門首次借助于電子計算機，而且是國產電子計算機，完成氣候資料的統計分析工作。

20世紀70年代中期，為進一步加強氣候資料統計分析的能力，氣象資料室再度引進了國產DJS-8系列320型計算機。此后，在北京氣象通信樞紐工程項目——BQS系統中，又引進了專用于大規模科學計算的國產DJS-11系列150型計算機。150機設計峰值速度可達100萬次/秒，具有64K內存，采用晶體管+小規模集成電路。

在BQS系統正式運行前，中央氣象局共擁有四臺電子計算機，分別是：歸屬于氣象資料室的111機、320機，歸屬于氣象研究所的108機，以及歸屬于中央氣象臺的150機。這些國產計算機在當時起到了相當顯著的作用，但由于配置簡單，既無操作系統，更無標準的輸出存儲設備（如磁帶、磁盤等），甚至連鍵盤和終端顯示器都沒有。計算機操作員通過控制面板上的幾排不停閃爍著亮光的開關來操縱計算機的各種運行。而使用者只能以紙帶或卡片的形式將編寫的處理程序（包括數據）通過光電機輸入，運算完畢后再通過寬行打印機將計算結果打印在可連續數十頁甚至上百頁的打印紙上，供使用者分析。此外，這些計算機的數據存儲方式簡單，通用計算機語言亦尚不豐富，甚至連英文字母的計算機16進制碼都尚未統一。

這一階段信息技術在氣象部門的應用，主要集中在解決氣象業務通信問題，主要任務是在有限的時間內將高度分散在全國各地、世界各地氣象情報收集和集中到國省兩級氣象臺，同時下發國省兩級制作的預報指導產品，主要技術手段以電報、電傳、傳真等手工和半自動方式為主。此外，國產晶體管及小規模集成電子計算機也開始在氣候資料的統計分析，以及氣象數值模式的研究試驗中逐漸應用。

二、穩步發展階段（1980年—1990年）

20世紀80年代初，北京氣象通信樞紐工程（BQS系統）正式投入業務使用。該工程在國內首次將計算機處理技術引入通信領域，實現了氣象通信在國家層面的計算機自動化處理。這是一次飛躍性的進步，標志著氣象業務開始從人工作業向著自動化、信息化方向的邁進。以BQS系統為起點，各區域中心及部分省局也逐步開發出了微型計算機轉報系統，以微型計算機替代部分人工作業，為省一級實現通信傳輸自動化打下堅實的基礎。

BQS系統依托于引進的三臺大型機（日立M-160二臺，日立M-170一臺），首次實現了國家級氣象通信的計算機自動化處理，國家級氣象通信業務的所有工作：收報、識別、解譯、編輯、糾錯、轉報、歸檔以及天氣圖的填圖繪制等，全部由計算機軟件予以自動實現，而這些軟件全部由我國氣象部門的技術人員在日本專家的指導下設計、編制完成。

BQS系統的業務應用軟件是我國氣象部門首個成規模的氣象軟件，也是我國氣象部門首次接觸到軟件工程這一概念和方法，為我國氣象部門日后的信息化建設培養了一批理念先進、技術扎實的技術骨干。

由于當時國內高性能計算資源奇缺，BQS系統引進的大型計算機是當時世界上先進的計算機，內存、存儲、輸入輸出設備以及通用計算機語言等配置完整。其中的M-170機在保障天氣預報模式研究的同時，特意騰出一個業務分區，為氣象科研人員以及全國其他一些因缺乏高性能計算資源而慕名前來的部門人員提供高性能運算環境。我國第一代天氣預報準業務模式（A模式）就是在這臺大型機上發育成長的。

作為世界銀行第一期農業貸款的受貸單位之一，當時的國家氣象中心于1984年購買了日本富士通的M-360大型計算機以及相應的配套設備，用于氣象資料的分析處理，并在其上進行了我國第二代天氣預報準業務模式（B模式）的研制和試運行，我國數值天氣預報業務隨之破殼而出。中國氣象科學研究院也利用世界銀行第二期農業貸款，于1986年從法國引進了大型計算機DPS-7，并在其上完成了中尺度模式MM4的引進和試運行。一些國際通用的氣象繪圖軟件（如NCAR繪圖軟件等）也陸續在這些大型機上移植成功，提供使用。

20世紀80年代前期和中期，PC-1500在一些省轄氣象觀測站的普及使用，為臺站觀測數據的處理和編報提供了便捷的手段。PC-1500內置有BASIC解釋語言，并配有精巧的液晶顯示器、鍵盤和窄行針式打印機。一些省局技術人員在其上編制了基于BASIC語言的氣象觀測站數據處理程序，實現了地面和高空常規觀測數據氣象要素的提取、換算以及氣象觀測報文編碼等項工作的半自動化處理。這是信息技術在基層臺站日常業務工作自動化處理的非常有意義的應用嘗試。我國氣象主管職能部門為此曾召開專題研討會，在對其進行相應完善后予以全國范圍內的推廣。由于PC-1500上配有RS232串口，可連接盒式錄音機，為這套軟件的復制和推廣提供了便捷的條件。

同期，氣象科學研究院通過從中科院獲得的五臺不同型號的Cromemco微型計算機，嘗試用BASIC語言編制高空氣象探測信號的全自動化處理軟件，并取得一定經驗。

20世紀80年代后期，以CONVEX-120為代表的“小巨型機”、以DEC-VAX系列為代表的“小型機”以及以IBM-PC為代表的具有工業規范意義的微型計算機逐步進入氣象部門，UNIX和DOS作為通用操作系統開始在氣象部門普及。上至中大規模數值預報模式的研究和試運行，下至省、地、縣局常規氣象數據的分析處理，各種計算機應用在氣象部門全方位展開，相應的各種基于通用操作系統的氣象應用軟件也開始萌芽破土。由于“小巨型機”和“小型機”均可配有磁帶驅動器以及各種當時流行的I/O設備（如3.5英寸軟盤驅動器），而IBM-PC標配有3.5英寸軟盤軟盤驅動器，這為各類氣象軟件和數據的復制、流轉和磁介質保存提供了良好條件。

20世紀80年代，為滿足預報業務需求，我國與發達國家建立起了計算機氣象情報交換關系，借助于“北京氣象通信樞紐工程”進入了國際主干氣象通信網。此外完成了國家中心和區域中心之間的技術升級改造，以完善國內通信系統。與此同時，微型計算機在氣象部門的深度應用開始普及。

三、快速發展階段（1991年—2000年）

20世紀90年代，代號為“9210工程”的“氣象衛星綜合應用業務系統建設項目”是氣象部門繼北京氣象通信樞紐工程之后又一個大型信息系統建設工程，它標志著氣象部門信息化網絡時代的開始。“9210工程”首次將衛星通信引入到氣象通信領域，巧妙地將衛星通信、地面公網和計算機局域網連成一個整體，建成了由1個國家級主站、6個區域級、25個省級、297個地市級雙向數據、話音站、2000多個縣級單向數據接收站組成的覆蓋全國的大型氣象通信網絡系統。該系統由衛星廣域數據網、話音網、數據廣播網、計算機局域網、備份網等構成，首次建成了真正意義上的覆蓋全氣象部門的氣象專網，這為氣象部門整體的信息化聯動奠定了基礎。

“9210工程”在成功建立起全氣象系統的衛星—地面通信網絡的同時，還建立了國、省、地、縣四級氣象數據庫系統，為此引進了當時業界較為著名的Sybase數據庫系統。這是氣象部門首次接觸到業界主流的數據規范化管理、應用的概念、技術及系統。

值得一提的是，與BQS系統類似，“9210工程”通信系統軟件以及配發的數據管理和應用軟件全部由氣象部門獨立設計，采用部門內部大協作方式，集體開發完成。

這段時期，氣象部門先后從美國引進了巨型向量機CRAY/ C92、巨型陣列機IBM-SP和IBMSP2、大型機Cyber-991/992等大規模和超大規模計算機設備，并同期引進了國產巨型機“銀河-I”“銀河-II”及“曙光-100”等國產計算設備，為我國數值天氣預報模式的業務運行構建了較為完備的算力環境，天氣預報開始向著以數值預報為主要手段的方向發展。

新組建不久的國家氣候中心（后并入國家氣象中心）也在積極從事氣候模式的研制、引進、調試和業務化工作，這些工作大部分是在以服務器IBM-59H為主的相對簡陋的計算環境下完成的。

與此同時，微型計算機也開始在氣象部門進一步普及，從一個處室擁有一兩臺微型計算機，到一個科、組擁有一兩臺微型計算機，最后到每個技術人員擁有一臺微型計算機，短短數年內微型計算機在氣象部門迅速普及，氣象部門日常工作的“信息化”程度也迅速提升。此外，微軟Windows圖形界面操作系統以及鼠標隨著微型計算機進入到氣象部門的計算機房乃至辦公室，氣象數據的分析和展示開始向著可視化方向發展。

同樣在上世紀90年代，以“粗纜”和“細纜”為主要形式的辦公室網絡與以同軸電纜為主要形式的通用高帶寬局域網絡開始進入氣象部門。隨后不久，TCP/IP網絡協議，以太網、令牌環、ATM等網絡形式和概念隨著“9210工程”、國家氣候中心籌建、風云系列衛星地面測控系統建設等一系列大型項目和工程建設而進入氣象部門，局域網絡環境迅速形成。技術和科研人員告別了延續十余年的在計算機房集中使用計算資源的“上機”時代，開始在自己的辦公桌上完成所有的業務和科研工作。

也是在這個時期，以ArcGIS和MAPinfo為代表的地理信息系統進入中國大陸并迅速為氣象部門所接受。氣象服務部門和一些專業氣象（如農業氣象、城市氣象等）部門積極應用這些新概念、新技術和新平臺拓展自己的工作領域，豐富自己的工作內容，取得良好成效。同時，伴隨專用于可視化展示和圖形圖像產品制作的專用計算機的出現，一批繪圖軟件也進入用戶視野，其中GrADS以其適用計算機種類廣泛、操作簡單、便于個性化補充完善等特點，受到氣象從業者（尤其是科研人員）的追捧。

這個時期，互聯網首先以電子郵件形式在氣象部門得到應用。相比較紙質信函郵遞，電子郵件大大提高了氣象工作者之間的遠距離通信時效——尤其是越洋跨國通信時效。很快，氣象部門便出現了利用電子郵件成功進行越洋數據傳輸的事例。接著，瀏覽器開始出現并為氣象從業者所青睞，通過瀏覽器搜尋國外各大著名氣象單位網站上的各種信息，下載渴望已久的數據資料和軟件，成為不少氣象工作者上班期間的一項日常工作內容。GrADS繪圖軟件的迅速普及應用，就是這項工作內容的成果之一。由于互聯網上豐富的氣象數據資源，許多原本因缺乏相關數據而無法開展的業務工作因此而得以開展，一些單位甚至將國外網站上所發布的專業氣象數據作為本單位業務的數據來源。

特別提一下，90年代中后期，國家氣象中心依托DEC公司的小型機VAX6320開發出了我國第一套氣象實時資料數據庫，并正式投入運行，為國家級氣象業務單位提供由國際和國內通信系統所獲得的實時氣象資料服務。該數據庫的投入運行，在氣象部門內部首次實現了實時氣象資料數據的計算機專業化管理和共享，并為日后一系列氣象數據庫的建設進行了有益的探索和實踐。

90年代后期，國家氣象中心以引進的IBM Lotus/ Notes為依托，首次在全氣象系統建立起辦公自動化平臺。該平臺以業務單位為節點，覆蓋各級氣象部門，基本達到了受眾范圍橫向到邊、縱向到底的效果，從而使得氣象部門的辦公效率大幅提升。

這段時期，由于“9210工程”、局域網以及計算機的普及，許多因計算資源和通信資源問題而被遲滯的業務工作因之而得以陸續展開，氣象各級部門紛紛自己著手建設或完善領域內的各項業務工作，業務系統建設數量和規模明顯上升。但由于各單位相應技術力量和水平參差不齊，業務系統建設的質量亦出現較明顯的差異。鑒于此，有關職能部門在總結BQS系統和“9210工程”系統建設經驗，并參照當時國家頒布的相關標準規范的基礎上，編制并發布了《氣象信息工程建設規范》和《氣象軟件工程規范》，這是氣象部門業務系統建設和管理規范化的重要標志，也是氣象部門信息化工作開始走向成熟的標志。

由于20世紀90年代一系列大規模信息基礎設施的建設，氣象系統各業務部門終于擺脫了因計算、通信、存儲等IT基礎資源長期短缺所造成的困境，業務創新熱情空前高漲，業務系統建設遍地開花。一批涉及短時臨近預報、干旱預測、臺風、農業氣象等重要業務領域的業務系統，依托國內通信系統、Internet系統、數據庫系統、繪圖系統、地理信息系統等基礎性平臺而逐一建立。各級氣象部門的業務能力因此得以持續快速提升。

20世紀90年代，在網絡技術迅速發展的驅動下，氣象通信實現跨越式發展。預報業務可以及時獲取更多的觀測資料，為天氣預報業務水平走上一個新臺階提供了堅實的基礎。局域網絡的建立，解決了國家級業務單位間的數據傳輸瓶頸。與此同時，由于衛星通信技術的使用，氣象部門建立起了衛星廣播系統，解決了國家級指導產品分發、邊遠臺站數據傳輸問題。尤其是以CRAY、銀河為代表的矢量超級計算機的引進和運行，為數值預報業務的大幅度提升奠定了算力基礎。

四、高速發展階段（2001年—2010年）

進入本世紀，光纖通信技術飛速發展，基于光纖通信技術的國家地面通信公網迅速在全國范圍內實現覆蓋。在此背景下，氣象部門啟動了以地面光纖通信為主干道的全國氣象通信寬帶網建設，并在此基礎上，整合原有的通信資源，采用MSTP和MPSL-VPN技術，最終形成了基于地面光纖通信的國內地面通信寬帶網和基于通信衛星和風云氣象衛星搭載衛星通信資源的衛星通信廣播系統。

至此，困擾了氣象通信領域幾十年的通信能力問題，終于得以解決。

21世紀初，中國氣象局抽調全國各省數值預報業務和科研骨干，成立了“數值預報創新基地”，開始研制國產數值預報模式GRAPS。以此為需求背景，中國氣象局于2004年引進了IBM Cluster 1600高性能計算機系統，2009年引進了國產高性能計算機神威4000A系統，2012年引進了IBM Flex System P460高性能計算機系統。

21世紀初的十年是氣象軟件高速發展的十年，除風云系列國產氣象衛星地面接收系統及相應的遠程數據傳輸系統外，國家級氣象資料存儲管理系統、新一代國內通信系統、衛星視頻會商系統等一批基礎性工程陸續展開并完成。其中，國家級氣象資料存儲管理系統（MDSS）首次在國家級層面上實現了除衛星資料外所有實時和歷史氣象資料的統一規范化管理、服務。該系統首次應用商用關系型數據庫實現了結構化氣象資料的規范化管理，實現了結構化、非結構化氣象數據的一體化管理，實現了熱、溫、冷氣象數據的動態遷移和回遷，實現了氣象數據的規范化對外服務。

此后，以“新一代天氣雷達資料共享”項目為依托，中國氣象局開始在國省兩級逐步推進氣象數據的規范化管理和應用。氣象大數據云平臺“天擎”的前身CIMISS系統，便是聚國省兩級氣象IT人員之力，耗時數年而開發出來的一個綜合性的、適用于國省兩級氣象部門的氣象數據規范化綜合管理系統。

在這一階段，氣象信息技術發生了前所未有的變革，進入高性能計算、數據庫、地理信息、多媒體等技術的應用時代，氣象通信、模式計算、數據管理與服務、預警信息發布等業務的支撐技術手段發生了很大的變化。

五、高質量發展階段（2011年至今）

Google在2006年全球搜索引擎大會首次提出“云計算”（Cloud Computing）的概念。云計算是信息技術發展到一定高度的新的IT運作模式，其精髓是利用有效的技術組合，最大限度地提高基礎設施、平臺和軟件的使用效率，豐富和強化服務端的各種能力，大幅弱化用戶端的環境需求，從而徹底降低信息化工作的準入門檻，釋放社會、行業、部門和單位內因代價高昂而被長期束縛的信息化潛能。

云計算理念、方法在氣象部門的適度引入和有效普及應用，將極大地簡化基層氣象單位的業務工作環境，真正實現資源的優化組合和專業化業務布局，完成氣象部門信息系統架構的最優化調整和合理配置；降低創造性工作和日常信息化工作的初期成本和過程成本。

2012年前后，國家氣象信息中心以及部分省局信息中心開始嘗試運用虛擬化技術，搭建本中心的云計算資源環境。與此同時，原本歸屬于各單位的計算機物理資源逐漸向云計算環境匯聚，云計算環境對計算機物理資源高效利用的價值逐漸顯現，計算機物理資源的優化整合工作在不知不覺中悄然展開，這也在無形中逐漸帶動了數據流程、業務流程乃至業務系統的優化整合。評價一個業務系統的優劣，已不再單純考察其是否具備業務功能和能力，效率、效益和效能等考察視角和指標開始逐漸進入到評價體系之中。

與此同時，“大數據”概念在氣象部門迅速得以重視，使得人們開始關注氣象數據資源的充分利用以及數據價值的充分挖掘，而這一切的前提是數據資源的充分整合。于是，依托于大型信息化工程建設項目，以“天擎”為代表的大數據云平臺開發完成并在國、省兩級部署，原本散落在各級氣象部門各個單位的氣象數據開始向國、省兩級大數據云平臺聚攏，氣象數據資源的整合初見成效。

云計算、大數據的引入和應用，推動著氣象部門業務系統和業務體系走上強身健體、健康發展的道路。

這段時期，大型/超大型工程建設已逐漸淡出人們的關注視野，功能的多寡、領域的變化不再是能力的唯一評判標準，“如何做得更好”成為了越來越多氣象從業者經常思考的問題。效率、效益和效能開始逐漸為各級決策者們評價工作成果的衡量標尺。氣象部門的工作重心開始逐漸從“做大氣象”轉向了“做強氣象”。

六、展望

當前，大模型和人工智能（AI）迅速崛起。從全球范圍看，一些國家的氣象部門紛紛將人工智能引入天氣預報甚至氣候預測的領域。一些樂觀的氣象IT界人士認為，如果說此前信息技術在氣象部門的運用多是在器械和工具等輔助層面，對氣象科學的發展沒有直接影響，那么此次AI在氣象預報領域的應用，有可能使這一局面得到根本性的改變。也有一些態度審慎者則認為，不宜過度夸大AI在氣象部門的能力和作用，因為即便經過數年炒作，其在創造經濟價值方面并不比其他信息技術表現得更好。

不管怎樣，對于氣象部門而言，只要能夠對預報準確率有提升，哪怕提升幅度并不很大，相應的工作也是有價值的。因此中國氣象局對引進AI持積極態度，無疑是富有建設性的。同時，如何跨越“AI鴻溝”，讓真實可信的AI服務于我國氣象事業，是目前氣象IT界有關人士需要靜下心來認真深入思考的問題。

此外，氣象數據建設是值得關注的話題之一。因為無論未來如何變化，離開了氣象數據的不斷建設，氣象學科、氣象業務的發展都將失去最根本的保障。這里所說的“建設”包括：氣象數據的質量建設、完備性建設、標準化建設、應用能力建設等，這是一個艱巨而又漫長的過程。

注：國家一級氣象部門自新中國成立以來一共更換了三次名稱：1950年—1954年為中央軍委氣象局，1954年—1982年為中央氣象局，1982年—1993年為國家氣象局，1994年至今為中國氣象局。