“互联网+智慧气象”众创平台架构设计

王兴 卞浩瑄 曾康 王晖

摘要：随着我国社会气象服务事业和商业气象服务市场的不断发展，“互联网+气象+专业服务”的模式愈发受到气象敏感行业和市场的关注。对我国气象服务现状做了简要分析，提出构建智慧气象业务与服务众创平台，着重阐述了“互联网+”背景下智慧气象服务众创平台的总体架构和功能结构，总结了众创平台的应用场景和应用价值。

关键词：“互联网+”；智慧气象；众创；气象服务；气象业务

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2019）23-59-3

0引言

随着“互联网+”[1-2]与传统行业不断融合和创新，“互联网+气象”专业服务模式的研究愈发受到各行业专家和研究人员的重视。联合国减灾办公室指出，在过去的二十年，因气象灾害造成的经济损失高达数万亿美元[3]。全球气候变化也正在加大极端天气事件发生的概率和影响程度，气象和气候灾害仍将持续影响社会的发展[4]。德国经济学家弗里德黑姆·施瓦茨（Friedhelm Schwarz）在其报告中指出，天气在80%的世界经济活动中起着关键性作用[5]。

随着全球经济一体化和我国全面深化改革进程的不断推进，结合人工智能、大数据等技术构建“互联网+”背景下智慧气象服务[6]，已然成为气象行业重点发展的目标和方向。近十年来，我国气象核心业务的技术水平和服务能力已取得长足进步[7]，但公众和各个气象敏感行业对气象服务能力的期望与要求也越来越高，主要是因为气象服务模式及服务能力的提升跟不上社会发展的节奏。与一些发达国家相比，我国气象软实力不强、科技支撑能力不够、服务创新性不足等问题依然突出[8]。当前，“互联网+智慧气象”服务仍有相当巨大的发展空间，而要加速发展就需要突破现有的一些困难和瓶颈。

1众创平台建构的意义

2019年上半年的气象标准化工作报告中指出，我国气象业务部门长期业务化应用的气象观测设备品牌和型号种类繁多，数据格式、技术规范不统一，如不同型号的雷达往往造成拼图产品存在失真，进而影响后续雷达预报等业务的准确性。智慧气象业务与服务众创平台（气象众创平台）设计并构建一套规范化的数据流和中间件，并通过API的方式向用户提供访问权限可控、可监管的应用程序编程接口。

气象众创平台将整合气象算法的程序资源，如各类报文的解码、译码、气象观测资料的质量控制、天气雷达和气象卫星等探测资料的预处理、常用数值天气模式、海洋模式和环境模式的运行维护及产品输出等，减少程序重复编写所耗费的时间和人力投入，同时提供新算法可迭代更新的算法云服务。

气象众创平台的应用能够极大降低气象关键技术研发的门槛，最大化赋能个人或初创企业。他们只需将精力专注于如何改善预报预测的空间分辨率、预报的时效性和准确率以及各类气象敏感行业对于气象新产品的需求，而不必再从各类气象观测数据的获取、解码、译码和预处理等基础工作做起，极大地提高了新产品研发和测试的效率。

2气象众创平台的架构设计

2.1平台总体架构

气象众创平台的建设是一项集气象计算环境基础搭建、气象关键技术研发和智慧气象服务推广于一体的系统性工程。在核心技术层面，平台建设重点统合全球多源气象大数据资源，加强气象关键技术科研转化力度，突出气象服务和专业化、精细化产品的众创、共享。在功能方面，除了整合天气数值预报、短时临近预报及灾害性天气预报等一批现代气象服务关键技术外，还涉及众多IT前沿高新技术，如分布式与并行架构、异构计算、多源气象资料大数据挖掘、人工智能识别、云计算、图形图像处理、数模构建及互联网技术等。平台建成后可实现统一的气象数据应用、气象科学技术成果转化、气象服务众创、成果共享以及智能服务。

2.2平台功能结构

气象众创平台的功能结构如图1所示，主要包括多源气象资料融合处理、数值模式、天气监测预报、环境监测预报、海洋监测预报以及系统监控管理等系统层级部件。

多源氣象资料融合处理模块主要负责气象数据的标准化处理、多源气象资料质量控制以及资料的融合和网格化处理。其中，数据标准化处理包括数据采集与监控、数据接收通知、缺失告警、人工补正、数据前处理、格式转换及数据解析入库等功能。数据存储与分发支持并行或分布式文件系统，数据并发访问支持高吞吐量、高容错的性能要求。

数值模式模块主要负责业务上常用的资料同化、天气模式、海洋模式、模式产品释用等业务功能的部署和基本参数优化，利用虚拟化技术实现数值模式的柔性副本，用户通过本平台的API灵活配置，搭建满足个性化需求的数值模式输入资料、模式参数、计算处理过程以及输出产品，且各个副本之间相互独立，可极大降低普通用户对于数值模式软件系统运维的时间成本和复杂性。

天气监测预报模块由灾害性天气智能识别、预警、定量降水预报、台风监测预报和精细化要素预报等核心业务功能组成。灾害性天气智能识别和预警主要利用天气雷达等探测资料，以该专业领域主流算法和理论为支撑，研发更先进的灾害性天气智能识别预警算法模型，提高判别龙卷、中气旋、冰雹、雷暴、强对流大风和下击暴流等灾害性天气现象的时效性和准确性，为智慧气象、民用航空气象和农业气象等应用领域提供初级产品，平台用户可在此基础上研发更加丰富、更加精细化和个性化的预报预警产品。

环境监测预报模块主要由空气质量监测、大气成分分析、空气质量预报、预报结果检验和大气污染物预警等核心业务功能模块组成。利用激光雷达等设备对空气质量进行实时监测和分析，并提供精细、准确的空气质量监测数据和空气质量变化趋势。

海洋监测预报模块主要由海洋要素预报、海洋短期天气预报、近海风能指数和海洋预报检验等核心业务功能组成。根据大气科学、海洋科学相关理论和前期成果，研发相关的算法模型对近海地区未来的天气做出分析和预测，并在此基础上采用卡尔曼滤波释用（KLM）、最优集成预报（OCF）及模式输出统计（MOS）等技术方法进行客观化预报产品释用，并实现浪、潮、涌和洋流等海洋要素的预报。

系统监控管理模块负责对该平台的业务运行状况、作业调度情况、系统运行状况等进行实时监控和管理，并对平台的用户信息、角色信息、权限配置、日志管理和产品配置等进行统一管理和维护。

3应用

众创平台的用户包括2类，一类是直接用户，根据平台赋予的权限，能够访问平台提供的产品及应用服务；另一类是依托众创平台进行二次研发的用户，他们能够自主开发精细化的气象要素预报业务系统，如实现基于气象云的格点预报和实时订正，实现基于多维度的以格点、站点预报数据的处理和共享，实现气象数据及产品更新的一体化、全要素、全时序及多级协同预报服务流程，进而达到气象预报专业技术能力相互促进提升与成果共享的目标。

气象业务人员通过该平台成功注册并获取某些功能模块的使用授权后，便能访问相应的产品，产品的形式包括平台生成的气象数据、图表以及基于Web的软件系统，同时可检索或下载感兴趣的产品。

对于科研人员，他们不仅能够访问权限内的平台产品，还能在平台上编写自己的算法程序，平台通过虚拟化技术，实现不同用户平台的硬盘存储空间、CPU、内存等硬件资源相互独立和隔离，既有效保护每位用户的知识产权，又利于平台硬件资源的合理分配和监控。

直接用户中还有一类属于高级用户，他们的真实身份可以是有气象理论知识和软件开发经验的个人，也可以是其他软件公司、科研院所或气象业务部门的工作人员，他们可基于平台的各个功能、模块和子系统，“继承式”地定制开发满足个性化需求的软件功能、软件模块或软件子系统，实现基于该平台的二次开发，二次开发的产品可为气象业务部门、民航气象部门、新能源气象部门及各个气象敏感行业提供服务。例如，在智慧农业气象服务方面，依托众创平台，开发人员可进一步开发格点化农业气象灾害预报、农用天气预报等功能模块，为春玉米、冬小麦、水稻等作物生长状况提供更加精细化、客观化的气象服务。

众创平台的用户可以灵活选择是否将二级开发的源代码、算法程序或产品进行公开和分享，成果分享支持有偿和无偿的方式，对于有偿分享，其他用户通过付费使用，其所产生的收益将反馈给分享的用户。

4结束语

“互联网+”背景下的智慧气象业务与服务众创平台，能够降低气象关键技术研发的门槛，提高新产品研发和测试的效率，实现气象关键技术研发的众创，打造气象API共享经济，并且整合气象基础算法和产品，让用户致力于面向防灾减灾和民生需求，以发展高影响天气预报和风险预警为目标，将研发重心专注于市场各个气象敏感行业的需求以及新技术的研发，跟进社会发展及各个行业对气象服务的更高要求。

参考文献

[1]张周平.解讀《2019年两会总理政府工作报告》[J].计算机与网络，2019，45（6）：6-7.

[2]赵辉.国务院印发纲领性文件互联网如何赋能教育[J].计算机与网络，2019，45（14）：14.

[3] McBean G，Ajibade I.Climate Change， Related Hazards and Human Settlements[J].Current Opinion in Environmental Sustainability，2009，1（2）：179-186.

[4]刘甜，方建，马恒，等.全球陆地气候气象及水文灾害死亡人口时空格局及影响因素分析（1965-2016年）[J].自然灾害学报，2019，28（3）：8-16.

[5] Friedhelm Schwarz.气候经济学：影响全球80%经济活动的决定性因素[M].台湾：脸谱出版社，2012.

[6]赵炳义.高德联手中国气象局助力雨天安全出行[J].计算机与网络，2018，44（13）：35.

[7]李湘，郭利.气象通信系统发展历程[J].气象科技进展，2018，8（1）：44-45.

[8]佚名.全国气象发展“十三五”规划[N].中国气象报，2016-11-30.