互联网+背景下智慧气象业务与服务众创架构研究*

王兴 周娟 卞浩瑄 曾康

(1.南京信息工程大学大气与环境实验教学中心，江苏 南京 210044;2.杭州市气象台，浙江 杭州 310017；3.南京信息工程大学马克思主义学院，江苏 南京 210044)

0 引 言

随着“互联网+”与传统行业不断的融合、创新，有关“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。众所周知，气象灾害是严重影响人类生产活动甚至生存的重要因素之一。联合国减灾办公室(UNISDR)指出，在过去的20 a间，因气象灾害造成的经济损失高达数万亿美元，因强对流引发的灾害性天气造成的破坏程度较上十年有较大幅度的上升[1]。同时，全球气候变化也正在加大极端天气事件的发生概率和影响程度，气象和气候灾害仍将持续地影响社会的发展[2]。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到关键性作用[3]。

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，已然成为气象行业重点发展的目标和方向。近10 a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[4,5]，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。这主要是因为气象服务模式及服务能力提升的进程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[6,7]。

世界银行(World Bank)2017年召开的国际气象信息服务与全球经济发展论坛报告指出：未来10 a全球气象经济将会增长10倍。经济学界“德尔菲气象定律”指出，商业气象服务的投资回报率高达1:98。据国家气象局和国家统计局联合统计公报指出，仅我国气象部门提供的气象服务，每年在国家社会经济方面创造的价值近3328亿人民币，投资回报率约为1:69[8,9]。未来中国按需定制商业气象服务的价值超过2000亿元。可见，互联网+背景下的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 气象服务存在问题浅析

当前，我国专业气象服务的技术能力和产品精细化程度，特别是互联网+背景下的智慧气象服务，与国外发达国家相比仍有一定的差距，这主要受限于3方面的原因。

1)气象关键技术及业务系统建设步伐很快，气象标准化工作任重道远

为了加快气象关键技术与服务能力的建设，长期以来国家每年投入大量资金用于国家级、区域级和省市级气象业务系统和关键技术的研发，形成了一批卓有成效的业务系统和服务体系。但由于天气系统具有局地性特征，各个省市地方的气象业务系统研发过程相对独立，气象资料解码、译码、质量控制和高性能存储等业务存在重复建设，且数据格式不完全统一，给气象数据、产品的共享共用带来极大困难。而基于开源的统一开发平台、代码管理平台、产品共享与分发接口等建设工作，其统筹难度大，研发门槛高。由于气象数据种类繁多且气象观测技术、手段不断更新，同时，各级气象部门都在积极研发适用于当地的精细化气象业务系统和产品，用以努力提升服务能力和质量，因此，给上下“一盘棋”、数据“一张网”的气象标准化工作带来极大挑战。

2)科研院所学术理论创新性强，成果转化能力仍待提升

大气科学类专业高校和科研院所长期以来是相关学术理论研究的前沿阵地，积累了丰富的具有创新性和应用价值的学术成果，但这些成果大多偏重理论，而缺少实践检验和规模化应用，往往出现企业找不到解决关键技术问题的途径，而且学术成果难以在企业实施成果转化和商用。更重要的是，高校和科研院所可用的气象初级产品数据相对单一，对市场技术需求认识相对不足。

3)商业气象服务市场需求旺盛，科技和服务能力须齐头并进

随着互联网经济与人工智能技术的发展，专业气象服务能力与日益增长的商业需求、社会需求之间的不适应性越发突显，尤其是天气预报和气候预测的时效性、准确性和精细化程度依然不能满足社会和气象敏感行业的需求，个性化气象服务产品还不够丰富，且核心技术的水平与世界先进水平之间仍有较大差距[10]。

2 众创平台建构的意义

1)标准化数据和数据访问接口，实现气象关键技术研发的众创

2019年5月，中国气象局于新文副局长在第二次全国气象标准化工作会议中指出，当前国内气象业务部门长期业务化应用的天气雷达超过4家不同厂商，其数据格式、技术规范均不统一，往往造成雷达拼图等产品存在失真，进而影响到后续雷达预报等业务的准确性。类似的问题在加密自动气象站、气象卫星、风廓线仪等观测或探测资料中同样存在。为了在一定程度上实现数据的标准化，智慧气象业务与服务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。

一般用户而言，众创平台就是一系列兼具灵活性和高可用性的编程接口，通过这些接口实现各自的数据访问、初级功能调用，以及二级开发成果的提交、调试，最终实现算法、软件、服务的交付，输出和交换个性化产品，进而形成众创架构的气象共享服务和经济模式。事实上，类似的模式在国内并不罕见，例如，阿里云通过开放API，实现云服务、云资料、云计算的轻客户端远程管理；再如，百度通过开放API向全球的ISV提供接口服务，拓宽产业链的服务方式和服务内容，实现跨境、跨电商、跨企业、跨服务以及新技术的共创共建共赢。

2)整合气象基础算法和产品，众创新技术、新方法和新产品

智慧气象业务与服务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。算法云将面向有算法需求的各界人士，特别是气象及相关领域的研究人员、专家、教师和学生，提供可视化的算法应用。整合气象数据与用户数据、线上计算和存储资源，使用户无需编程即可完成计算。同时，计算结果也提供下载和图形处理等相关功能，实现用户从数据获取、在线计算、图形图像产品生成的一站式服务。

3)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

由于天气系统的复杂性，对于天气预报、预警和气候预测的每一点改进，都需要大量的理论基础、专业技术和业务应用实践，以及经验丰富的专业研发团队作为支撑，并为之付出巨大努力。而对于气象领域的初创公司或个人而言，既不掌握海量气象数据，也不掌握高级技术，往往连信息触达渠道都没有，即便他们有一些新的创意和好的想法，也很难付诸实践，形成能被社会认同或具有市场价值的产品。智慧气象业务与服务众创平台的应用，能够极大地降低气象关键技术研发的门槛，最大化地附能个人或初创企业。他们只需将研发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、预处理等基础工作做起，极大提高了新产品研发和测试的效率。

3 众创平台的架构设计

3.1 平台总体架构

智慧气象业务与服务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资料大数据资源，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、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、共享以及智能服务。

创新开发个人、团队、公司和气象相关机构等可作为平台的用户，依托众创平台进行众创开发，他们将不必再为各类气象资料的获取、解码、译码、预处理、质量控制、数据存储管理、数据更新、数值模式运维、初级产品加工等基础性和通用性工作花费大量时间精力和人力成本，他们可专注和致力于面向精细化气象预报、风险预警和气象防灾减灾等二次产品的研发，进一步完善农业与生态气象、环境气象、海洋气象、航空气象、水文气象等专业气象业务技术体系，提高整个气象服务软件系统的耦合度，降低新产品、新服务研发推广应用的成本和时间周期，拓展和规范专业气象业务服务产品，延长预报时效，提升服务的智能化水平。

3.2 平台功能结构

如图1所示，智慧气象业务与服务众创平台主要包括多源气象资料综合处理、数值模式、天气监测预报预警、环境监测预报预警、海洋监测预报预警以及业务监控管理和平台管理等系统层级部件构成。

整个平台的数据包含美国和欧洲的全球数值模式，国家局的卫星、数值模式数据，地方气象局的自动站、雷达等观探测数据，区域中尺度模式及航空、海洋等行业数据。多源气象资料综合处理系统通过多种方式采集并存储这些气象资料，并进行数据标准化、质量控制、资料融合等处理。大数据管理层通过采用合适的分布式或并行算法实现海量气象数据的计算和存储。核心业务层包括数值模式，天气监测预报预警，环境监测预报预警，海洋监测预报预警等5个主要系统，采用中间件技术和插件式运维管理，随着业务功能和服务内容的不断扩展，这些系统层级功能部件还将不断增加和完善。

1)多源气象资料综合处理系统

该系统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处理。其中，气象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、数据解析入库、气象要素文件生成、数据库存储管理以及权限可控的数据访问、数据分发和相应管理功能等。数据存储管理支持并行文件系统或分布式文件系统，数据并发访问支持高吞吐量、高容错的性能要求。质量控制主要针对地面观测、探空、天气雷达和气象卫星等多种资料，分别进行严密的质量控制检查，精准剔除无效报文和可疑报文，为后续各类天气预报预警业务提供准确可靠的基础观料，进而提高预报、预警的准确率。

图1 智慧气象业务与服务众创平台总体架构图

2)数值模式系统

数值模式系统主要负责业务上常用的几种数值模式和资料同化系统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。

3)天气监测预报预警系统

天气监测预报预警系统由灾害性天气智能识别、预警、定量降水预报、台风监测预报预警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、智能预警利用天气雷达等非常规资料，在该专业领域主流算法和理论基础上，研发更先进的灾害性天气智能识别预警算法模型，提高对龙卷、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准确判别的时效性和准确性，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、个性化的预报预警产品。定量降水预报利用天气雷达探测资料，采用交叉相关分析、光流法以及人工智能相关技术，研发新一代的短临降水预报算法模型，将0～1 h降水预报的成功指标再提升5%～10%。采用Blending融合技术，结合对数值预报的改进，将1～3 h，3～12 h的降水预报准确率进一步提升4%～8%。台风监测预报预警利用气象卫星等资料实现对台风中心的自动识别、台风定位、定强分析、台风发展路径分析、台风中心位置外推预报等功能。精细化气象要素预报则是利用INCA和WRF等数值模式产品，结合雷达、地面观测及其他气象数据，研发新一代的数据融合算法模型，实现精细化气象要素预报。

4)环境监测预报预警系统

环境监测预报预警系统主要由空气质量监测分析、空气质量预报、预报实时检验分析和大气污染物智能预警等几个核心业务功能模块组成。利用激光雷达等设备对霾和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以及霾和空气质量的变化趋势。部署WRF-Chem区域大气动力-化学耦合模式，输出精细化的AQI、PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2和CO等环境预报场产品。同时，研发空气质量预报的检验分析算法模型，对众创平台预报出的空气质量产品进行客观实时的检验，以辅助数值模式参数的优化和改进，提高预报的准确性。

5)海洋监测预报预警系统

海洋监测预报预警系统主要由海洋要素预报、海洋短期天气预报、近海风能指数预报和海洋气象要素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作出分析和预测，并在此基础上采用卡尔曼滤波释用(KLM)、最优集成预报(OCF)技术、模式输出统计(MOS)方法、完全预报(PP)方法、动力相似预报法、人工神经网络建模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，以及海上大风、冰雹、短时强降水、雷电等强对流潜势概率预报，提供更为准确的客观要素预报结果。

6)平台基础支撑系统

平台基础支撑系统主要包括业务监控管理和平台管理，主要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，对平台的用户信息、角色信息、权限配置、日志管理、产品配置等进行统一管理和维护。

3.3 平台数据流与业务流

众创平台的用户包括两个层级。一级是直接用户，根据平台赋予的权限，他们能够访问各个系统、子系统和功能模块的产品及应用服务。举例来说，某气象业务人员，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(浏览器)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以内的平台产品，还能在此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，有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，他们可基于本平台的各个功能、模块、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。

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。

3.4 众创平台应用场景展望示例

具备气象学相关理论的用户或组织机构，依托众创平台可自主开发或在现有气象预报业务系统基础上升级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、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。

在智慧农业气象服务方面，依托众创平台，用户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。再如，众创用户通过此平台提供的API和产品，进一步结合高分辨率数值天气预报模式、大气环流模式GCM、气象要素客观预报模型、地面遥感信息与常规气象观测资料的果园区气象预报预警模型，可构建覆盖大范围地区甚至全国范围的精细化果林农业气象综合信息服务平台，提供包括各规划园区的历史农业气象条件分析查询,种植园区温、湿、风、天气现象等短、中期精细化天气预报及短期气候预测,冰冻、干旱、积涝、强降水、冰雹、台风等灾害性天气预警预报在内的专业气象服务，为果园选址、果蔬种植、培育计划等提供科学指导和决策支持。

4 结 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(包括创新开发个人、团队、公司和气象相关机构等)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，进一步完善农业气象、生态气象、环境气象、海洋气象、航空气象、水文气象等专业气象业务技术体系，拓展和规范专业气象业务服务产品，延长预报时效，提高业务平台智能化水平，以及短临预报、中长期预报和气候预测的精细化程度与预报的准确率，跟进社会发展及各个行业对气象服务的更高要求。

综上所述，“智慧气象”作为当前该行业高层次的发展目标，“互联网+气象+专业服务”模式必将得到更深、更广的发展。打造智慧气象业务与服务众创平台，并在此基础上实现气象关键技术与服务众创，产品与社会效益共享，极大地提升专业气象服务在各行各业的综合能力。