气象卫星应用效益评估方法及其应用

王富 陆其峰 于天雷

(中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室,国家卫星气象中心，北京 100081)

引言

气象卫星应用效益评估是国家公共资源配置决策的基本依据，也是气象卫星系统提高应用效能和提升服务能力的重要评价手段，一直受到各国政府和国际机构的重视[1-2]。经过60年的发展，气象卫星探测的全球大气和地表信息已在数值天气预报、短临天气预报、短期气候预测和全球气候变化研究等气象领域应用中取得了显著成效[3-5]。20世纪60年代就有研究指出气象卫星有望带来巨大的潜在效益[6-7]。近年来，随着航天遥感技术的进步和人类可持续发展需求的牵引，气象卫星在防灾减灾、重大服务保障、农业气象、交通气象等领域发挥了越来越重要的作用[8-9]。世界气象组织(WMO)、世界银行(WB)、全球气候观测系统(GCOS)、欧盟、美国、俄罗斯、瑞士等都在其公布的气象服务效益评估报告(或研究)中强调了气象卫星的贡献[10-19]。但由于气象卫星应用产生的效益通常体现为所服务行业的产值增量或辅助行业用户决策所产生的收益[1]，客观上增加了效益评估的难度，这也是至今未能形成国际上公认的评估方法的重要原因之一[2]。随着全球各大气象卫星系统进入高质量发展阶段，气象卫星应用效益评估工作也越来越受到各国重视。国际气象卫星协调组织(CGMS)更通过设立工作组，将气象卫星应用效益评估方法列为专题进行研讨[2]。

中国学术界开展气象服务和卫星产业的效益评估工作时间相对较早[20-26]，但针对气象卫星应用效益的研究较少，尤其缺乏系统性的研究。因此，开展中国气象卫星应用效益评估工作，一方面需要借鉴国内气象服务和卫星产业效益评估，另一方面需要学习国外气象卫星评估方法框架。这是个涉及卫星遥感、航天技术、气象学和经济学的多学科交叉问题，文中如有不当之处，敬请读者指正。

1 气象卫星应用效益评估方法框架

气象卫星应用效益包含国民经济各行业及个人用户因气象卫星发展和应用而增加的效益总和。前文提到气象卫星应用主要包括2类，一类通过气象服务间接应用气象卫星数据，另一类则是直接应用卫星数据。为了使得总体效益评估尽可能覆盖所有用户的应用效益，将气象卫星应用的总体效益分为间接通过气象服务于用户所产生的效益，以及直接服务于用户产生的效益两部分。有研究特别强调气象卫星直接应用效益部分应参考气象服务效益评估方法进行定量评估，同时考虑到在生态文明和国际影响力提升等方面气象卫星应用释放出的无形效益，也应适当保留定性描述的效益评估[2]。本文依据以上研究成果，尝试提出了适合中国的气象卫星应用效益评估框架(图1)。假设气象卫星的成本效益公式为：

图1 气象卫星应用效益评估框架

(1)

其中，B表示成本效益比，C为气象卫星系统整体成本，Eα为通过气象服务产生的效益。Eβ和Eδ为直接服务用户产生的效益，其中，Eβ为定量评估效益，Eδ为定性描述部分。则Eα，Eβ可展开如下：

(2)

(3)

其中，Eαi表示第i类用户从气象服务所获得的效益，η为气象卫星应用在气象服务中的贡献率，Eβ i表示第i类用户应用气象卫星数据产生的效益。

气象卫星应用的总体效益分为2大部分，第1部分先估算气象服务效益，进而计算其中气象卫星应用的贡献，第2部分直接定量和定性评估气象卫星直接应用的效益。

2 气象卫星应用效益评估

2.1 气象服务中气象卫星应用的效益评估

由于早期气象服务相对廉价，效益评估研究主要通过定性描述其经济效益[27-30]。而随着气象卫星和高性能计算机等的出现，气象基础设施的建设和维持费用快速增长，气象部门开始引入社会学和经济学方法定量评估气象服务效益[31-35]，作为争取政府预算的重要依据。WMO一直是全球气象服务效益评估的重要推动者，在其发布的官方报告中明确将气象服务用户分为行业气象用户和公众气象用户2类，前者又细分为经济行业、公共安全、自然资源等3大类15个气象敏感行业，后者包括个人、家庭和各类政府和非政府组织[30]。WMO基本气象系统委员(CBS)根据上述分法估算认为气象服务的整体经济效益约占到国民经济总值的0.5%[36]。近期一些研究用倒推法和蒙特卡洛模拟估算气象服务敏感的国民生产总值(GDP)占比。这些研究认为美国20%～33%的GDP为气象敏感[36-37]，每年受益于气象服务的GDP占1%～5%[38]；欧盟国家约1/3 GDP为气象敏感，每年受益于气象服务的GDP占0.25%～2%[39]。中国的气象服务效益研究略有不同，通常分为公众气象服务和行业气象服务分别进行评估。其中，公众气象服务采取支付意愿法、影子价格法、节省费用法以及公众期望值等方法[40-41]，由中国气象局委托第三方机构承担全国性评估[42]；行业气象服务则采取全行业专家调查评估的方法，表1中17个气象敏感行业的气象服务贡献率[20,41]中，贡献率最低的教育行业占比为0.56%，最高的公共管理与社会组织行业在2006年达到7.07%。通过比较不同省和不同行业的气象服务效益研究结果可以发现其中存在较为明显的差异[43-48]。

表1 2006年中国行业气象服务效益调查评估统计表***

气象卫星对气象服务中的贡献率主要由全球卫星系统运行管理机构通过评估其对数值天气预报等核心服务的贡献得到。欧洲气象卫星应用组织(EUMETSAT)利用观测实验系统(OSE)系统估算卫星资料在数值天气预报模式中的贡献，研究认为减少极轨卫星资料将使数值天气预报预测能力降低15%～20%，而卫星资料对数值天气预报等气象服务的贡献占比约为8%[39]。美国国家大气与海洋局(NOAA)采取整体估计与蒙特卡洛随机模拟相结合的方法，认为天气预报对气象敏感GDP的贡献率为35%～42%，其中极轨气象卫星资料的贡献占比约为9%～12%[38]。中国评估报告则认为气象卫星的贡献率约为9%[49]。

2.2 气象卫星直接应用效益评估

早期，卫星应用效益评估的主要是航天领域高新技术向民用技术转化推动国民经济发展的效益，通常基于投入产出模型[23-26,50]。卫星系统运行管理机构通常会定期发布卫星应用效益评估报告。例如，美国国家航空航天局(NASA)每年发布效益评估报告，其中涉及具体行业应用效益评估的数据通常由行业用户提供。NASA在“2015年卫星效益评估报告”中引用了美国环保署(EPA)数据，认为卫星资料通过改善空气质量标准系统(NAAQS)产生效益约为29至59亿美元[51-52]。也有卫星系统运行管理机构采取更为直接的名义价格计算方法，如美国地质调查局(USGS)以陆地卫星(Landsat)数据在数据免费政策执行前的价格作为名义价格，简单乘以总体数据下载量来估算其应用效益[53]。CGMS工作组以加拿大海冰监测为例提出了具体经济效益计算方法，即将由于应用气象卫星数据节省的购买海冰监测服务、海岸警卫队等支出，以及增设航道的商业利润作为其经济效益[2]。中国的相关研究认为气象卫星应用覆盖的行业包括气象防灾减灾、农业、生态环境等[49,56]，而其应用领域仍在不断拓展。作为卫星系统运行管理机构的中国气象局国家卫星气象中心建立了气象卫星数据服务年报制度[54,55]，通过邀请用户参与问卷调查的方式进行行业应用效益评估。

定性评价方法则被应用到更多无法定量评估的领域。比如，定性描述气象卫星通过监测降水、海冰、雪、地表温度、大气成分、火点、烟尘、浮油、气溶胶和云等大气和陆地要素等产生的相应经济社会效益。尤其是生命安全、国防安全、气候监测预测、空气质量和海洋预报、生态环境监测、空间天气等难以量化评估的应用领域[38-39]。一些卫星系统运行管理机构发布的报告中也有采用定性评价卫星数据资料在地震滑坡制图、鸟类保护、农业、森林火灾、水资源等领域应用效益的初步结论[56]。

3 气象卫星应用效益比较与分析

中国气象卫星应用效益评估框架(图1)包括气象服务中的气象卫星应用贡献和直接应用气象卫星数据两部分，而气象服务又分为公众气象服务和行业气象服务两部分[20,40]。利用支付意愿法估算中国2006年公众气象服务效益为至少536亿元[20]，假设2006—2012年公众气象服务效益增速为线性且与GDP增速相同，则可估算得到2012年公众气象服务效益至少为960.1亿元，按贡献率9%估算气象卫星应用贡献的效益值约为86.4亿元。行业气象服务部分，利用表1中的贡献率和国家统计局公布的2012年国民经济行业产值，则可估算得到2012年行业气象服务效益达到8446.9亿元，按贡献率9%估算气象卫星效益，约为760.2亿元。综合以上两者，可得气象服务中气象卫星应用的总效益约为846.6亿元(表2)。此外，利用Delphi法得到2001—2012年气象卫星应用在气象服务中的总体效益为2510亿元[49]，仍假设效益增速与GDP增速一致，则2012年气象服务中气象卫星应用的效益至少为335.9亿元。长时间序列的总体效益倾向于保守估计，采用贡献率估算更接近可能值。此外，由于缺少2006年以后全国行业气象服务效益评估的统计结果，本文仍沿用2006年研究成果。鉴于全球气候变化等因素影响和行业气象服务能力的提升，采用2006年研究成果可能低估实际效益。

表2 2012年气象服务中气象卫星应用的效益 亿元

EUMETSAT估算认为2012年欧盟公众气象服务效益(公共服务效益)最小值为13亿欧元，最大值达55亿欧元，约合106.3～449.7亿人民币，而行业气象服务(经济行业效益)为100～410亿欧元，约合817.7～3352.6亿人民币[39]，总计924.0～3802.3亿人民币(欧元兑人民币汇率采用2012年平均汇率8.177)。对比分析发现中国公众气象服务和行业气象服务的效益与欧盟的最小值更为接近。此外，EUMETSAT还强调每年40～150亿欧元的私人商业应用效益，使其总效益高达150～610亿欧元，约合1226.6～4988.0亿人民币。

美国没有公布公众气象服务和行业气象服务的效益，而根据17042亿美元年GDP总数估算其中气象卫星应用效益为21.2～121.2亿美元，合133.6～764.04亿人民币(美元兑人民币汇率采用2012年平均汇率6.304)。由于气象卫星直接应用部分缺乏可靠的评估结论，本文后续定量评估部分偏重气象服务中气象卫星应用的贡献。

为了进一步估算中美欧三大气象卫星系统的成本效益比，本文基于现有公开研究和资料估算了其成本。整体而言，WMO CBS测算认为全球气象卫星建设成本每年约90亿美元，包括全球气象卫星系统的建设费用约40亿美元和数据传输的费用约50亿美元[36]。研究指出中国2001—2012年间投入气象卫星建设经费为75亿元[49]，按GDP增速测算投资增速，则其2012年度投资约为10.0亿元。EUMETSAT公布其每年投入气象卫星约为34亿欧元[39]。将以上数据代入公式(1)，将其中直接应用部分设为0，则可估算得到中国气象卫星成本效益比为1∶33.6 ～1∶84.7，与早期研究中1∶40的结论基本一致[49]。而欧盟成本效益比为1∶4.4～1∶17.9，与其报告中1∶5～1∶20接近[39]。通过表3中的比较也可以发现中国与美国的气象卫星应用效益较为接近且都低于欧盟，但中国成本效益比较高。这些差异一方面是由于评估方法和评估框架的差异引起的，另一方面是因为缺少评估方案的细节，不足以支撑各国互相借鉴和交叉检验。本文仅以公开资料对比2012年中、美、欧气象卫星应用成本效益比。但2012年以后，中国气象卫星系统发展迅速，效益增速加快，本文评估结果应比2012年以后实际情况偏低。

表3 2012年中美欧气象卫星应用效益值 亿元

4 结论和讨论

气象卫星应用效益评估始于20世纪60年代，随着提升气象卫星应用效益的需求日益增加，效益评估方法也逐渐为学术界以及全球气象卫星系统运行管理机构所重视。为气象卫星应用效益提供经济学依据，对于优化国家公共资源配置决策和指导气象卫星系统发展具有重要意义。

本文通过对国内外相关研究的分析总结，结合中国的实际情况，从气象服务效益中气象卫星应用的贡献和气象卫星直接应用效益两方面提出了气象卫星应用效益评估方法框架，以现有研究结果为依据进行了整体估算，并比较了2012年美国、欧盟和中国的气象卫星应用效益值。其中，气象服务效益评估部分相对成熟且有明确结论，而在气象卫星直接应用效益部分仍以个例研究为主，缺少整体评估结果。现有研究结果主要是气象卫星应用效益中对气象服务的贡献部分，整体效益值应远高于此部分。中国气象局国家卫星气象中心正通过邀请用户进行问卷调查的形式，以支付意愿法等估算气象卫星应用的直接效益部分。

本文评估结果中，中国和美国的气象卫星应用效益最大值都在850亿元左右，仅为欧盟的17.4%，中国的最小值为美国的2倍多，为欧盟的25%。中美效益评估值都低于欧盟，而由于中国在气象卫星领域投入小于欧盟，因而成本效益比达到欧盟的5～10倍。当然引起以上差异的原因，还包括效益评估统计用户以及成本估算的差异，如欧盟统计的效益包括了私人公司企业等用户，而中国的成本估算仅包含卫星系统的建设费用。鉴于本文采用的公开研究资料较为有限，评估结果与实际情况可能存在一定的偏差。

未来气象卫星效益评估方法将成为气象卫星国际合作的重要内容之一。为国际公认的气象卫星效益评估方法框架贡献中国智慧，不仅是气象卫星长期健康发展、实现效益最大化和长期可持续发展的重要途径，也是中国风云气象卫星未来领跑世界、为全球用户——尤其是“一带一路”沿线国家和地区用户提供更高数据服务的需要。