气象大数据云平台对高校气象数据调用的影响分析及解决思路——以兰州资源环境职业技术大学为例＊

兰州资源环境职业技术大学 金庆忠

气象大数据云平台（简称：天擎）是一个可提供数算一体云上计算服务的平台，各气象业务系统融入后，相关气象数据的访问、各类气象资料和产品调用方式发生了一定的变化，对高校使用相关气象业务资料进行实践教学和科研产生了一定影响。文章以兰州资源环境职业技术大学气象数据调用情况为例，通过分析高校气象资料获取的现状及存在的主要问题，提出了相关解决思路，为高校利用气象大数据云平台进行实践教学和科学研究提供参考。

《气象高质量发展纲要（2022-2035 年》指出，气象事业是科技型、基础性、先导性的社会公益事业，气象工作关系生命安全、生产发展、生活富裕、生态良好[1]。当前，我国气象部门已累计海量的数据资料，根据《纲要》的要求，气象监测更加精密，各类多源数据广泛汇集，气象数据将呈现持续爆炸式增长的情况。据初步统计，2022 年各类气象数据已达到200PB 以上，日增量约40TB，虽然气象部门已经开发了全国综合气象信息共享平台（CIMISS），但各业务单位、业务系统间仍存在“信息孤岛”“应用烟囱”、用户暴力检索、ICE 中间件高并发状态下的稳定性和数据安全性等问题[2,3]。为适应大数据时代，推动气象数据资源整合共享、促进气象业务集约化发展，构建新型气象业务技术体制，中国气象局组织开发了气象大数据云平台（“天擎”）。

1 气象大数据云平台概述

1.1 气象大数据云平台的功能

气象大数据云平台采用云计算、大数据、人工智能等新型信息技术，提供数算一体的云上计算服务，支持智能预报和服务系统研发，并可基于统一的标准规范实现本地化业务融入。“天擎”具备海量数据存储、全业务贯通、数据应用高效的能力，可直接支撑天气、气候预测、大气探测、公共气象服务、人工影响天气等各类气象应用的云化融入，形成“云+端”的应用生态[4]。

气象大数据云平台的气象数据服务接口继承了CIMISS的气象数据统一服务接口（MUSIC，Meteorological Unified Service Interface Community），基于数据环境，为国、省、市、县四级气象业务和科研用户提供标准化的数据访问服务以及应用编程接口。新增服务接口网关管理，实现用户认证、流量控制、服务路由、复杂均衡管理；新增TDS 服务能力，新增格点资料矢量场、数据块检索接口和格点数据、数据块写入接口、归档取回接口等，为用户提供全面的数据获取功能的同时，又实现了数据安全升级。针对气象应用系统，为用户提供客户端SDK 服务、REST 服务、TDS 服务、脚本调用服务、众创接口服务等五种方式，适用C、C++、CS、Fortran、Java、Python、Script 等开发语言开发环境[5]。

1.2 气象大数据云平台的框架

天擎系统的本质特征是“云+端”。“云”即气象大数据云平台，负责统筹管理观测、预报、服务、政务、行业、社会等完整权威的地球系统大数据，集成质量控制、统计加工、预测预报预警等全流程业务产品算法，统一产品加工流水线，提供“数据、算力、算法”三统一的平台化服务。“端”包括各类观测、预报预测、服务、管理等业务系统，也包括计算机、手机、各种传感器等硬件终端及其软件终端程序，气象大数据云平台结构框图如图1 所示。

1.3 气象大数据云平台应用情况

2021 年12 月，“天擎”系统正式投入业务化运行，全面取代CIMISS，所有原始观测数据、历史归档数据、各类数据集及交汇数据等已经全部对接到“天擎”系统，主要涵盖地面、高空、海洋、辐射、农业气象、数值预报雷达、卫星等14 大类614 种资料3000 多亿气象记录；以及地面基础气象数据产品、高空常规气象观测数据产品、实况分析和再分析产品、天气实况产品，同时，还有台风、海洋、强对流等各类气象产品。

截至2022 年底，全国气候监测预测分析系统（CIPAS）、西北区域人工影响天气作业指挥软件系统、气象信息综合处理系统（MICPAS）、综合气象观测业务运行信息化平台（“天元”）、各省气象预报服务业务一体化平台等共计132 个应用系统融入“天擎”。各气象业务系统与“天擎”系统深度融合后，“天擎”系统可将气象行业数据与算法资源整合，使算法向数据靠拢，减少中间环节，优化流程，实现数据、技术、业务融合，使系统更加集约，数据源更加明确、数据流程更加清晰、数据处理更加快捷、数据服务更加高效，从而解决过去各业务系统反复调用、存储、传输带来的冗余问题[6]。业务系统融入后，系统的运维管理直接交给专业运维团队，可以使气象业务监控更加集中统一，业务单位可以更加聚焦业务本身，压力大大减轻，从而促进气象观测、预报、服务、管理业务高效协同，推进气象事业高质量发展。

2 高校气象资料获取现状

职业教育的特色之一是产教融合发展。产教融合、校企合作是办好职业教育的关键[7]。为有效实现职业教育“教学过程与生产过程对接”，构建“校中厂”，搭建真实气象业务平台，服务高职气象院校进行气象业务实践教学与科研开发，2015 年兰州资源环境职业技术大学与甘肃省气象局共建了气象数据共享平台，由甘肃省气象局通过网络专线向兰州资源环境职业技术大学提供气象数据资料。

气象数据共享平台主要基于CIMISS 平台的通信系统进行气象数据的分发传输，网络带宽为10M。高校教师主要利用本地部署的MICAPS 系统调取获取的地面观测资料、高空观测资料、辐射资料、农业气象观测资料、数值预报、天气雷达探测资料（基数据）、卫星云图、土壤墒情、大气成分、风廓线资料等气象基础数据开展学生日常教学实习、实训，使用部分基础气象数据、气象产品等开展科学研究。

“天擎”投入业务运行后，原有CIMISS 系统停用，“天擎”系统虽然继承了CIMISS 的原有基础[4-6,8]，但由于架构及调用方式较CIMISS 有较大的区别，对气象类职业院校调用气象数据资料和气象产品应用于实践教学和科研产生了一定的影响。

3 高校气象数据获取存在的主要问题

文章以兰州资源环境职业技术大学为例介绍气象数据资料获取存在的主要问题。

3.1 气象数据传输带宽的问题

目前，甘肃省气象局与兰州资源环境职业技术大学之间的气象信息传输带宽仅有10M，随着“天擎”系统的投入运行，气象数据的算力大大增强，气象业务、服务、科研、管理以及行业社会交换的所有数据，全部入“云”，导致气象资料种类越来越多、数据量越来越大，师生进行数据访问时，10M 带宽已不能满足气象数据传输的需求。

3.2 外部用户访问造成的影响

“天擎”投入业务运行后，气象部门对其内部结构化、非结构化数据方位时效及并发用户量进行了承压测试，结果显示“天擎”系统性能高于CIMISS 系统10 倍以上，统一服务接口的效率更高、稳定性更强[5]。但针对高校学生实践教学过程中数据访问时效、并发用户访问“天擎”时未进行压力测试，“天擎”能否承受气象类职业高校综合实训过程中数百学生同时访问的压力，保证系统的稳定性、数据的时效性还需进行进一步的测试。

3.3 数据调用方面存在的问题

“天擎”依然使用气象数据统一服务接口MUSIC，基于数据环境提供标准化的数据访问服务以及应用编程接口。但高校师生可能对气象业务数据的算法及实际应用等技术钻研较深入，但对于获取数据方面关注比较少，特别是非计算机技术类的老师对于日新月异的结构化、非结构化数据存储规则理解不深、关注度不够，导致不能以最有效的方式获取气象数据。虽然数据服务接口的调用方式较CIMISS 变化不大，但各省提供的数据服务方式增加了TDS 服务、众创接口服务等。目前，“天擎”提供300 余个服务接口，部分接口调用方式还需要高校师生重新适应。

4 主要解决思路

针对以上存在的主要问题，高校可以从以下角度进行解决。

4.1 优化局校通信方案

针对10M 带宽传输专线已不能满足实际教学需要的问题，高校应认真调研省级气象大数据云平台功能、架构、存储管理的资料类型、调用接口，梳理统计教学过程与科学研究所需要调取的各类气象观测资料和气象服务产品，根据学生实践过程中并发测量到的带宽流量，按照一定冗余量的原则，重新优化学校和省级气象部门之间的通信方案。

4.2 制订平台使用指导书

分析和整理学校气象类专业高职专科生和智慧气象技术职业本科生实习、实训所需要展示的各类气象资料和产品类型，针对学生操作使用的内容，制定基于气象大数据平台调取的观测资料和产品元数据信息等，形成气象大数据云平台接口调用使用说明书，供学生实训、实习使用。

4.3 进行并发用户测试

基于气象大数据云平台，联合省级气象部门的技术人员开展“高校学生同一时间并发访问气象大数据云平台，调阅、展示各类气象观测资料和产品对气象大数据平台造成的压力和时效问题”的测试。根据测试结果，为气象部门基于“天擎”系统对外开展服务方案的制定提供依据。

5 结语

气象大数据云平台投入业务运行，继承了CIMISS系统的基础功能，对气象业务流程优化起到了极其重要的作用。其丰富的气象数据资料与气象产品种类、开放的开发环境、多样的接口服务方式、高效稳定的数据接口为高校学生的实践与教师科研提供了重要支撑。但因局校之间通信带宽、学生实践过程中并发访问量过大等问题，给高校的实践教学及科学研究带来一定的不便，基于以上问题，文章提出了优化局校通信方案、开展并发访问测试等解决思路，为气象部门基于“天擎”开展对外服务方案的制定提供科学依据。

引用

[1] 中国气象局.《气象高质量发展纲要(2022-2035年)》辅导读本[M].北京:气象出版社,2022.

[2] 韩同欣,何文春,吴鹏,等.气象基础设施云平台关键设计与实现[J].气象科技,2022,50(2):290-296.

[3] 刘钊,谷星月.海纳百川 风云际会——气象大数据云平台“天擎”[N].中国气象报,2020-08-03(1).

[4] 赵冰燕,郭彩莲,来志云.基于青海气象大数据云平台的数据服务接口[J].青海科技,2021,28(1):82-86+90.

[5] 许竹霞,张春燕,徐娟.甘肃省气象大数据云平台的存储与服务系统设计[J].信息技术与信息化,2022(2):53-57.

[6] 余永城,王笑,魏夏潞.福建气象综合业务平台融入“天擎”技术方案设计及实现[J].气象科技,2022,50(5):653-659.

[7] 秦青松.青岛职业技术学院:产教融合校企合作 和谐共生携手共赢[N].中国教育报,2022-12-21(08).

[8] 王双双,杜建华,王立俊,等.基于气象大数据云平台的海南气象数据共享平台设计与实现[J].计算机测量与控制,2022,30(10):222-226+232.