加強海洋氣象綜合保障工程能力建設的分析與建議*

李元壽 李峰 王勝杰 陸楠 伍洋 曹玉靜 翟薇 王東林 牛官俊 馬金玉 譚娟

(中國氣象局資產管理事務中心,中國氣象局工程咨詢中心,北京 100081)

1 機遇與挑戰

中國是海陸兼備的國家,有3.2萬 km大陸海岸線(含島嶼岸線)和300萬 km2管轄海域,遼寧、吉林、河北、天津、山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南12個涉海省(區、市)的面積占全國陸地面積的13.6%,集中了我國40%以上的人口、70%以上的大城市和60%以上的社會總財富。然而我國海洋氣象災害頻繁,熱帶氣旋、強冷空氣活動等導致的臺風、大風、暴雨、強對流、雷電、風暴潮、大霧、海冰等海洋氣象災害頻發,海上、海島、沿海城鎮和鄉村常常受到海洋氣象災害的襲擊和破壞,給國家和人民的生命財產安全帶來嚴重威脅,造成巨大的經濟損失,準確的氣象預報預警和及時優質的氣象服務顯得尤為重要。

黨的十九大提出加快“南海島礁建設積極推進”,“堅持陸海統籌,加快建設海洋強國。”建設海洋強國,符合我國新時代發展規律、世界發展潮流,是實現中華民族偉大復興中國夢的必然選擇。在《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中提到“拓展藍色經濟空間”,“堅持陸海統籌,發展海洋經濟,科學開發海洋資源,保護海洋生態環境,維護海洋權益,建設海洋強國”的發展戰略。海洋強國戰略的實施、國防安全、政府和涉海部門決策服務及海洋經濟活動等都迫切需求海洋”氣象公共服務保障,且對海洋安全保障能力提出新的挑戰。目前,國家加強了海上重大軍事活動,加大了海域巡航執法力度,提高了遠洋護航艦隊的護航能力,加強海洋科考,上述活動和海洋權益管理部門都對海上災害性天氣監測、氣象預警預報、氣象保障服務等提出重要的需求和機遇。各級政府及涉海部門,海島、海濱旅游、海水養殖、近海捕撈以及沿岸海區海上運輸、石油生產、鹽業、港口作業和“21世紀海上絲綢之路”等海洋經濟活動及建設生產作業,都迫切需要個性化多、針對性強的氣象保障服務信息,同時還需要文字、圖像、語音等豐富多樣的點對點的專項服務形式。近海水域船舶交通流量和交通密度都在持續增加,針對海上中小型船舶的航行和錨泊的氣象保障和風險防御急需加強。而針對包括旅游者在內的廣大社會公眾,需要大力發展覆蓋范圍廣、時效性強、內容豐富的傳真廣播、北斗系統、信息發布站等主動發布氣象預警信息的手段,并對獲得及時有效的氣象預警信息顯得尤為重要。我國負責為國際海事組織全球海上遇險安全系統提供責任海域內海洋氣象廣播服務,預報服務范圍主要針對142°E以西的西北太平洋海域災害天氣,隨著我國海洋經濟活動領域的拓展,遠洋捕撈向外海域發展,遠洋航運不斷全球化,對我國責任海區乃至全球海域便捷快速、精細化和個性化的海洋氣象服務都提出了迫切要求。

全面提升海洋氣象保障經濟社會發展的能力,順利實現“建設海洋強國”的發展戰略目標以及落實《海洋氣象發展規劃(2016—2025年)》中既定目標和重點工程建設任務,都對海洋氣象綜合保障工程建設帶來重大的機遇和挑戰。

2 發展與現狀

1)以岸基為主的海洋氣象綜合觀測保障系統初步形成,但近海和遠海氣象資料獲取能力有限,設備保障和數據質量亟待加強。

中國Argo計劃截至2017年12月底已經投放了394個Argo剖面浮標,有104個浮標仍在海上正常工作;至2017年12月31日在全球海洋上約由14000個Argo浮標觀測的近140多萬條溫、鹽度剖面數據,均經過中國Argo實時資料中心的質量再控制;并提供了包括數據查詢、數據可視化和數據(含衍生數據產品)下載等三大服務功能。氣象部門已經建立了有373個海島、175個沿海、40個錨錠浮標、52個船載、46個塔臺和20個海上石油平臺等自動氣象站納入業務運行,自動氣象站平均業務可用性達到70%。已初步形成了對我國近海和部分大洋的海洋關鍵天氣和氣候要素的觀測和保障能力及衛星遙感探測能力。國家、省、市三級管理、三級保障體制和運行監控、維護維修、計量檢定、供應儲備等海洋氣象裝備保障業務體系初步形成,可對安裝在沿海、海島、石油平臺、船舶等基礎上的天氣雷達、風廓線雷達、自動氣象站、GNSS/MET、閃電定位儀等設備進行基本的實時運行監控、計量檢定和維修維護等技術保障工作。

但相比較中國73個預報責任海區中,大部分海域屬于觀測空白區,觀測站點數量不足,錨系浮標觀測站點稀疏,船舶站資料稀少,海島氣象站、氣象觀測塔、石油平臺等觀測資料缺乏必要的質量控制,影響了數據的可靠性。海洋氣象裝備試驗基地的建設剛剛起步,特別是在南海區域的試驗基地尚屬空白,現存氣象保障手段不能有效滿足和覆蓋沿海氣象觀測區,極大制約了海洋觀測新技術的發展和業務應用。并且部分站點服役時間超過10 a,由于受到海洋高溫、高濕、高鹽、高腐蝕的影響,海洋氣象觀測站及觀測設備壽命普遍低于陸地觀測站,氣象觀測設備壽命短、故障率高的保障要求,大部分已嚴重腐蝕老化,且觀測要素僅有1個或者2個,測量精度和觀測要素種類遠不能滿足預報和服務需求。海島自動站、浮標自動站等海上觀測設備遠離陸地,進行檢測維修時,沿海省級氣象部門缺乏自有海上交通工具,提高設備保障效率和降低成本,亟需開展多部門聯合保障或完全社會化保障等形式。亟需對已建海洋氣象觀測站進行升級改造或更新換代。

2)以臺風為代表的海洋氣象預報預警業務逐步發展,但海洋氣象預報核心技術水平不高。

我國已初步建立起國家、區域(天津、上海和廣州)、省、地四級,集監測、分析、預報、預警、服務為一體的較完整的海洋氣象預報預警業務體系,預報范圍涵蓋了我國18個近海海域預報責任區和全球海上遇險安全系統公海責任區的XI海區(印度洋海域),制作和發布西北太平洋和南海臺風120 h路徑和強度預報、中國近海72 h的海洋天氣預報和海上大風預警及海霧預報、世界氣象組織責任海區海事天氣公報、XI責任海區25 km分辨率和近海及沿岸5～10 km的72 h風、浪、天氣現象和能見度等海洋氣象要素精細化預報產品。

初步構建形成了0～15d“無縫隙”海洋氣象預報預警的全方位技術支撐保障。已建成了全球和區域海面風場及臺風數值預報模式體系、中國近海海霧數值預報模式、黃渤海海霧數值預報模式、全球海浪預報模式、西北太平洋區域海浪模式、黃渤海精細化風浪數值預報模式、黃海和東海風暴潮數值模式,為實時業務提供了一定支撐。目前,初步建立了基于MICAPS的國家級MICAPS臺風版和MICAPS海洋版,或CIMISS省級如廣東省氣象局的精細化海洋氣象預報業務系統(SAFE-GUARD)、上海氣象局的責任海區海洋氣象精細化預報預警制作系統等,為海洋氣象監測預報預警服務的開展提供了重要的平臺支撐。建立了精度為15～20 km、臺風24 h路徑預報誤差小于70 km、海上大風預報準確率達80%的臺風定位、定強業務系統,臺風定位及預報預警等技術接近世界先進水平。

但中國在臺風、海上大風、海霧、強對流等災害性天氣的專業化分析和預報的水平不高,海上災害性天氣的預警業務系統尚未建立,對重大災害性、關鍵性、轉折性的海洋氣象災害預警能力相對較弱。海洋監測分析更多的是定性監測描述,缺乏對海洋天氣尤其是海洋災害性天氣強度和影響區域的定量監測。針對歷史海洋個例的分析也十分有限。海上災害性天氣發生發展的機理認知不足,科學合理的業務布局還有待完善,缺少集約化的海洋氣象監測預報預警業務平臺,國家級和省級海洋氣象災害性天氣聯防以及預報會商機制還沒有真正建立,業務預報預警產品的不一致問題還較為突出。

3)海洋氣象公共服務業務體系初步建立,但海洋氣象服務能力和手段不足。

中國氣象局自20世紀60年代起,建成了石島、舟山、茂名、三沙等4個國家級海洋氣象信息發布站,組成我國海洋氣象廣播網,部分地區依托我國北斗導航系統試驗性開展了北斗終端預警信息發布。同時,面向港口及跨洋航運、海上油氣開發、海洋資源開發、海上風能開發、近海漁業養殖和海上捕撈、近海海洋旅游、國防安全等需求,初步提供了專業海洋氣象信息服務,初步具備面向海洋全國統一的預警信息發布能力。截至2017年底,涉海12個省(區、市)有6萬多漁船安裝了各個型號的北斗衛星信息接收終端。中國氣象局基于MICAPS業務平臺和數值預報產品,基本形成了海洋氣象專業服務的業務能力,多次為中國海上搜救中心提供相關海域天氣和海況預報,為海上搜救或軍事演習提供了保障。近年來氣象部門逐步開展了釣魚島及周邊海域、西沙永興島、中沙黃巖島和南沙永暑礁等重點島礁、海域的氣象基本建設和天氣預報服務,既是維護國家主權之舉,也為中國海監對我國管轄海域的維權巡航提供保障服務。

目前公共服務產品的送達目前還停留在利用海岸電臺、手機短信等單一途徑,海洋氣象服務尚未完全覆蓋我國責任海區;多語種的海洋廣播海洋服務產品還是空白。針對涉海重要經濟行業的專業化海洋氣象服務能力薄弱、領域有限、服務產品少、針對性不強,遠洋導航氣象服務甚至被國外壟斷,缺乏針對港口及跨洋航運、海上石油開發、近海漁業養殖和海上捕撈、海洋旅游等經濟領域的針對性服務。海洋預報服務產品的時空精細化不足,國家和部分省市的預報產品空間分辨率為15 km,時間分辨率為12 h,遠遠不能滿足服務用戶對預報產品精細化的需求。

4)探索性的建立了海洋氣候資源開發利用服務,但應對海洋氣候變化的能力薄弱。

近海風電場的開發迫切需要準確評估近海風能資源的開發潛力,許多地方的氣候背景知之甚少,我國風云衛星也往往難以覆蓋。應對海上突發事件服務能力不足,探索建立海洋氣候資源開發利用服務,海洋氣象災害風險區劃評估尚未開展、風險管理應急聯動機制尚不完善。海洋氣象災害風險管理缺失,針對以防御和如何減輕海洋災害性天氣影響等方面的全國海洋氣象風險區劃評估、重大氣象災害大風(除了臺風)、寒潮、強對流、濃霧等氣象災害風險區劃調查、評估與災害管理幾乎為空白,尚未建立海洋氣象災害風險管理體系。因此,當重大突發事件發生時,如何快速有效地予以響應,并提供準確預報服務,預警信息及時發布提出新要求。遠不能滿足近海經濟發展、21世紀海上絲綢之路開拓和海上國土資源保護的需求。

近年來運用衛星反演數據研究近海風場分布得到了廣泛的應用,基于衛星反演資料的近海風資源評估技術取得了一定進展,但是衛星反演數據并不能反應不同高度風場變化情形,不能滿足現今風電開發的需求;采用數值模擬方法對風能資源進行評估可以獲得模擬區域內所有空間立體網格點上的風能參數,可以全面的評估風能資源。但海洋氣候資源開發利用科技支撐不足,我國基于衛星反演資料的近海風資源評估技術僅限于利用某一種衛星資料,對多源衛星資料的融合應用,尤其是我國風云(FY)系列衛星資料在近海風資源評估中的應用潛力缺乏認識;評估中沒有認識到資源長期變化特性對風資源品質的影響。

5)海洋氣象信息傳輸網絡基礎基本具備,但需補充完善相關能力。

經過多年建設,全國已建立了覆蓋國家、區域、省、地四級間的全國氣象廣域網絡系統,實現國與省之間、以及省與省之間的互聯互通,國家級接入帶寬400 Mbps。建成覆蓋亞太地區的中國氣象局氣象數據衛星廣播系統CMACast,廣播速率達到70 Mbps。國家和省級局域網實現萬兆/千兆骨干、千兆/百兆桌面接入,交換能力及系統可靠性得到提高;與國防、環保、水利、地震、海洋、林業、航空等部門建立了專門通信線路,實現數據跨部門共享應用。覆蓋全國、囊括從數據收集到數據服務所有關鍵業務環節的氣象資料信息共享業務系統(CIMIISS)已基本完成建設任務。國家級高性能計算能力超過1 PFlops,區域中心高性能計算能力同步增長,高性能計算應用技術支持不斷加強。全國建成支持1080 P高清分辨率的國家級-省級天氣預報電視會商及電視會議系統,遠程會商系統已經覆蓋至所有地市級和大部分縣級,在預報服務中得到廣泛應用。氣象信息化標準體系基本完成,按照國家要求,規范化的全國氣象信息安全防護工作已開始起步,各級氣象部門相繼完成業務系統的安全定級和防護建設工作,安全意識和安全防護措施都逐步增強。

由于海上氣象信息收集難度大、安全要求高,許多觀測系統位于常規通信難以到達的無人地區,且海上應急通信網絡基礎較為薄弱,相應的海上已有的無人站應急通信配套建設尚不能滿足業務發展需求。海洋氣象觀測數據支撐環境分散獨立,數據流程復雜冗余,數據完整性不足,服務接口功能不夠。基于GPRS/CDMA或者衛星通信方式實現海島站、石油平臺站和浮標等觀測資料匯聚傳輸的各類省級中心站軟件并存,這使得軟件維護、監控的難度和成本變得較高,現有通信網絡無法滿足其收集和傳輸需求。缺少統一的海洋氣象地理信息服務系統,已有監視系統缺乏對海洋氣象業務的一體化監視功能,已建設的風云系列各衛星平臺及地面應用監視系統,對海洋業務硬件環境、應用系統和業務運行的監視較為分散、國省監視各異,無法實現全局性監視,難以滿足海洋氣象信息化業務對監控系統的需要。集約化資源平臺支撐能力接近飽和,難以滿足海洋工程業務系統對基礎設施資源的需求增長。

3 加強氣象工程能力建設的建議

新形勢下經濟和社會發展對應對氣候變化、保障生態文明建設提出了一系列新要求,面對新時期的歷史發展機遇和面臨的全新挑戰,提出以下具體對策與建議。

1)增強海上氣象觀測保障能力和加強重點海域氣象保障。需要對中國海域海區、重點港口、島嶼、島礁(包括釣魚島、南海諸島礁等)、關鍵區域等進行精細劃分,需要各區內布設一批具有海洋氣象代表性的觀測站點,開展長期穩定的海洋氣象觀測;同時,急需充分利用海上海島、海上石油平臺及沿海各類自動氣象站、探空站、雷達、衛星反演產品等資料,經過多源資料融合分析,為預報提供高密度、高質量的海洋氣象要素分析場。在氣象觀測空白海域,尤其是在臺風生成高頻區、臺風途徑的高頻區以及登陸的高頻區、海霧等海洋災害性天氣敏感區域,建設海上多要素氣象觀測站、探空站和浮標站,并適當補充岸基觀測,增設空中機載觀測,擴大船舶觀測數量。依托海島、海上平臺亟需對近海海域更換或建設耐高鹽度、高濕度、高腐蝕性環境的自動氣象站和岸基自動氣象站設備,保證測量精度、測量時效,確保儀器正常運行,保證觀測資料準確、真實、可靠。

2)提升海洋氣象災害預報預警保障能力。為加強保障渤海、黃海、東海、南海西沙永興島、中沙黃巖島、南沙永暑礁等我國固有領海和重點海域的天氣預報服務,準確及時的保護我國漁民的傳統作業漁場,為維護國家主權,為中國海監對我國全部管轄海域定期維權巡航安全,努力提升氣象預報預警服務能力。努力準確監測、預報海上災害性天氣,尤其是熱帶氣旋的移動路徑、強度以及海上大風、海霧、強對流預報和相應科學研究等,加快提升臺風等海洋災害性天氣預警能力。針對多發性海洋災害性天氣開發專業化數值預報模式,需要開展關鍵預報技術和方法研究,建立預報預警指標體系,提高專業化分析、氣象預報時效、預報準確率和精細化水平。特別是需要提高海洋氣象數值預報模式等核心技術水平,提升全球海洋氣象預報能力,豐富海洋氣候產品,以更好地滿足我國在重點海域進行的海洋維權、海上航運、海上作業等活動,以及沿岸經濟帶的建設發展提出的對海洋氣象要素精細化預報的現實需要。有效地保障“一帶一路”海上經濟帶和實現“21世紀海上絲綢之路”國家戰略構想,以及向西拓展(由南海拓展至孟加拉灣和阿拉伯海)海洋氣象預報服務業務,滿足海洋經濟發展需要,有效履行世界氣象組織賦予我國的大洋預報預警職責。

3)迫切需要提升海洋氣象公共服務保障能力。主動為各級政府部門、海洋權益管理部門和軍隊提供精細化監測預報資料、及時準確的海洋氣象災害預警及海洋氣象災害風險管理決策建議,加強為海洋強國戰略的實施、海上重大軍事活動、部隊常規巡航、海域巡航執法、海洋科考、海上搜救、遠洋護航艦隊護航等提供氣象防災減災保障服務,為海島、海濱旅游、海水養殖、近海或遠洋捕撈以及沿岸海區海上運輸、遠洋航運、石油生產、漁業、養殖業、鹽業、港口作業等海洋經濟活動,和“21世紀海上絲綢之路”經濟建設等涉海重大工程提供氣候條件評估、氣候可行性論證等,個性化多、針對性強的氣象保障服務信息,同時還需要文字、圖像、語音等豐富多樣的點對點的專項服務形式。以及我國負責為國際海事組織、全球海上遇險安全系統,需要大力發展覆蓋范圍廣、時效性強、內容豐富的海洋氣象傳真廣播、北斗系統、信息發布站等主動發布氣象預警信息的手段,努力提供方便快捷、精細化和個性化的智慧氣象服務保障。

4)急需提升應對海洋氣候變化和氣候資源開發利用能力。加強應對海洋氣候變化能力建設,加強溫室氣體監測網建設,推進海洋氣候變化的事實、機制、檢測、歸因、模擬、預測研究。深入開展海洋災害性天氣和氣候發生機制及其預測技術研究,把握極端天氣氣候事件發生、發展規律,提高防御極端氣候事件的能力。開展氣候變化對海南旅游、熱帶農業、水產養殖等敏感行業、重點領域的影響評估以及重點行業對氣候變化影響的脆弱性和適應性評估技術研究;建設氣候變化業務服務系統。建立和實施海洋氣候變化評估和氣候可行性論證制度,推進重大工程、城鄉規劃以及重大區域性經濟開發、農業產業結構調整、大型太陽能和風能等海洋氣候資源開發利用項目的氣候可行性論證工作,促進經濟建設與生態建設和氣候環境保護協調發展。增強應對海洋氣候變化決策支撐能力。提升海洋氣候資源利用能力建設,推進海洋氣候資源的精細化評估和規劃,推進海洋氣候資源普查成果利用,為本地編制修訂風能、太陽能資源開發利用規劃提供科學依據,保障風能、太陽能、空中水資源等海洋氣候資源充分利用。完成我國海域風能資源的普查工作,建立我國海洋風能資源圖譜,既為國家規劃和海上風電產業開發提供基礎數據支撐,也是促進可再生能源產業不斷發展進步的必然需求,同時也可以促進我國本地化衛星遙感產品(FY-3B)推廣應用,提升我國海洋風能資源的評估技術水平。

5)需要加強海洋氣象業務內外部通信網絡信息化能力。有必要建立起全國統一的海洋氣象一體化監視和信息安全保障平臺,有必要為每個新增(更新)測站配備北斗通信發送終端,租用GPRS/CDMA和北斗通信線路,在省級補充安裝北斗指揮機,補充和增強3G/4G移動通信和北斗衛星通信的覆蓋傳輸能力。有必要對國內氣象通信系統進行升級改造,實現海洋測站資料傳輸的統一標準化。為機房場地、基礎設施資源、數據資源、氣象應用系統的集中展示、運維控制和統一運營提供服務。同時,為了接收3G/4G移動終端設備發來的海洋觀測資料,有必要在12個涉海省(區、市)的國內通信系統前置收集子系統部署互聯網DMZ區,實現對現有互聯網系統安全能力的增強和更新。無論是政府和涉海部門、國防安全部門,還是海洋經濟各專業及廣大群眾,全社會都有共享海洋氣象信息的需求,都迫切需要建立海洋氣象信息共享與支撐平臺,對海量的海洋氣象數據存儲與共享進行專業化的管理,實現各種資料和數據產品的統一存儲、集約管理和社會共享。

6)亟需提升幾近空白的海洋氣象裝備保障能力。處于空白狀態海洋氣象觀測設備的專業試驗設施,在投入使用前缺乏必要的科學檢測的新型海洋氣象探測設備,都需要提升海洋氣象裝備保障能力的建設。提高海洋氣象裝備保障信息化能力,對現有海洋氣象裝備保障業務進行整合、完善,消除目前運行監控系統的盲區,完成海洋氣象裝備通訊系統升級改造,建立海洋氣象裝備質量監督體系,實現海洋氣象裝備維護、維修、倉儲信息化管理。降低海洋氣象裝備運行成本的需求。海洋氣象裝備保障能力的建設能夠實現維修維護、系統升級的集約化運行,進一步探索小型海洋氣象設備社會化服務模式,降低服務保障運行成本。

4 結 語

綜上所述,習近平總書記提出建設“絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的重大戰略,發展海洋經濟上升到了前所未有的高度。南海海域是我國對外開放的重要航道,也是國際重要航道。提升海洋氣象綜合保障工程建設能力,保護沿海和海島居民、濱海旅游人群、涉海就業人員生命財產安全,順利保障未來5 a全面建成小康社會和我國“一帶一路”建設實施都是非常必要的。因此,迫切需要加強海洋氣象保障能力建設迎頭趕上,增強氣象事業發展的整體實力,為服務經濟社會發展和人民生產生活發揮重要作用,也是應對氣候變化、保護海洋生態環境、推進氣象現代化建設,縮小與發達國家差距的緊迫要求。目前,從我國“一帶一路”建設、海洋權益、國土安全、海洋經濟發展、應對氣候變化、保護海洋生態環境、推進完善以智慧氣象為重要標志的氣象現代化、提升氣象業務能力建設等,我國涉海各省市已經開展了海洋氣象服務工作,為沿海和海上安全生產、防災搶險、保障人民生命財產安全做出了重要貢獻,在遠海捕撈、海上運輸和海難救援中發揮著重要作用。“到2020年,建成結構完善、功能先進的氣象現代化體系,使氣象整體實力接近同期世界先進水平,若干領域達到世界領先水平”,實施海洋氣象綜合保障工程建設,對順利實現“建設海洋強國”的發展戰略目標,提升對我國責任海區,“21世紀海上絲綢之路”沿線海域,及釣魚島、南海諸島重點島嶼等重點區域和領域的海洋氣象綜合保障能力,全面提升海洋氣象保障經濟社會發展的能力,指導落實海洋氣象重點工程項目建設任務起到重要的指導作用。

鳴謝:感謝中國氣象局馬舒慶、錢傳海、孫兆斌等專家的幫助。