發展精細化行業氣象服務的初步思考

■ 謝靜芳 李云峰

近些年來，在精細化行業氣象監測和預報業務的支撐下，面向公眾和行業的精細化氣象服務得到迅速發展，開展了不同形式的精細化氣象服務。比如：基于用戶位置的手機APP天氣預報服務，基于GIS系統為行業用戶提供指定位置的氣象信息服務，基于交通沿線天氣信息開展的交通氣象服務等。形成了以精細化預報業務產品為主要支撐的精細化行業氣象服務發展模式。

隨著精細化行業氣象服務的發展，長期以來形成的以預報業務產品為主要支撐的行業氣象服務發展模式，在精細化發展過程中面臨著新的壓力和挑戰。尤其是在能源電力、鐵路交通等行業，精細化行業氣象服務對精細化預報產品的需求，已經超過了當前精細化氣象預報業務產品的范疇，單純依靠現有的精細化氣象預報業務產品，已經難以滿足用戶的需要。應圍繞重點行業服務需求，基于先進的數值模式、多模式集成、多源數據融合、機器學習等技術，提高精細化預報產品對行業服務的支撐能力，更好地滿足精細化行業氣象服務發展的需求。

在數值預報、計算機和通信技術飛速發展、精細化行業氣象服務需求不斷增長的背景下，總結精細化行業氣象服務發展歷程和現狀，分析存在的問題和精細化行業氣象服務的發展需求，思考精細化行業氣象服務的發展途徑，對于建立和完善精細化預報產品和服務技術支撐體系，發展具有國際先進水平和競爭實力的行業氣象服務具有重要意義。

1 精細化行業氣象服務發展概述

精細化行業氣象服務，是在行業需求引導下、在精細化天氣預報支持撐下，逐步發展起來的。精細化數值預報技術的發展，精細化業務預報產品的支撐，對精細化行業氣象服務的發展都具有十分重要的基礎性和決定性作用。

1.1 精細化行業氣象服務初步發展

從20世紀80年代開始，從供熱采暖、糧食晾曬到電力、交通等各行業，我國專業氣象服務逐步發展起來。到21世紀初，以用戶的群體性和行業化服務需求為主要特征的電力、交通等行業氣象服務得到快速發展。這一時期，基于預報業務產品的支撐，服務產品主要是城市站點或者區域范圍的、日的或更長時間的氣象要素量值或等級的預報。

精細化行業氣象服務始于2005年前后。這一時期，盡管數值模式對天氣形勢的預報水平已經超過了有經驗的預報員。但其要素預報能力和可用性仍然有限，對暴雨、強對流等天氣，尚不能提供可用的預報。基于數值模式的物理量預報，采用天氣學和統計學釋用的方法，制作的精細天氣要素預報等精細化預報產品，成為行業氣象服務的主要內容。同時，在道路交通等領域，研究總結天氣對行業氣象災害或事件的影響，建立天氣模型和天氣指標，使電力、交通等行業氣象服務，在天氣預報業務產品的基礎上得到了進一步深化，形成了基于天氣影響并有別于預報業務產品的行業氣象服務產品。

1.2 基于預報業務產品的行業氣象服務

2010年以后，隨著歐洲ECMWF細網格預報模式、美國WRF中尺度數值模式、我國T639、GRAPES等數值預報模式的發展和業務應用，模式預報的氣溫、降水、風速等氣象要素預報性能和時空分辨率顯著提高，暴雨等災害性天氣的強度和落區預報的可用性顯著改進。國家氣象中心和省級氣象臺，先后開展了空間分辨率為10 km×10 km、預報時段為24 h的降水落區和災害性天氣落區預報業務和精細化網格預報釋用。

與此同時，行業氣象服務也得到顯著發展。互聯網、大數據、移動通信等技術在行業氣象服務中得到更廣泛應用，基于時空分辨率更精細的氣象要素預報產品，開展了基于用戶位置的天氣信息服務和交通氣象服務。

2017年，中國氣象局提出應用智能網格預報業務產品，開展精細化行業氣象服務的要求，推動了精細化格點預報產品在行業氣象服務中的應用，以精細化預報業務產品為支撐，公路和鐵路沿線天氣預報等基于位置的行業氣象服務陸續開展起來。

1.3 2008年奧運氣象服務

為奧運會及其他體育運動和賽事活動提供的氣象服務，也屬于行業氣象服務，但2008年奧運氣象服務發展之路不同于其他行業。依靠為奧運氣象服務建立的精細化監測、預報和服務體系，奧運氣象服務在較短時間內實現了服務能力的跨越發展。

1.3.1 服務需求

根據國際奧委會的要求，奧運會天氣預報要能做到一天至少4次滾動更新、每 3 h一次預報，個別情況下每 1 h一次預報，預報的氣象要素包括氣溫、濕度、風速、風向等要素的定量預報。奧運會氣象服務需求，在時空精細度、要素預報內容和定量化預報等方面，已經超出了當時的短期和短臨天氣預報業務產品的范疇。

1.3.2 服務體系建設

圍繞奧運會精細化服務需求，開展了全面系統的預報和服務體系建設。包括：開展精細化觀測系統、精細化模式、精細化預報預警和服務系統的建設和開發；開展數值預報天氣學、統計學釋用，將自動氣象站、浮標站、邊界層風塔、風廓線雷達、新一代Doppler氣象雷達 VAD風資料同化進模式，建立以天氣雷達、風廓線雷達、浮標站、自動站等為依托的氣象綜合探測系統；實現了賽場及其周邊高時空分辨率的立體化探測；引進了高性能計算機系統，建立了以多種數值預報模式為基礎的精細化短期、短時預報預警系統；形成了以精細化數值預報模式、業務平臺、服務系統、技術研發為支撐的預報業務和服務體系。

1.3.3 服務發展模式

2008年奧運會氣象服務，應用了先進的氣象監測設備、數值模式、預報技術、信息服務技術等，創立了發展精細化行業氣象服務的經典范例。

當前，行業氣象服務精細化、個性化發展趨勢日趨顯著，對精細化預報產品的需求也日趨迫切。長期以來形成的以預報業務產品為主要支撐的行業氣象服務發展模式，在精細化發展過程中面臨著新的壓力和挑戰。尤其是在能源電力、鐵路交通等行業，精細化行業氣象服務對精細化預報產品的需求，已經超過了當前精細化氣象預報業務產品的范疇，單純依靠現有的精細化氣象預報業務產品，已經難以滿足用戶的需要。回顧和總結奧運氣象服務的發展模式和成功經驗，深刻認識精細化數值預報技術和精細化預報產品的重要支撐作用，對于明確精細化行業氣象服務發展思路，建設和發展精細化行業氣象服務體系等，都具有重要參考價值和科學指導意義。

2 精細化行業氣象服務現狀

精細化預報業務開展已經十余年，但精細化行業氣象服務的發展仍處于起步階段，尤其能源電力、交通等重點行業，預報產品的時空分辨率和可用性還比較有限，服務內容和形式還有待優化和改進。

2.1 以預報業務產品為支撐的服務模式

本文中，精細化預報業務產品是指根據中國氣象局對氣象部門天氣預報業務的有關規定，由各級氣象臺站制作和發布的精細化氣象預報產品，包括2006年開始的精細化天氣預報業務產品、2017年到目前的智能網格預報業務產品，以及2020年發展規劃中的業務預報產品等。精細化數值模式預報產品是指研究運行或業務運行規定之外的數值預報模式提供的精細化格點氣象預報產品。

在行業氣象服務發展過程中，短時、短期、中期和長期天氣預報以及災害性天預警等預報業務產品，是支撐行業氣象服務的主要預報產品。精細化行業氣象服務，尤其是省級氣象部門開展的精細化行業氣象服務，則主要是以精細化預報業務產品為支撐。開展的精細化行業氣象服務主要包括：基于GIS系統和交通線路位置的交通氣象服務，其他行業用戶基于指定位置的氣象信息服務等。

盡管國家和省級氣象部門研發和運行的數值模式預報產品，以及快速循環同化系統的短臨預報產品，在時空分辨率和計算更新時次上，都超過了預報業務產品的規定，但其為精細化行業氣象服務提供預報產品和發展支撐的能力還非常有限。

近年來，以精細化預報業務為主要支撐的行業氣象服務模式，開始遇到前所未有的需求挑戰。電力能源、鐵路交通等行業，對精細化氣象服務需求發展迅速，基于自身行業生產、安全和發展的需要，一些行業部門或氣象服務公司，開始建設和發展自己的精細化數值預報模式和氣象服務系統，以滿足行業氣象服務的需求。其精細化預報產品的時空分辨率、計算更新時次，尤其是短臨數值預報等產品的技術性能指標，更接近用戶的需求，服務產品更對接用戶的應用場景。基于預報業務產品和氣象閾值的精細化行業氣象服務，在服務市場的競爭與服務能力的發展中，正面臨嚴峻挑戰。

近年來，中國氣象局公共氣象服務中心致力于發展支持行業氣象服務的精細化數值預報業務，提供時空分辨率、預報準確率和計算更新時次更加優化的精細化格點預報和服務產品。2019年，公共氣象服務中心基于多個全球數值模式預報產品、國家氣象中心5 km智能網格預報產品、省市氣象臺上傳的縣級城市主觀預報產品、逐小時地面實時觀測資料，應用時空降尺度、模式誤差滾動訂正、多模式變權重集成、主客觀預報融合、逐時實況滾動訂正24 h預報等技術和方法研制的精細化預報服務產品制作系統，提供給定全球任意位置需求點的15 d內不同時效不同時間分辨率（24 h內逐小時預報基于實況逐時滾動訂正更新，2～3 d逐小時預報、4～10 d 3 h預報和11～15 d逐12 h預報每日4次更新）、實況與預報一致的預報服務產品。在此基礎上，基于氣象中心智能網格預報產品，應用機器學習降尺度方法，加工全國范圍0～24 h 1 km逐小時降水預報產品。以全國實時氣象雷達、氣象衛星數據和地面分鐘降水觀測資料為基礎，基于氣象學原理，以快速循環為理念，應用人工智能技術，通過并行計算和大數據處理技術加工，形成天氣雷達分鐘降水產品，其時間尺度上精細到5 min、空間尺度上精細到街道。大幅度提升氣象服務數據的可用性與易用性，以滿足公共氣象服務中心短臨預報和氣象服務應用的需求。

對于多數省級氣象部門來說，由于缺乏研發運行數值預報模式等精細化預報技術的能力，對于本地的行業用戶精細化服務需求難以及時有效響應，在一定程度上制約了行業氣象服務的發展。依靠引進和運行先進的數值預報模式，雖然能解決一時之需，但若要形成持續的發展支撐，在資金、技術、人才等方面都存在困難。

2.2 以要素預報產品為主的行業服務

近年來，隨著數值預報技術的發展，預報時空分辨率和定量化預報能力不斷提高，精細化要素預報產品也成為了精細化服務產品的主要內容。目前，精細化行業氣象服務主要是在預報產品中增加了行業用戶的位置，或者提供基于用戶位置的實時定量預報等，除了預報的時空分辨率以外，預報內容和產品形式等，與公眾氣象服務產品的差異越來越小。

2.3 精細化預報產品準確性的影響

精細化預報產品的時空分辨率顯著提高，并且對氣溫等連續分布的氣象要素也有較好的預報能力，但對于分布不連續的強對流等突發災害天氣，其預報準確率和可用性仍然有限。因此，雖然有了精細化的預報業務產品，但對于暴雨、暴雪、大風、雷電等災害天氣，目前的精細化預報業務產品還難以直接應用于精細化行業生產和精準防災，為行業用戶提供的仍然是區域的和氣象閾值的預報服務產品。如何將準確性有限的精細化預報產品，更有效地應用于精細化行業氣象服務，也是目前需要研究解決的主要技術問題。

2.4 沿用傳統服務技術和方法

在應用精細化預報產品的同時，缺乏相應的精細化氣象服務技術研發和應用。這種狀況不僅影響了精細化氣象服務的有效性，也影響了精細化行業氣象服務的發展。

一是在基于影響的氣象服務方面，缺少與精細化用戶特征相結合的精細化氣象服務指標。有的行業氣象服務，將基于用戶位置的精細化預報，與現有的宏觀綜合氣象服務指標相結合，提供影響等級提示和服務指南。由于現有的行業氣象服務指標，是基于較大范圍和較長時間內的歷史災害事件與歷史天氣事件的關系建立的，其影響程度和等級由固定的天氣要素閾值確定，對于具體位置、具體對象和具體環境特征而言，缺乏精準性。比如：在高速公路上，同樣的降雨量和降雨強度，對于排水不暢的匯水區低洼路段和排水性好的高崗路段，對交通產生的影響是完全不同的，精細到路段的天氣預報，必須與精細區分的路段特征相結合，才能制作出精細影響的服務產品。因此，應用現有的宏觀綜合氣象服務指標，不僅無法實現精細化的行業氣象服務，反而可能給出錯誤的天氣影響提示和服務建議。

二是在服務產品的內容、形式和展示方面，缺乏對精細化預報數據和服務信息的可視化產品的設計研發。產品內容和形式等，多數仍然沿用傳統的技術方法，比如：對于時空更精細的定量降雨預報產品，仍然采用區域降雨量等級色斑圖，在城市位置展示站點信息等傳統的信息顯示方式等。信息展示內容比較單一、傳統，信息量少、展示精度低，也沒有與用戶的天氣信息應用場景相結合，用戶難以從精細預報數據中，精準辨識和高效獲取所需的關鍵天氣和行業影響信息。

3 精細化行業氣象服務發展需求

基于精細化氣象預報發展精細化行業氣象服務，其需求主要體現在以下幾個方面。

3.1 滿足發展需求的精細化預報支撐

盡管精細化氣象預報業務產品，對于很多行業氣象服務來說，仍然是精細化氣象服務的重要支撐。但對于鐵路交通、電力能源等行業氣象服務，氣象預報業務產品的支撐能力明顯不足。比如：鐵路防洪需要逐個路段的逐1 h甚至更短時間更新的降雨量實況和臨近預報，高鐵列車運行需要列車位置的分鐘量級大風監測和臨近預報等。

要發展具有國際先進水平和競爭實力的精細化行業氣象服務，必須首先解決精細化預報產品的支撐問題。針對能源、交通等重點行業氣象服務領域，圍繞行業氣象服務需求和發展，在國家層面上建立發展戰略，推動先進的數值預報模式、快速循環同化預報系統、多模式集成、多源數據融合、機器學習等的最先進的技術研發和成果的應用，提升突發災害天氣的短臨精細化預報有效性和可用性，研發與用戶應用場景相結合的精細化行業氣象服務產品和系統，實現精細化行業氣象服務能力的有效提高。

3.2 更精準地對接行業需求

WMO將基于影響的預報和服務的發展演變過程分為若干階段，包括：綜合天氣預報、基于固定氣象閾值的預警、使用用戶相關閾值的天氣預警、與空間/時間相關的閾值和天氣預警、基于影響的多災害預報和預警服務等。

根據WMO的劃分方法，我國行業氣象服務目前主要還處于基于固定天氣閾值的預警階段，未來應發展基于用戶閾值和與時空相關閾值的氣象服務，也就是應用精細化天氣預報，對接行業用戶的天氣精細影響特征和信息精細化應用場景，提供更有針對性的天氣影響服務。

3.3 研究精細化服務技術

精細化氣象服務不同于精細化天氣預報。與精細化天氣預報相比，精細化氣象服務應更注重用戶生產過程中的天氣影響的精細化服務。通過為特定用戶提供特定的氣象服務產品，實現精準應對天氣影響和精準防災的目的。

發展精細化行業氣象服務，必須開展精細化服務技術研究。包括：研究精細化預報產品的準確性、可用性和服務應用策略，研究基于用戶的天氣影響精細化特征的行業氣象服務指標，設計基于氣象信息應用場景的精細化服務產品等。

4 發展精細化行業氣象服務的初步思考

目前，精細化行業氣象服務既面臨著技術基礎薄弱、資源能力不足、發展定位不清等困難，也存在著服務需求迫切、市場前景可觀等發展機遇。如何提高認識、正確定位、實現快速發展，有許多問題需要我們認真思考。

4.1 行業氣象服務發展的新階段

精細化行業氣象服務正面臨著一個新的發展階段。其標志主要有以下幾個方面：

一是作為氣象服務基礎支撐的天氣監測和預報精細化技術得到顯著發展，精細化預報水平不斷提高，精細化行業服務需求日益增加。

二是以互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能等為標志的信息技術的飛速發展，為精細化行業服務技術和方法研究、服務產品和系統開發、開展實時響應和快速跟進服務提供了有力的技術支撐。

三是精細化行業氣象服務對精細化預報產品提出了新要求。以天氣預報業務產品為主要支撐的精細化行業服務模式和以天氣預報業務需求為目標的數值模式等預報技術發展模式，不僅無法滿足未來精細化行業氣象服務發展的需求，在一定程度上也制約了數值模式等先進預報技術的研發與發展。應發展以行業服務前沿需求為導向的數值模式等預報技術研究體系，將最先進的預報技術成果應用于行業氣象服務領域，建立和完善能滿足不同層次服務需求的精細化預報產品支撐體系。

4.2 從體系建設上謀劃和推動發展

要構建有利于發展的氣象服務新體系，需要發展新理念、新思路，解決新問題、新需求。在這方面，奧運會氣象服務的成功經驗，對我們今天發展精細化行業氣象服務，仍然具有指導性作用。美國Accuweather和TWC發展集約化預報與服務的經驗，也具有借鑒作用。

借鑒奧運氣象服務體系建設經驗，探討有利于發展精細化行業氣象服務的發展模式，建立技術研發支撐和服務保障體系。比如：由單純依靠預報業務產品支撐，發展為預報業務、預報研發、社會力量等多渠道的預報產品支撐。

在現有條件下，要發展具有國際先進水平和競爭實力的行業氣象服務，僅依靠市場效益推動下的企業自發行為，其發展能力和前景極為有限。應更有效地發揮國家層面的戰略引領、技術引導和發展推動作用，并將發展目標落實到有效提高服務能力和競爭實力上。

4.3 創新發展思路，創新技術研究

理念和思路創新，對實現創新發展具有重要意義。創新思考精細化氣象服務的理念和發展思路，充分認識精細化服務發展的新階段，是實現精細化行業氣象服務新發展的關鍵。

要重視精細化氣象服務技術、方法、產品等研發創新，研究精細化預報產品在行業精細化服務中的應用技術，發展針對行業的非常規氣象要素預報技術，研究探討人工智能和大數據信息在行業氣象服務中的應用技術，強化精細化行業氣象服務技術研發和科技成果轉化應用，提高對精細化行業氣象服務的技術支撐。將研發創新作為與發展精細化預報具有同等重要性的工作，依靠創新研發支持和實現創新發展。

致謝：本文由科技部公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201306058）資助。

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