基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型探索

孫石陽 申丹娜 董昊

（作者單位：孫石陽，深圳市氣象局/中國氣象局發(fā)展研究中心；申丹娜，中國氣象局發(fā)展研究中心；董昊，天津市氣象局/中國氣象局發(fā)展研究中心）

基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型是指把氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)及其支持基礎(chǔ)作為氣象預(yù)報服務(wù)的一個整體提供體（不論該提供體的組織架構(gòu)或開展氣象預(yù)報服務(wù)的形式），融合其標(biāo)準(zhǔn)體系實施機制，促使預(yù)報與服務(wù)的平衡發(fā)展，實現(xiàn)氣象預(yù)報服務(wù)。構(gòu)建這樣的模型，需要從內(nèi)部運行保障有力、統(tǒng)一協(xié)調(diào)、高效有序，外部服務(wù)效果彰顯、績效突出、投入性價比高，內(nèi)外互動及時、高效、持續(xù)改進機制健全等角度出發(fā)來實現(xiàn)。

數(shù)值天氣預(yù)報（NWP）與人工智能（AI）的科技應(yīng)用在全球氣象領(lǐng)域呈加速發(fā)展態(tài)勢，氣象專家試圖一方面通過數(shù)值預(yù)報模式從本源上來解決提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確性問題；另一方面積極探索從物理模型到智能分析渠道來降低天氣預(yù)報不確定性問題。美國、歐洲、英國等世界先進數(shù)值預(yù)報模式正朝“全球模式”“無縫隙”“一體化”發(fā)展。中國全球數(shù)值預(yù)報模式北半球可用預(yù)報時效已經(jīng)接近7.5 d，在參數(shù)化、資料同化、軟件實施等關(guān)鍵技術(shù)研究方面也都取得實質(zhì)性進展，全球數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展為預(yù)報服務(wù)的一體化業(yè)務(wù)應(yīng)用和開展智慧氣象服務(wù)提供了強有力的基礎(chǔ)支撐條件。一種基于“全球一體化無縫隙模式”氣象預(yù)報發(fā)展業(yè)態(tài)可帶來預(yù)報上的許多變革，人工干預(yù)預(yù)報服務(wù)的環(huán)節(jié)將越來越少，人工智能、數(shù)值天氣預(yù)報等核心科技支撐氣象預(yù)報直通服務(wù)的可行性越來越大。NWP與AI技術(shù)的發(fā)展對氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)無疑會產(chǎn)生重大影響，但氣象預(yù)報和服務(wù)的不平衡、不充分、不協(xié)同發(fā)展的風(fēng)險也將顯著增加，重新審視和分析預(yù)報與服務(wù)的協(xié)同發(fā)展問題，對探索構(gòu)建基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型具有重要現(xiàn)實意義。

1 問題提出與研究方法

1.1 問題提出

圖1a表示的是以信息化為基礎(chǔ)，以傳統(tǒng)氣象預(yù)報和信息服務(wù)為主要預(yù)報服務(wù)方式向數(shù)值天氣預(yù)報模式、人工智能為主支撐的現(xiàn)代氣象預(yù)報服務(wù)方式的轉(zhuǎn)型示意圖。為便于表述，將圖1a表示的服務(wù)提供簡稱為“服務(wù)器”。圖1b系氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系實施示意圖，簡稱為“驅(qū)動器”。圖1整體揭示的是科技發(fā)展融合標(biāo)準(zhǔn)體系實施驅(qū)動服務(wù)發(fā)展的邏輯關(guān)聯(lián)，其發(fā)展目標(biāo)一致，機理相輔相成，過程相互融合；同時也形成了科技發(fā)展將改變氣象“預(yù)報”和“服務(wù)”的格局。

1.2 方法探索

將基于反映科技發(fā)展和氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系實施的“前瞻性、系統(tǒng)性、科技性、專業(yè)性”四個共性要求來對兩者進行邏輯關(guān)聯(lián)，建立診斷模型，結(jié)合對典型案例的診斷分析，摸清科技發(fā)展、氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系實施對氣象預(yù)報服務(wù)提供的影響機理，為探索構(gòu)建基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型劈開了一條新徑。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系實施原理，“科技發(fā)展”“驅(qū)動器”“服務(wù)器”之間用關(guān)系式可表示為

f(x，y，Ф，t) = f(a，b，Ф，t)∝α(a’，b’，c’，t)， （1）式中，各變量因子見圖1中標(biāo)注，∝表示通過“驅(qū)動器”α的作用，Ф表示信息化支撐因子。由式（1）得出，氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系實施中的每個因子a’、b’、c’均需作用到氣象預(yù)報服務(wù)中數(shù)值預(yù)報模式發(fā)展（a→x）、人工智能應(yīng)用（b→y）、信息化（Ф）支撐三因子中，α才能有效驅(qū)動f(a，b，Ф，t)向 f(x，y，Ф，t)模式轉(zhuǎn)變。因此，需重點分析科技發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)體系實施驅(qū)動下的數(shù)值預(yù)報模式發(fā)展（a→x）、人工智能應(yīng)用（b→y）、信息化（Ф）支撐三大因子的特性要求。表1、表2列出的分別是科技發(fā)展和“驅(qū)動器”驅(qū)動“服務(wù)器”發(fā)展的“前瞻性、系統(tǒng)性、科技性、專業(yè)性”的特性要求。

分析表1、表2，要將科技發(fā)展與氣象標(biāo)準(zhǔn)體系實施融合發(fā)展以達到質(zhì)量發(fā)展的效果，提出以下四個共性發(fā)展要求：1）信息化融合需要貫穿“四性”發(fā)展特性統(tǒng)籌建設(shè)；2）精細化、精準(zhǔn)化、全球化融合需要加強高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實施；3）質(zhì)優(yōu)化融合要科學(xué)建立預(yù)報服務(wù)質(zhì)效管理機制；4）一體化、科技化、智能化融合要強化科技發(fā)展的支撐力。

圖1 科技發(fā)展驅(qū)動服務(wù)提供發(fā)展（a）和標(biāo)準(zhǔn)體系實施驅(qū)動服務(wù)提供發(fā)展（b）關(guān)聯(lián)示意圖

表1 科技發(fā)展驅(qū)動氣象預(yù)報服務(wù)提供（“服務(wù)器”）發(fā)展特性要求

表2 標(biāo)準(zhǔn)體系實施（“驅(qū)動器”）驅(qū)動氣象預(yù)報服務(wù)提供發(fā)展特性要求

2 概念評估與分析

2.1 國際案例

表3給出ECMWF和NOAA提供模式的概念評估對比實例。其中，NOAA關(guān)于科研應(yīng)用定位的“巴斯德象限”理念和科研成果轉(zhuǎn)換的“領(lǐng)結(jié)”型驅(qū)動概念很值得關(guān)注?！鞍退沟孪笙蕖毕涤善樟炙诡D大學(xué) Donald Stokes提出的一個關(guān)于科學(xué)與技術(shù)相互關(guān)系的概念模型，象限代表的是既受研究驅(qū)動又面向應(yīng)用的基礎(chǔ)研究，說明科研過程中的認識世界和知識應(yīng)用的目的是可以并存的；科研成果轉(zhuǎn)換的“領(lǐng)結(jié)”形狀的驅(qū)動概念形象地表示了NOAA從科研合作到測試檢驗，到用戶使用的規(guī)范化、質(zhì)量化的過程。

兩個國際案例的對比，可以解析出案例的主要特征。

● 協(xié)同發(fā)展型，即ECMWF型。科技發(fā)展支撐從氣象監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值預(yù)報、數(shù)值服務(wù)、信息提供、服務(wù)反饋、評估改進的發(fā)展全過程，形成了以“信息化”為紐帶的協(xié)同發(fā)展“驅(qū)動器”。其發(fā)展機理為：“驅(qū)動器”從預(yù)報能力建設(shè)和提高服務(wù)水平兩側(cè)提供協(xié)同發(fā)展的驅(qū)動力，實施數(shù)值精細預(yù)報能力和智慧服務(wù)水平的均衡發(fā)展，從而打造集“一體化”“智慧化”“標(biāo)準(zhǔn)化”“信息化”的現(xiàn)代氣象預(yù)報服務(wù)平臺。

● 互動發(fā)展型，即NOAA型。以“數(shù)值預(yù)報模式+人工智能”為核心科技支撐，不斷融合并促進數(shù)值精細預(yù)報能力與智慧氣象預(yù)報服務(wù)水平提高的同步均衡及規(guī)范化發(fā)展。其發(fā)展機理為：打造集“精細化數(shù)值天氣預(yù)報全球模式”與“人工智能氣象預(yù)報服務(wù)模式”業(yè)務(wù)于一體，“基礎(chǔ)科研向成果應(yīng)用轉(zhuǎn)換”與“天氣有準(zhǔn)備的國家”目標(biāo)于一致的現(xiàn)代化綜合氣象預(yù)報服務(wù)平臺。

表3 ECMWF和NOAA服務(wù)模式概念評估對比

2.2 地區(qū)案例

2.2.1 香港天文臺（HKO）模式

通過科學(xué)創(chuàng)新和服務(wù)奉獻來建設(shè)一個更美好社會，一直是香港天文臺的核心愿景，其天氣預(yù)報和警報服務(wù)成功通過ISO認證，以“MET +”的概念開發(fā)創(chuàng)新氣候服務(wù)，并支持適應(yīng)、恢復(fù)和減緩的氣候變化戰(zhàn)略（ARM），香港天文臺“驅(qū)動器”不僅體現(xiàn)在科技對預(yù)報服務(wù)的技術(shù)支持上，也體現(xiàn)在用科技來支撐工作環(huán)境的質(zhì)量改善和綠色、低碳、環(huán)保的辦公意識和自覺實施中，同時也融入到單位文化培養(yǎng)和員工素養(yǎng)的提高中。HKO模式的機理是讓科技發(fā)展的作用充分滲透到氣象服務(wù)提供、標(biāo)準(zhǔn)實施的每一個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)報和精細服務(wù)提供“天人合一的質(zhì)量和效果最優(yōu)”的發(fā)展平衡。

2.2.2 深圳市氣象局（SZMB）模式

深圳市氣象局近年出臺了有關(guān)科技實施的文件和標(biāo)準(zhǔn)不少。分析統(tǒng)計2014—2017年按照標(biāo)準(zhǔn)體系實施要求制修訂、發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)文件，得出2014—2017年氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)實施中各子體系標(biāo)準(zhǔn)增修訂數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)體系增修訂總數(shù)的比率（圖2a）（該比率反映該子體系標(biāo)準(zhǔn)的實施優(yōu)勢）；圖2b分析的是2014—2017年深圳氣象發(fā)展指數(shù)（SZMDI）各一級指標(biāo)平均增長數(shù)與指數(shù)平均增長總數(shù)的比率（該比率反映該單項指標(biāo)的發(fā)展優(yōu)勢）。比較圖2a和圖2b，可以發(fā)現(xiàn)：1）信息標(biāo)準(zhǔn)盡管比率只占4%，但其均為新增標(biāo)準(zhǔn)，且SZMDI創(chuàng)新驅(qū)動的增長比率最高（29.9%），可以認為信息化（Ф）支撐在創(chuàng)新發(fā)展深圳氣象側(cè)效果是顯著的；2）創(chuàng)新驅(qū)動優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在人力資源管理（15%）、財務(wù)與合同管理（12%）、服務(wù)提供運行與管理（29%）、服務(wù)提供與控制（13%）、服務(wù)評價與改進（10%）等標(biāo)準(zhǔn)的實施優(yōu)勢上（圖2a），科技創(chuàng)新優(yōu)勢與科技創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)實施的驅(qū)動效果完全吻合。

3 構(gòu)建氣象預(yù)報服務(wù)模型探索

以“需求調(diào)整、科學(xué)環(huán)境、設(shè)施設(shè)備、合作互動、研用平衡、卓越勞動、轉(zhuǎn)換應(yīng)用、績效考核”為PDCA驅(qū)動原則，結(jié)合國際和地區(qū)模式特色進行優(yōu)化及改進，構(gòu)建基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型框架圖（圖3）。圖中平衡器的原理是：因子x、y分別支撐預(yù)報水平和服務(wù)能力發(fā)展，兩個向上的虛線箭頭分別表示因子x、因子y的發(fā)展優(yōu)勢，平衡器的平衡機制來源于因子x、因子y的自身發(fā)展優(yōu)勢及其各自對對方為達到有效適應(yīng)并平衡這種優(yōu)勢的目的所需要的“鏈?zhǔn)健睆娖茸饔?，而這種強迫作用力均來自“驅(qū)動器”與“服務(wù)器”之間的互動和通過PDCA驅(qū)動。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)體系實施（a）與SZMDI各項一級指標(biāo)發(fā)展（b）優(yōu)勢關(guān)聯(lián)圖

圖3 基于科技發(fā)展融合標(biāo)準(zhǔn)體系實施的質(zhì)量發(fā)展氣象預(yù)報服務(wù)模型架構(gòu)圖

該模型的實施，需要實現(xiàn)以下幾個方面。

1）融合實施。模式除了科技發(fā)展自身融合“服務(wù)器”、“驅(qū)動器”外，還有“服務(wù)器”與“驅(qū)動器”之間在標(biāo)準(zhǔn)控制層、工程保障層、信息保障層、智慧引擎層之間的融合。在融合中實施，在實施中融合。

2）互動實施。如數(shù)值天氣預(yù)報科技發(fā)展（x）增強（時效性、分辨率、準(zhǔn)確性任意一個指標(biāo)或多個指標(biāo)表征），那么根據(jù)“驅(qū)動器”要求，須對人工智能科技發(fā)展（y）進行強化，從而對信息化（Ф）支撐做出對應(yīng)調(diào)整，對標(biāo)準(zhǔn)控制層、工程保障層、信息保障層、智慧引擎層的流程實施再造，達到科學(xué)發(fā)展目的。

3）平衡實施。通過信息化（Ф）支撐實施數(shù)值天氣預(yù)報科技發(fā)展（x）與人工智能科技發(fā)展（y）之間的平衡（平衡器原理）。讓信息化（Ф）支撐始終走在前面，因數(shù)據(jù)與信息涵蓋的工程保障層、信息保障層、智慧引擎層等供給側(cè)都呈指數(shù)級增長，建議信息化（Ф）支撐能力建設(shè)按照其涵蓋領(lǐng)域的指數(shù)級增長數(shù)的總和需求來規(guī)劃和匡算預(yù)算安排。

4）協(xié)同實施。如在大力發(fā)展數(shù)值天氣預(yù)報科技（x）的同時，須要同時考慮與服務(wù)提供端人工智能科技發(fā)展（y）的平衡，統(tǒng)籌調(diào)整與加強服務(wù)提供有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)控制層的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和科技發(fā)展支撐力，科學(xué)調(diào)配工程保障層、信息保障層、智慧引擎層側(cè)的項目建設(shè)。

5）綠色實施。強化服務(wù)提供的質(zhì)效管理，還需重點加強能源、環(huán)境側(cè)標(biāo)準(zhǔn)的實施力度，隨著科技、信息化快速發(fā)展，信息化（Ф）支撐對能源、環(huán)境的要求增強，科技發(fā)展在無紙化、綠色辦公、科學(xué)文化中的保障作用更應(yīng)得到充分發(fā)揮，這也是降低服務(wù)提供成本，提高服務(wù)質(zhì)量和效益的重要舉措。

4 結(jié)語

通過建立基于質(zhì)量發(fā)展的概念評估模型，從“信息化統(tǒng)籌建設(shè)力、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)支撐力、質(zhì)優(yōu)化管理實施力、科技發(fā)展支撐力”四個維度對構(gòu)建基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型進行全新探索，可為高質(zhì)量發(fā)展氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)體系提供科學(xué)統(tǒng)籌策略。

1）科技發(fā)展融合“服務(wù)器”與“驅(qū)動器”的互動發(fā)展是構(gòu)建基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型的核心理念，只有將科技發(fā)展融合到氣象預(yù)報服務(wù)提供和標(biāo)準(zhǔn)體系實施互動的全過程，所構(gòu)建的質(zhì)量發(fā)展氣象預(yù)報服務(wù)模型才能充分體現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的效果。

2）探索構(gòu)建基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型充分考慮了國內(nèi)外先進預(yù)報服務(wù)供給模式的各自科技發(fā)展特征和質(zhì)量管理績效優(yōu)勢，重構(gòu)了以信息化統(tǒng)籌建設(shè)力貫穿標(biāo)準(zhǔn)控制層、工程保障層、信息保障層、智慧引擎層的高質(zhì)量發(fā)展氣象預(yù)報服務(wù)提供新模式（模型架構(gòu)），在實施過程中，需將模型架構(gòu)圖的思路與模型實施要點相結(jié)合進行，為有關(guān)決策者借鑒使用。

3）基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型融入了創(chuàng)新、融合、互動、平衡、協(xié)同、綠色的發(fā)展特征，統(tǒng)籌考慮解決以數(shù)值天氣預(yù)報、人工智能、信息化等科技快速發(fā)展下的預(yù)報與服務(wù)的發(fā)展平衡問題和氣象預(yù)報服務(wù)的高質(zhì)量提供問題，為高質(zhì)量發(fā)展智慧氣象服務(wù)業(yè)務(wù)提供戰(zhàn)略發(fā)展支持依據(jù)。

4）隨著科技的快速發(fā)展，以信息化為主鏈條的氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)提供體將更多出現(xiàn)，基于質(zhì)量發(fā)展的氣象預(yù)報服務(wù)模型對智慧氣象預(yù)報服務(wù)工程建設(shè)、研用成果轉(zhuǎn)換、氣象預(yù)報服務(wù)信息一體化供給、智慧氣象服務(wù)信息引擎等標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)具有更多、更高期待。

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