王富 陸其峰 于天雷

(中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

引言

氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估是國(guó)家公共資源配置決策的基本依據(jù)，也是氣象衛(wèi)星系統(tǒng)提高應(yīng)用效能和提升服務(wù)能力的重要評(píng)價(jià)手段，一直受到各國(guó)政府和國(guó)際機(jī)構(gòu)的重視[1-2]。經(jīng)過60年的發(fā)展，氣象衛(wèi)星探測(cè)的全球大氣和地表信息已在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、短臨天氣預(yù)報(bào)、短期氣候預(yù)測(cè)和全球氣候變化研究等氣象領(lǐng)域應(yīng)用中取得了顯著成效[3-5]。20世紀(jì)60年代就有研究指出氣象衛(wèi)星有望帶來巨大的潛在效益[6-7]。近年來，隨著航天遙感技術(shù)的進(jìn)步和人類可持續(xù)發(fā)展需求的牽引，氣象衛(wèi)星在防災(zāi)減災(zāi)、重大服務(wù)保障、農(nóng)業(yè)氣象、交通氣象等領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用[8-9]。世界氣象組織(WMO)、世界銀行(WB)、全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)(GCOS)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、瑞士等都在其公布的氣象服務(wù)效益評(píng)估報(bào)告(或研究)中強(qiáng)調(diào)了氣象衛(wèi)星的貢獻(xiàn)[10-19]。但由于氣象衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)生的效益通常體現(xiàn)為所服務(wù)行業(yè)的產(chǎn)值增量或輔助行業(yè)用戶決策所產(chǎn)生的收益[1]，客觀上增加了效益評(píng)估的難度，這也是至今未能形成國(guó)際上公認(rèn)的評(píng)估方法的重要原因之一[2]。隨著全球各大氣象衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估工作也越來越受到各國(guó)重視。國(guó)際氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織(CGMS)更通過設(shè)立工作組，將氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估方法列為專題進(jìn)行研討[2]。

中國(guó)學(xué)術(shù)界開展氣象服務(wù)和衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的效益評(píng)估工作時(shí)間相對(duì)較早[20-26]，但針對(duì)氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益的研究較少，尤其缺乏系統(tǒng)性的研究。因此，開展中國(guó)氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估工作，一方面需要借鑒國(guó)內(nèi)氣象服務(wù)和衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)效益評(píng)估，另一方面需要學(xué)習(xí)國(guó)外氣象衛(wèi)星評(píng)估方法框架。這是個(gè)涉及衛(wèi)星遙感、航天技術(shù)、氣象學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的多學(xué)科交叉問題，文中如有不當(dāng)之處，敬請(qǐng)讀者指正。

1 氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估方法框架

氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益包含國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)及個(gè)人用戶因氣象衛(wèi)星發(fā)展和應(yīng)用而增加的效益總和。前文提到氣象衛(wèi)星應(yīng)用主要包括2類，一類通過氣象服務(wù)間接應(yīng)用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，另一類則是直接應(yīng)用衛(wèi)星數(shù)據(jù)。為了使得總體效益評(píng)估盡可能覆蓋所有用戶的應(yīng)用效益，將氣象衛(wèi)星應(yīng)用的總體效益分為間接通過氣象服務(wù)于用戶所產(chǎn)生的效益，以及直接服務(wù)于用戶產(chǎn)生的效益兩部分。有研究特別強(qiáng)調(diào)氣象衛(wèi)星直接應(yīng)用效益部分應(yīng)參考?xì)庀蠓?wù)效益評(píng)估方法進(jìn)行定量評(píng)估，同時(shí)考慮到在生態(tài)文明和國(guó)際影響力提升等方面氣象衛(wèi)星應(yīng)用釋放出的無形效益，也應(yīng)適當(dāng)保留定性描述的效益評(píng)估[2]。本文依據(jù)以上研究成果，嘗試提出了適合中國(guó)的氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估框架(圖1)。假設(shè)氣象衛(wèi)星的成本效益公式為：

圖1 氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估框架

(1)

其中，B表示成本效益比，C為氣象衛(wèi)星系統(tǒng)整體成本，Eα為通過氣象服務(wù)產(chǎn)生的效益。Eβ和Eδ為直接服務(wù)用戶產(chǎn)生的效益，其中，Eβ為定量評(píng)估效益，Eδ為定性描述部分。則Eα，Eβ可展開如下：

(2)

(3)

其中，Eαi表示第i類用戶從氣象服務(wù)所獲得的效益，η為氣象衛(wèi)星應(yīng)用在氣象服務(wù)中的貢獻(xiàn)率，Eβ i表示第i類用戶應(yīng)用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)生的效益。

氣象衛(wèi)星應(yīng)用的總體效益分為2大部分，第1部分先估算氣象服務(wù)效益，進(jìn)而計(jì)算其中氣象衛(wèi)星應(yīng)用的貢獻(xiàn)，第2部分直接定量和定性評(píng)估氣象衛(wèi)星直接應(yīng)用的效益。

2 氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估

2.1 氣象服務(wù)中氣象衛(wèi)星應(yīng)用的效益評(píng)估

由于早期氣象服務(wù)相對(duì)廉價(jià)，效益評(píng)估研究主要通過定性描述其經(jīng)濟(jì)效益[27-30]。而隨著氣象衛(wèi)星和高性能計(jì)算機(jī)等的出現(xiàn)，氣象基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維持費(fèi)用快速增長(zhǎng)，氣象部門開始引入社會(huì)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)方法定量評(píng)估氣象服務(wù)效益[31-35]，作為爭(zhēng)取政府預(yù)算的重要依據(jù)。WMO一直是全球氣象服務(wù)效益評(píng)估的重要推動(dòng)者，在其發(fā)布的官方報(bào)告中明確將氣象服務(wù)用戶分為行業(yè)氣象用戶和公眾氣象用戶2類，前者又細(xì)分為經(jīng)濟(jì)行業(yè)、公共安全、自然資源等3大類15個(gè)氣象敏感行業(yè)，后者包括個(gè)人、家庭和各類政府和非政府組織[30]。WMO基本氣象系統(tǒng)委員(CBS)根據(jù)上述分法估算認(rèn)為氣象服務(wù)的整體經(jīng)濟(jì)效益約占到國(guó)民經(jīng)濟(jì)總值的0.5%[36]。近期一些研究用倒推法和蒙特卡洛模擬估算氣象服務(wù)敏感的國(guó)民生產(chǎn)總值(GDP)占比。這些研究認(rèn)為美國(guó)20%～33%的GDP為氣象敏感[36-37]，每年受益于氣象服務(wù)的GDP占1%～5%[38]；歐盟國(guó)家約1/3 GDP為氣象敏感，每年受益于氣象服務(wù)的GDP占0.25%～2%[39]。中國(guó)的氣象服務(wù)效益研究略有不同，通常分為公眾氣象服務(wù)和行業(yè)氣象服務(wù)分別進(jìn)行評(píng)估。其中，公眾氣象服務(wù)采取支付意愿法、影子價(jià)格法、節(jié)省費(fèi)用法以及公眾期望值等方法[40-41]，由中國(guó)氣象局委托第三方機(jī)構(gòu)承擔(dān)全國(guó)性評(píng)估[42]；行業(yè)氣象服務(wù)則采取全行業(yè)專家調(diào)查評(píng)估的方法，表1中17個(gè)氣象敏感行業(yè)的氣象服務(wù)貢獻(xiàn)率[20,41]中，貢獻(xiàn)率最低的教育行業(yè)占比為0.56%，最高的公共管理與社會(huì)組織行業(yè)在2006年達(dá)到7.07%。通過比較不同省和不同行業(yè)的氣象服務(wù)效益研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)其中存在較為明顯的差異[43-48]。

表1 2006年中國(guó)行業(yè)氣象服務(wù)效益調(diào)查評(píng)估統(tǒng)計(jì)表***

氣象衛(wèi)星對(duì)氣象服務(wù)中的貢獻(xiàn)率主要由全球衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)通過評(píng)估其對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等核心服務(wù)的貢獻(xiàn)得到。歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織(EUMETSAT)利用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(OSE)系統(tǒng)估算衛(wèi)星資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中的貢獻(xiàn)，研究認(rèn)為減少極軌衛(wèi)星資料將使數(shù)值天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力降低15%～20%，而衛(wèi)星資料對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)等氣象服務(wù)的貢獻(xiàn)占比約為8%[39]。美國(guó)國(guó)家大氣與海洋局(NOAA)采取整體估計(jì)與蒙特卡洛隨機(jī)模擬相結(jié)合的方法，認(rèn)為天氣預(yù)報(bào)對(duì)氣象敏感GDP的貢獻(xiàn)率為35%～42%，其中極軌氣象衛(wèi)星資料的貢獻(xiàn)占比約為9%～12%[38]。中國(guó)評(píng)估報(bào)告則認(rèn)為氣象衛(wèi)星的貢獻(xiàn)率約為9%[49]。

2.2 氣象衛(wèi)星直接應(yīng)用效益評(píng)估

早期，衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估的主要是航天領(lǐng)域高新技術(shù)向民用技術(shù)轉(zhuǎn)化推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的效益，通?；谕度氘a(chǎn)出模型[23-26,50]。衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)通常會(huì)定期發(fā)布衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估報(bào)告。例如，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)每年發(fā)布效益評(píng)估報(bào)告，其中涉及具體行業(yè)應(yīng)用效益評(píng)估的數(shù)據(jù)通常由行業(yè)用戶提供。NASA在“2015年衛(wèi)星效益評(píng)估報(bào)告”中引用了美國(guó)環(huán)保署(EPA)數(shù)據(jù)，認(rèn)為衛(wèi)星資料通過改善空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)(NAAQS)產(chǎn)生效益約為29至59億美元[51-52]。也有衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)采取更為直接的名義價(jià)格計(jì)算方法，如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)以陸地衛(wèi)星(Landsat)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)免費(fèi)政策執(zhí)行前的價(jià)格作為名義價(jià)格，簡(jiǎn)單乘以總體數(shù)據(jù)下載量來估算其應(yīng)用效益[53]。CGMS工作組以加拿大海冰監(jiān)測(cè)為例提出了具體經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算方法，即將由于應(yīng)用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)節(jié)省的購買海冰監(jiān)測(cè)服務(wù)、海岸警衛(wèi)隊(duì)等支出，以及增設(shè)航道的商業(yè)利潤(rùn)作為其經(jīng)濟(jì)效益[2]。中國(guó)的相關(guān)研究認(rèn)為氣象衛(wèi)星應(yīng)用覆蓋的行業(yè)包括氣象防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等[49,56]，而其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷拓展。作為衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)的中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心建立了氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)年報(bào)制度[54,55]，通過邀請(qǐng)用戶參與問卷調(diào)查的方式進(jìn)行行業(yè)應(yīng)用效益評(píng)估。

定性評(píng)價(jià)方法則被應(yīng)用到更多無法定量評(píng)估的領(lǐng)域。比如，定性描述氣象衛(wèi)星通過監(jiān)測(cè)降水、海冰、雪、地表溫度、大氣成分、火點(diǎn)、煙塵、浮油、氣溶膠和云等大氣和陸地要素等產(chǎn)生的相應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。尤其是生命安全、國(guó)防安全、氣候監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、空氣質(zhì)量和海洋預(yù)報(bào)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間天氣等難以量化評(píng)估的應(yīng)用領(lǐng)域[38-39]。一些衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)發(fā)布的報(bào)告中也有采用定性評(píng)價(jià)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料在地震滑坡制圖、鳥類保護(hù)、農(nóng)業(yè)、森林火災(zāi)、水資源等領(lǐng)域應(yīng)用效益的初步結(jié)論[56]。

3 氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益比較與分析

中國(guó)氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估框架(圖1)包括氣象服務(wù)中的氣象衛(wèi)星應(yīng)用貢獻(xiàn)和直接應(yīng)用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)兩部分，而氣象服務(wù)又分為公眾氣象服務(wù)和行業(yè)氣象服務(wù)兩部分[20,40]。利用支付意愿法估算中國(guó)2006年公眾氣象服務(wù)效益為至少536億元[20]，假設(shè)2006—2012年公眾氣象服務(wù)效益增速為線性且與GDP增速相同，則可估算得到2012年公眾氣象服務(wù)效益至少為960.1億元，按貢獻(xiàn)率9%估算氣象衛(wèi)星應(yīng)用貢獻(xiàn)的效益值約為86.4億元。行業(yè)氣象服務(wù)部分，利用表1中的貢獻(xiàn)率和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的2012年國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)產(chǎn)值，則可估算得到2012年行業(yè)氣象服務(wù)效益達(dá)到8446.9億元，按貢獻(xiàn)率9%估算氣象衛(wèi)星效益，約為760.2億元。綜合以上兩者，可得氣象服務(wù)中氣象衛(wèi)星應(yīng)用的總效益約為846.6億元(表2)。此外，利用Delphi法得到2001—2012年氣象衛(wèi)星應(yīng)用在氣象服務(wù)中的總體效益為2510億元[49]，仍假設(shè)效益增速與GDP增速一致，則2012年氣象服務(wù)中氣象衛(wèi)星應(yīng)用的效益至少為335.9億元。長(zhǎng)時(shí)間序列的總體效益傾向于保守估計(jì)，采用貢獻(xiàn)率估算更接近可能值。此外，由于缺少2006年以后全國(guó)行業(yè)氣象服務(wù)效益評(píng)估的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本文仍沿用2006年研究成果。鑒于全球氣候變化等因素影響和行業(yè)氣象服務(wù)能力的提升，采用2006年研究成果可能低估實(shí)際效益。

表2 2012年氣象服務(wù)中氣象衛(wèi)星應(yīng)用的效益 億元

EUMETSAT估算認(rèn)為2012年歐盟公眾氣象服務(wù)效益(公共服務(wù)效益)最小值為13億歐元，最大值達(dá)55億歐元，約合106.3～449.7億人民幣，而行業(yè)氣象服務(wù)(經(jīng)濟(jì)行業(yè)效益)為100～410億歐元，約合817.7～3352.6億人民幣[39]，總計(jì)924.0～3802.3億人民幣(歐元兌人民幣匯率采用2012年平均匯率8.177)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)中國(guó)公眾氣象服務(wù)和行業(yè)氣象服務(wù)的效益與歐盟的最小值更為接近。此外，EUMETSAT還強(qiáng)調(diào)每年40～150億歐元的私人商業(yè)應(yīng)用效益，使其總效益高達(dá)150～610億歐元，約合1226.6～4988.0億人民幣。

美國(guó)沒有公布公眾氣象服務(wù)和行業(yè)氣象服務(wù)的效益，而根據(jù)17042億美元年GDP總數(shù)估算其中氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益為21.2～121.2億美元，合133.6～764.04億人民幣(美元兌人民幣匯率采用2012年平均匯率6.304)。由于氣象衛(wèi)星直接應(yīng)用部分缺乏可靠的評(píng)估結(jié)論，本文后續(xù)定量評(píng)估部分偏重氣象服務(wù)中氣象衛(wèi)星應(yīng)用的貢獻(xiàn)。

為了進(jìn)一步估算中美歐三大氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的成本效益比，本文基于現(xiàn)有公開研究和資料估算了其成本。整體而言，WMO CBS測(cè)算認(rèn)為全球氣象衛(wèi)星建設(shè)成本每年約90億美元，包括全球氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用約40億美元和數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M(fèi)用約50億美元[36]。研究指出中國(guó)2001—2012年間投入氣象衛(wèi)星建設(shè)經(jīng)費(fèi)為75億元[49]，按GDP增速測(cè)算投資增速，則其2012年度投資約為10.0億元。EUMETSAT公布其每年投入氣象衛(wèi)星約為34億歐元[39]。將以上數(shù)據(jù)代入公式(1)，將其中直接應(yīng)用部分設(shè)為0，則可估算得到中國(guó)氣象衛(wèi)星成本效益比為1∶33.6 ～1∶84.7，與早期研究中1∶40的結(jié)論基本一致[49]。而歐盟成本效益比為1∶4.4～1∶17.9，與其報(bào)告中1∶5～1∶20接近[39]。通過表3中的比較也可以發(fā)現(xiàn)中國(guó)與美國(guó)的氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益較為接近且都低于歐盟，但中國(guó)成本效益比較高。這些差異一方面是由于評(píng)估方法和評(píng)估框架的差異引起的，另一方面是因?yàn)槿鄙僭u(píng)估方案的細(xì)節(jié)，不足以支撐各國(guó)互相借鑒和交叉檢驗(yàn)。本文僅以公開資料對(duì)比2012年中、美、歐氣象衛(wèi)星應(yīng)用成本效益比。但2012年以后，中國(guó)氣象衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展迅速，效益增速加快，本文評(píng)估結(jié)果應(yīng)比2012年以后實(shí)際情況偏低。

表3 2012年中美歐氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益值 億元

4 結(jié)論和討論

氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估始于20世紀(jì)60年代，隨著提升氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益的需求日益增加，效益評(píng)估方法也逐漸為學(xué)術(shù)界以及全球氣象衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)所重視。為氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益提供經(jīng)濟(jì)學(xué)依據(jù)，對(duì)于優(yōu)化國(guó)家公共資源配置決策和指導(dǎo)氣象衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義。

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的分析總結(jié)，結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況，從氣象服務(wù)效益中氣象衛(wèi)星應(yīng)用的貢獻(xiàn)和氣象衛(wèi)星直接應(yīng)用效益兩方面提出了氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評(píng)估方法框架，以現(xiàn)有研究結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行了整體估算，并比較了2012年美國(guó)、歐盟和中國(guó)的氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益值。其中，氣象服務(wù)效益評(píng)估部分相對(duì)成熟且有明確結(jié)論，而在氣象衛(wèi)星直接應(yīng)用效益部分仍以個(gè)例研究為主，缺少整體評(píng)估結(jié)果。現(xiàn)有研究結(jié)果主要是氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益中對(duì)氣象服務(wù)的貢獻(xiàn)部分，整體效益值應(yīng)遠(yuǎn)高于此部分。中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心正通過邀請(qǐng)用戶進(jìn)行問卷調(diào)查的形式，以支付意愿法等估算氣象衛(wèi)星應(yīng)用的直接效益部分。

本文評(píng)估結(jié)果中，中國(guó)和美國(guó)的氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益最大值都在850億元左右，僅為歐盟的17.4%，中國(guó)的最小值為美國(guó)的2倍多，為歐盟的25%。中美效益評(píng)估值都低于歐盟，而由于中國(guó)在氣象衛(wèi)星領(lǐng)域投入小于歐盟，因而成本效益比達(dá)到歐盟的5～10倍。當(dāng)然引起以上差異的原因，還包括效益評(píng)估統(tǒng)計(jì)用戶以及成本估算的差異，如歐盟統(tǒng)計(jì)的效益包括了私人公司企業(yè)等用戶，而中國(guó)的成本估算僅包含衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用。鑒于本文采用的公開研究資料較為有限，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況可能存在一定的偏差。

未來氣象衛(wèi)星效益評(píng)估方法將成為氣象衛(wèi)星國(guó)際合作的重要內(nèi)容之一。為國(guó)際公認(rèn)的氣象衛(wèi)星效益評(píng)估方法框架貢獻(xiàn)中國(guó)智慧，不僅是氣象衛(wèi)星長(zhǎng)期健康發(fā)展、實(shí)現(xiàn)效益最大化和長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，也是中國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星未來領(lǐng)跑世界、為全球用戶——尤其是“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)用戶提供更高數(shù)據(jù)服務(wù)的需要。