■ 伍洋 翟薇 張勇 顧青峰 李俊 陸楠

氣象工程是一項涉及觀測采集、傳輸交換、加工處理、綜合分析、應用服務、支撐保障等全方位業(yè)務流程的系統(tǒng)工程。隨著氣象部門不斷推動落實《氣象高質量發(fā)展綱要（2022—2035年）》目標任務，如何在有限的建設周期和資金預算下，科學、合理、高質量的發(fā)展包括綜合氣象觀測站網(wǎng)在內(nèi)的各項氣象業(yè)務能力建設，迫切需要開展以需求為導向的氣象重大工程項目統(tǒng)籌設計研究。2021年11月，氣象大數(shù)據(jù)云平臺（天擎）通過業(yè)務化評審，實現(xiàn)了對計算、存儲、網(wǎng)絡等基礎設施資源的統(tǒng)籌，構建了以氣象大數(shù)據(jù)云平臺為“云”、氣象業(yè)務系統(tǒng)為“端”的“云＋端”氣象技術體制新架構。2022年9月，中國氣象局印發(fā)《氣象業(yè)務軟件統(tǒng)籌工作方案（2022—2025年）》，更進一步明確了建立以監(jiān)測、預報、服務、信息核心業(yè)務軟件為支撐，定制化、輕量化、多樣化的應用軟件為主體的氣象業(yè)務軟件生態(tài)發(fā)展目標和藍圖。

我國每年新增氣象資料容量超過1000 TB，且格式種類繁多、表現(xiàn)形式迥異，但在面向服務對象時，由于對氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品資源體系的頂層設計、相關標準規(guī)范不夠完善，且各業(yè)務單位的數(shù)據(jù)產(chǎn)品資源仍存在分散部署、冗余重復、供需不夠匹配的情況，使得氣象工程集約化設計越來越難以適應對數(shù)據(jù)集約的發(fā)展要求。2020年6月，中國氣象局組建氣象發(fā)展與規(guī)劃院的目的之一，是提升對國家氣象重大工程建設的綜合性咨詢服務能力，全力做好生態(tài)氣象保障、氣象防災減災能力提升、海洋氣象保障、區(qū)域人工影響天氣等國家級氣象重點工程的統(tǒng)籌集約設計。本文從氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給與需求之間的矛盾出發(fā)，通過設計一套工程集約化設計方法與工具，為加快工程項目推進、統(tǒng)籌國省建設資金提供實現(xiàn)路徑。

1 氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品供需關系問題分析

氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在供給側和需求側之間存在的問題主要包括：一是在部門內(nèi)循環(huán)中，氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端與數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求端在工程設計時期存在較為明顯的脫節(jié)，數(shù)據(jù)鏈條上下游沒有形成很好的對接，導致產(chǎn)生“數(shù)據(jù)有供給無需求、數(shù)據(jù)有需求無供給”等問題（圖1a）；二是在部門外循環(huán)中，作為氣象服務產(chǎn)品需求端，政府和外部門對氣象服務產(chǎn)品的需求往往沒有明確、完整的清單列表，一般都會表示希望氣象部門提供越多越好的氣象服務產(chǎn)品，從而表現(xiàn)出“服務供給無法完全滿足需求”的狀況，當然也不排除少量“研制的服務產(chǎn)品無人使用”的狀況存在（圖1b）；三是氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端分布于多個單位，在數(shù)據(jù)質量控制和評估方面，存在一定程度的業(yè)務交叉重疊，從而產(chǎn)生重復的對內(nèi)數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給（圖1c）；四是由于缺乏數(shù)據(jù)產(chǎn)品的相關業(yè)務標準和清晰的分類體系，作為部門內(nèi)循環(huán)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求端（同時也是部門外循環(huán)的服務產(chǎn)品供給端），各單位在數(shù)據(jù)加工制作產(chǎn)品環(huán)節(jié)存在較大的“不透明度”，供需雙方無法按照同樣一個維度劃分各自的產(chǎn)品類別，無法在相同的一個數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類層級上進行供需對接，在把數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工制作成服務產(chǎn)品的過程中易產(chǎn)生冗余、無效等處理操作（圖1d）。

圖1 氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品供需關系現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)行的氣象資料分類標準主要有三個（表1）?！稓庀筚Y料分類與編碼》將氣象資料劃分為15類一級資料；《氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)分類與編碼規(guī)范》遵循GB/T 40153-2021，規(guī)定一級資料“衛(wèi)星氣象資料”按照屬性的不同組合進行二級資料劃分；《大氣成分觀測資料分類與編碼》遵循GB/T 40153-2021，規(guī)定一級資料“大氣成分資料”4個大氣成分數(shù)據(jù)共同具有的屬性的不同組合進行二級資料劃分。目前，其他13類一級資料尚未見到相應的二級資料分類編碼標準發(fā)布。

表1 氣象資料分類編碼現(xiàn)行標準

2 氣象工程集約化設計方法

2.1 雙循環(huán)體系

集約化設計目的是解決供需矛盾問題，集約化設計方法研制主要基于氣象部門數(shù)據(jù)和產(chǎn)品全流程需求供給規(guī)律，以及引起供需矛盾的本質原因。圖2系統(tǒng)展示了以數(shù)據(jù)產(chǎn)品為核心的氣象部門內(nèi)循環(huán)和以服務產(chǎn)品為核心的氣象部門外循環(huán)共同構建的氣象部門數(shù)據(jù)和產(chǎn)品雙循環(huán)體系，以及貫穿其中的氣象數(shù)據(jù)全流程體系。

圖2 氣象部門數(shù)據(jù)和產(chǎn)品雙循環(huán)體系

2.2 技術思路

對于圖1a所示的供需矛盾，在部門內(nèi)循環(huán)中，消除無效供給和無效需求、實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端與需求端有機銜接的技術路線有三條：一是從數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端出發(fā)，供給端基于雙方認可的數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類分級方式，梳理《氣象原始數(shù)據(jù)供給狀況表》全集目錄，交由數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求端進行勾選，包括原始數(shù)據(jù)名稱、對應業(yè)務種類名稱等；二是從數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求端出發(fā)，需求端基于雙方認可的數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類分級方式，梳理《氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況表》全集目錄，交由數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端進行勾選，包括數(shù)據(jù)產(chǎn)品名稱、使用的觀測設備名稱等；三是數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端和需求端同時提出各自的資源狀況和需求指標，進行對接匹配，從而構建起集約有效的供需關系。

對于圖1b所示的供需矛盾，在部門外循環(huán)中，消除無效供需、實現(xiàn)科學對接的方式可參考上述三條技術路線。但是，考慮到政府各部門間的溝通對接方式和傳統(tǒng)流程，先由氣象部門梳理出能夠提供的《氣象預報和服務產(chǎn)品資源清單》全集目錄，再向政府和外部門等服務對象發(fā)函征求意見，或許是相對可行的路線選擇。另外，結合業(yè)務工作實際，通過確認政府在服務產(chǎn)品報告的批示簽報、與外部門的服務合作協(xié)議等公文依據(jù)，也可一定程度上消除“服務產(chǎn)品有供給無需求”的狀況。

對于圖1c所示的供需矛盾，技術路線可采用：基于中國氣象局分管職能司對數(shù)據(jù)質量控制業(yè)務的分單位職責劃分情況，梳理分析《氣象觀測資料質量控制項目清單》，明確各類氣象觀測數(shù)據(jù)全流程各環(huán)節(jié)的質量控制項，對開展氣象觀測資料質量控制業(yè)務的數(shù)據(jù)供給端各單位開展現(xiàn)狀調查，從而排除冗余、無效的質量控制過程，實現(xiàn)對內(nèi)數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給集約。

對于圖1d所示的供需矛盾，部門內(nèi)循環(huán)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求端（即部門外循環(huán)的服務產(chǎn)品供給端）是氣象數(shù)據(jù)全流程體系中最為關鍵、承上啟下的環(huán)節(jié)。但往往在數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工制作環(huán)節(jié)涉及業(yè)務單位較多，由于缺少一級資料“數(shù)值預報產(chǎn)品”和“氣象服務產(chǎn)品”等的二級資料分類標準，以及清晰成熟的加工制作業(yè)務體系架構，擬從數(shù)據(jù)產(chǎn)品正向推導至服務產(chǎn)品并剔除掉所有冗余項是較為復雜和困難的。因此，倒推法則更為適用，以《氣象預報和服務產(chǎn)品資源清單》為基礎開展重復性檢查，反向梳理排除冗余的上游數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)對外服務產(chǎn)品供給集約。

綜上，氣象工程集約化設計的技術流程應為：《氣象預報和服務產(chǎn)品資源清單》→《氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況表》→《氣象原始數(shù)據(jù)供給狀況表》→《氣象觀測資料質量控制項目清單》，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品資源供需清單及其配套工程建設內(nèi)容的統(tǒng)籌集約。

2.3 技術方法

2.3.1 重復性檢查

1）預報和服務產(chǎn)品重復性檢查：由氣象預報預測系統(tǒng)和公共氣象服務系統(tǒng)生成的、基于氣象服務之目的而制作的、可直接服務于用戶的氣象信息產(chǎn)品均屬于預報和服務產(chǎn)品，對這類產(chǎn)品是否存在重復的檢查稱為預報和服務產(chǎn)品重復性檢查。

2）數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況重復性檢查：部門內(nèi)循環(huán)中對需求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是否存在重復的檢查稱為數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況重復性檢查。

3）質量控制項目重復性檢查：氣象數(shù)據(jù)的質量控制是指采用一定的工藝措施，使氣象數(shù)據(jù)資料滿足相關質量要求的過程。廣義的質量控制，涵蓋數(shù)據(jù)全生命周期，貫穿數(shù)據(jù)全鏈條流程，凡是為追求真值而進行的操作都可以稱作質量控制，包括定標、預處理、數(shù)據(jù)整合、質量控制、質量評估、偏差訂正、黑名單等；狹義的質量控制，包括基本質量控制、考慮觀測和模式背景場關系的質量控制、氣候資料均一性訂正等。對同一氣象觀測資料擬開展的質量控制項目是否存在廣義分類或狹義分類上的相同或相似的檢查稱為質量控制項目重復性檢查。除了質量控制項目類型外，還有質量控制算法類型也可進行重復性檢查。當前實際業(yè)務中常用到的氣象觀測資料質量控制項目見表2，國內(nèi)外現(xiàn)有的質量控制算法包括空間回歸檢驗算法、反距離權重插值算法、綜合質量控制算法（NCEP CQC）、變分質量控制算法（ECMWF VarQC）、偏差訂正算法（NCEP RADCOR）、基于貝葉斯理論的自動質量控制算法等。

表2 氣象觀測資料質量控制項目分類

2.3.2 有效性檢查

1）預報和服務產(chǎn)品有效性檢查：部門外循環(huán)中，對外提供的預報服務產(chǎn)品制作依據(jù)是否充分的檢查稱為預報和服務產(chǎn)品有效性檢查。通常認為，充分有效的依據(jù)性文件包括與外部門的服務合作協(xié)議、政府在服務產(chǎn)品報告的批示簽報等。

2）數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況有效性檢查：對內(nèi)數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求端提出的需求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是否能有效轉換為其作為對外服務產(chǎn)品供給端提供的服務產(chǎn)品的檢查稱為數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況有效性檢查。有效轉換的含義，包括對內(nèi)需求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品清單與對外提供的服務產(chǎn)品清單之間能夠建立起“一對一”“一對多”“多對多”等關系，不存在有需求無供給或者有供給無需求的情況；在轉換過程中不存在應由數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端完成的任務操作，包括格式改變、質量控制、數(shù)據(jù)插補、單位換算、量度變換、統(tǒng)計計算、匯編整編等。

3）原始數(shù)據(jù)供給狀況有效性檢查：部門內(nèi)循環(huán)中，對內(nèi)提供的原始數(shù)據(jù)是否能與需求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品形成合理有效的供需關系的檢查稱為原始數(shù)據(jù)供給狀況有效性檢查。合理有效的供需關系主要指不存在有需求無供給或者有供給無需求的情況。

4）質量控制項目有效性檢查：對內(nèi)數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端開展的質量控制項目是否能與數(shù)據(jù)產(chǎn)品的供給和需求情況相匹配的檢查稱為質量控制項目有效性檢查。

3 氣象工程集約化設計工具

基于第2節(jié)集約化設計方法確定的技術思路和技術方法，設計了《氣象預報和服務產(chǎn)品資源清單》《氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況表》《氣象原始數(shù)據(jù)供給狀況表》《氣象觀測資料質量控制項目清單》等4個工具，科學有效地運用集約化設計工具，可引領氣象重大工程項目統(tǒng)籌設計高效能發(fā)展。

3.1 氣象預報和服務產(chǎn)品資源清單

由部門外循環(huán)的服務產(chǎn)品供給端各單位進行填寫（表3）。該表的重點在于理清對外提供的預報服務產(chǎn)品的重復性和有效性，即預報服務產(chǎn)品是否統(tǒng)籌集約、制作依據(jù)是否充分。該表共設置14個字段。

表3 氣象預報和服務產(chǎn)品資源清單

3.2 氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況表

由部門內(nèi)循環(huán)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求端各單位進行填寫（表4）。該表的重點在于理清可用于制作預報服務產(chǎn)品所需求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品的重復性和有效性，即數(shù)據(jù)產(chǎn)品是否統(tǒng)籌集約、與預報服務產(chǎn)品之間是否形成合理有效的供需關系。該表共設置11個字段，其中，第2、6～8個字段應與表3相關字段構成關聯(lián)關系。

表4 氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況表

3.3 氣象原始數(shù)據(jù)供給狀況表

由部門內(nèi)循環(huán)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端各單位進行填寫（表5）。該表的重點在于理清觀測系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)的有效性，即與數(shù)據(jù)產(chǎn)品之間是否形成合理有效的供需關系。該表共設置15個字段，其中，第9～15個字段應與表4相關字段構成關聯(lián)關系。

表5 氣象原始數(shù)據(jù)供給狀況表

3.4 氣象觀測資料質量控制項目清單

由部門內(nèi)循環(huán)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品供給端各單位進行填寫（表6）。該表的重點在于理清質量控制項目的重復性和有效性，即數(shù)據(jù)質量控制項是否統(tǒng)籌集約、與數(shù)據(jù)產(chǎn)品上下游供需兩端是否形成有效聯(lián)系。該表共設置9個字段，其中，第2～5個字段應與表4相關字段構成關聯(lián)關系；第6～7個字段應與表5相關字段構成關聯(lián)關系。

4 結果與討論

自2021年7月底，基于氣象工程集約化設計方法和設計工具已在《生態(tài)氣象保障能力提升與氣候變化監(jiān)測評估工程可行性研究報告》設計中得到實踐應用，初步實現(xiàn)了針對氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況和原始數(shù)據(jù)供給狀況的有效性檢查與優(yōu)化處理設計。運用氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)品雙循環(huán)供需體系的設計思路開展氣象數(shù)據(jù)全鏈條流程分析，對于全面把握生態(tài)工程建設總體框架、科學合理設置生態(tài)氣象保障工程建設內(nèi)容有明顯提升作用。最終，生態(tài)氣象保障能力提升與氣候變化監(jiān)測評估工程涉及的20多個系統(tǒng)、760個子系統(tǒng)、130億元左右的建設投資需求凝練成為8個領域、25個重點方向、42種發(fā)布載體、共348項服務產(chǎn)品清單，達到了基于生態(tài)氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品供需統(tǒng)籌的工程集約設計要求。

本文針對氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在供給側和需求側之間的銜接問題，通過理清對外服務產(chǎn)品供給、對內(nèi)數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求、原始數(shù)據(jù)供給和質量控制之間的關系，研究提出了氣象工程集約化設計方法，為構建集約有效的供需關系進行了探索。1）該方法包括重復性檢查、有效性檢查等，每種檢查又包含多項設計方式和內(nèi)容；2）該方法基于氣象部門數(shù)據(jù)和產(chǎn)品雙循環(huán)體系開展工程統(tǒng)籌設計，涵蓋《氣象預報和服務產(chǎn)品資源清單》《氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求狀況表》《氣象原始數(shù)據(jù)供給狀況表》《氣象觀測資料質量控制項目清單》4個設計工具；3）該方法在生態(tài)工程設計實踐過程中，對于排除冗余、無效的數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務產(chǎn)品有較明顯作用；4）從促進服務產(chǎn)品不斷優(yōu)化、升級的角度來說，保持適度的冗余是必要的。如何細化完善氣象數(shù)據(jù)和服務產(chǎn)品分類分級標準、在投資效益與事業(yè)發(fā)展之間找到“最優(yōu)化”狀態(tài)、實現(xiàn)計算機自動化匹配檢查等方面，將是氣象工程集約化設計方法研究未來改進的方向。

深入閱讀

趙芳, 何文春, 張小纓, 等, 2018. 全國綜合氣象信息共享平臺建設.氣象科技進展, 8(1): 171-180.

廖捷, 周自江, 2018. 全球常規(guī)氣象觀測資料質量控制研究進展與展望. 氣象科技進展, 8(1): 56-63.

廖捷, 胡開喜, 江慧, 等, 2018. 全球大氣再分析常規(guī)氣象觀測資料的預處理與同化應用. 氣象科技進展, 8(1): 133-142.

任芝花, 張志富, 孫超, 等, 2015. 全國自動氣象站實時觀測資料三級質量控制系統(tǒng)研制. 氣象, 41(10): 1268-1277.

李慶祥, 2016. 我國氣候資料均一性研究現(xiàn)狀與展望. 氣象科技進展, 6(3): 67-74.

王海軍, 劉瑩, 2012. 綜合一致性質量控制方法及其在氣溫中的應用. 應用氣象學報, 23(1): 69-76.