賈凈翔, 胡文東,2,3, 王承偉, 邵 建, 胡亮帆, 郝艷瓊, 徐文嘉

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610225;2. 軟件自動生成與智能服務(wù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610225;3.高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610225;4.黑龍江省氣象臺,黑龍江 哈爾濱,150030;5. 銀川市氣象局,寧夏 銀川 750002)

0 引言

對氣象工作者來說,進(jìn)入新時代必須緊密圍繞國家重大發(fā)展戰(zhàn)略以及人民群眾對美好生活向往的需要,加強(qiáng)氣象預(yù)報精細(xì)化、專業(yè)化、個性化、全球化,提高氣象預(yù)報可靠性、開放性、可移植性及工作效率[1-5]。 當(dāng)今現(xiàn)代信息技術(shù)迅猛發(fā)展,云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)等與氣象科技相結(jié)合,為氣象業(yè)務(wù)的重大進(jìn)步打下了堅實(shí)的基礎(chǔ),逐步實(shí)現(xiàn)保障運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、方便、易維護(hù)的目標(biāo)[6-7]。

當(dāng)前無縫隙精細(xì)化網(wǎng)格氣象預(yù)報已成為國際主流趨勢[8-10]。 WMO 世界天氣研究計劃2014 年提出地球系統(tǒng)無縫隙預(yù)報:從分鐘到月[11],2017 年世界氣候研究計劃、世界氣象研究計劃和全球大氣觀察計劃,明確將無縫隙預(yù)報作為未來幾十年指導(dǎo)方針[12-13]。 2019年WMO 指出,氣象業(yè)務(wù)將轉(zhuǎn)向在無縫隙的地球系統(tǒng)框架,強(qiáng)調(diào)從分鐘到年代際,從局地到全球預(yù)報系統(tǒng),并提出從分鐘級到世紀(jì)尺度、從米到全球空間尺度的預(yù)報發(fā)展趨勢[14]。

美國在2003 年開展了國家數(shù)字預(yù)報數(shù)據(jù)庫[15],提供逐小時更新2.5/5 km分辨率,從0 ～45 d延伸期的無縫隙網(wǎng)格天氣預(yù)報。 澳大利亞2012 年開始分辨率為5 km的8 d內(nèi)網(wǎng)格指導(dǎo)預(yù)報[16]。

中國氣象局把握時代發(fā)展方向,2014 年開始這一業(yè)務(wù)系統(tǒng)研發(fā)[5]。 近年來充分利用最新科技成果,初步建成無縫隙網(wǎng)格化預(yù)報業(yè)務(wù),大幅提高氣象服務(wù)與保障能力[7,17-20]。 但這一工作開展時間相對較短,一方面在技術(shù)層面存在不足[5,21-23];另一方面對預(yù)報人員來說,預(yù)報工作中每一個維度的信息量均呈爆炸式增長,原本順暢的思維過程突然出現(xiàn)了巨大問題,需要通過技術(shù)手段加以解決[24-25]。 而第一步就是進(jìn)行細(xì)致分析,找出可行的科學(xué)途徑以提供正確的指導(dǎo)方針。

本文針對無縫隙網(wǎng)格預(yù)報的新情況,從預(yù)報員日常預(yù)報工作量對比分析入手,以提高業(yè)務(wù)能力為目的,對預(yù)報業(yè)務(wù)環(huán)境的各項(xiàng)約束性條件進(jìn)行分析,探討輔助預(yù)報員進(jìn)行預(yù)報決策的適用性理論,從而為建立智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供相關(guān)的科學(xué)基礎(chǔ)。

1 預(yù)報工作量的爆炸性增加

天氣預(yù)報的最終產(chǎn)品是多維度的數(shù)據(jù),概括地說有天氣要素、空間分布和時間變化。 而每一個維度中數(shù)量的增加,最終將導(dǎo)致信息量的巨大增長。 以短期預(yù)報為例進(jìn)行分析。

1.1 預(yù)報對象數(shù)量空間的變化

首先從空間分布來說,以往的傳統(tǒng)預(yù)報過程中,一般僅預(yù)報20 個站點(diǎn)左右,很少達(dá)到30 個站點(diǎn)。 而無縫隙網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)中,中國為5×5 km2的網(wǎng)格分布,重點(diǎn)區(qū)域1×1 km2。 按國土面積(不計海區(qū))960 萬km2粗略計算,縣級行政單位2856 個,平均3361 km2,縣的預(yù)報員在一次預(yù)報中則需考慮135 個格點(diǎn)。 對省級行政單位來說,共有34 個省(簡稱為省)級行政區(qū),則平均面積282353 km2。 每個省的預(yù)報員在當(dāng)前業(yè)務(wù)中,對某一個時刻的預(yù)報則需面對11294 個格點(diǎn)。 目前預(yù)報地點(diǎn)已較以往增加了近400 倍,而許多省的格點(diǎn)更加細(xì)密,空間分辨率更高。 面對重點(diǎn)區(qū)域1×1 km2的網(wǎng)格,空間點(diǎn)上任務(wù)增加更多。

以面積相對較小的寧夏(6.64 萬km2)為例(表1)。傳統(tǒng)預(yù)報時省級預(yù)報員關(guān)注站點(diǎn)為20 個,市級預(yù)報員平均關(guān)注站點(diǎn)4 個(13 ～284 km2)。 格點(diǎn)預(yù)報業(yè)務(wù)中5×5 km2的格點(diǎn)預(yù)報省級預(yù)報員關(guān)注點(diǎn)數(shù)為2657 個(1×1 km2則為63762 個),市級平均為531 個(1×1 km2為12752 個)。 所以省級工作量增加了約132 倍(1×1 km2約3188 倍),市級增加約144 倍(1×1 km2約3183 倍)。

黑龍江面積較大,為47.3 萬km2。 初步計算表明省級工作量增加了243 倍,市級工作量增加了約144倍(表2)。

表2 黑龍江省氣象臺傳統(tǒng)預(yù)報與網(wǎng)格預(yù)報工作量對比

盡管相鄰區(qū)域的天氣在較大尺度上總體相近,在傳統(tǒng)預(yù)報中可通過“相鄰則相似”的思路降低工作量。但無縫隙網(wǎng)格預(yù)報的特點(diǎn),就在于突出每一個格點(diǎn)的天氣獨(dú)特性,沿用以往的方法會平滑掉不同格點(diǎn)特有的天氣,從而從根本上否定網(wǎng)格預(yù)報的意義和存在價值,所以傳統(tǒng)預(yù)報中的思路并不適用。

對于如此眾多的格點(diǎn),沿用以往的方法難以有效把控。 而中國是世界上地形、地貎最為復(fù)雜,天氣氣候差異極為明顯的國家之一,格點(diǎn)之間的差異巨大,所以無論從網(wǎng)格預(yù)報的本質(zhì)要求還是客觀現(xiàn)實(shí)來說,都要求我們努力分析每一格點(diǎn)特有的天氣要素,不能簡單沿用“相鄰則近似”的方法,因而預(yù)報空間上的巨大工作增量無可避免,傳統(tǒng)方法不再適用。

1.2 預(yù)報對象時間與要素的數(shù)量變化

在時間的維度上來說,傳統(tǒng)預(yù)報的時間密度相對有限,而無縫隙網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)則時間分辨率進(jìn)一步提高。 從要素來看,無縫隙網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)要素大幅增多并有繼續(xù)增加的可能,較傳統(tǒng)預(yù)報要素相比增長明顯。

另外,在一個值班期間,無縫隙網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)要求進(jìn)行滾動更新預(yù)報,所以預(yù)報員分析氣象信息、考慮預(yù)報內(nèi)容的工作時間大幅減少,而從預(yù)報頻次來看工作強(qiáng)度也是急劇增加。

同樣以寧夏為例(表3),傳統(tǒng)預(yù)報1 天更新3 次,最高時間分辨率6 h,最長預(yù)報時效168 h,預(yù)報要素7項(xiàng);而格點(diǎn)預(yù)報則全面急劇增加。

表3 寧夏回族自治區(qū)氣象臺傳統(tǒng)預(yù)報與網(wǎng)格預(yù)報的時間、要素對比

1.3 無縫隙網(wǎng)格預(yù)報的革命性進(jìn)步

只有在遙感探測、高速通信、數(shù)據(jù)處理、邊緣計算等眾多相關(guān)技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)大支持下,無縫隙網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)才得以實(shí)現(xiàn)。 從而極大地提高了天氣預(yù)報服務(wù)的能力和水平,天氣信息的種類、密度和質(zhì)量與以往業(yè)務(wù)相比均產(chǎn)生了革命性的本質(zhì)飛躍。

預(yù)報業(yè)務(wù)當(dāng)中的核心是預(yù)報員[1-2,26-27],盡管相關(guān)技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ),但最終預(yù)報是由預(yù)報員依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)過科學(xué)分析作出,而不是計算機(jī)自動產(chǎn)生。 所以,從多個維度共同作用來說,在無縫隙網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)中,預(yù)報員要考慮的預(yù)報產(chǎn)品信息量普遍較傳統(tǒng)預(yù)報增加了104 ～106 倍甚至更多,呈現(xiàn)爆炸式增長的態(tài)勢。 信息量的爆增再加上預(yù)報頻次的提高,導(dǎo)致預(yù)報員有效分析思考的時間消亡式萎縮,所以預(yù)報員面臨的業(yè)務(wù)值班壓力極為巨大,有必要借助決策科學(xué)為預(yù)報員提供更加有力的支持。

2 預(yù)報過程的決策本質(zhì)

2.1 網(wǎng)格預(yù)報的智能化決策支持

解決這一難題的出路在于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的智能化[28],利用技術(shù)優(yōu)勢提高業(yè)務(wù)預(yù)報能力[29]。 而智能化系統(tǒng)的不斷完善與進(jìn)步,是否導(dǎo)致在預(yù)報業(yè)務(wù)中完全取代人類,則是一個充滿挑戰(zhàn)的問題[29-32],同時也是一個非常敏感、事關(guān)預(yù)報人員前途和命運(yùn)的重大現(xiàn)實(shí)問題,還是一個關(guān)于世界觀和方法論的哲學(xué)問題[26],本文不進(jìn)行討論。

盡管如此,在可以預(yù)見的將來,預(yù)報員的作用仍然無法忽視,更無法被替代,特別是在重大關(guān)鍵性預(yù)報過程中。 例如面臨是否炸壩泄洪,關(guān)系數(shù)十萬成百上千萬人;從天氣角度確定重大軍事行動的時機(jī),關(guān)系國家和民族乃至人類文明的前途與命運(yùn)。 將這樣的最終決定權(quán)交給某種智能系統(tǒng)或計算機(jī),在一定的歷史時期內(nèi)仍然難以令人信服。

在當(dāng)前的技術(shù)形勢和業(yè)務(wù)條件來看,預(yù)報員在預(yù)報業(yè)務(wù)體系中的核心地位依然無可撼動,仍然是無可替代的決定性因素。 計算機(jī),包括人工智能技術(shù)在目前階段還遠(yuǎn)不能完全取代人類預(yù)報員,而只是為預(yù)報員提供支持。

從幫助、輔助人類的角度出發(fā),網(wǎng)格預(yù)報的智能化需要支持預(yù)報人員的自動化系統(tǒng)。 這個系統(tǒng)的科學(xué)本質(zhì)是什么,則取決于預(yù)報員在當(dāng)前預(yù)報中工作的性質(zhì),特別是預(yù)報員在業(yè)務(wù)工作中面臨的核心困難。

2.2 當(dāng)代預(yù)報員面臨的困難分析

預(yù)報過程中當(dāng)代預(yù)報員的工作是什么性質(zhì),其本質(zhì)的困難是什么,要從科學(xué)預(yù)報的歷程分析。

具有科學(xué)基礎(chǔ)的天氣預(yù)報的歷史很短。 從預(yù)報人員面臨困難的角度來看,大致分為早期、現(xiàn)代和當(dāng)代3個階段。 早期具有科學(xué)意義的預(yù)報,是依據(jù)天氣學(xué)理論的經(jīng)驗(yàn)外推預(yù)報。 這時預(yù)報員的困惑在于,未來基本情況究竟如何,沒有相對可靠的技術(shù)支撐。 在成熟的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品出現(xiàn)后,環(huán)流形勢、天氣系統(tǒng)等相對明確且遠(yuǎn)優(yōu)于預(yù)報員的經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)代預(yù)報員一般不再進(jìn)行外推,而是根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)、體驗(yàn)與理解,對數(shù)值模式結(jié)果進(jìn)行氣象意義的解讀。 幾十年來數(shù)值預(yù)報等各種產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn),未來天氣的物理圖像日漸清晰準(zhǔn)確,但在解讀時受到有限模式、有限產(chǎn)品確定預(yù)報的局限,當(dāng)前的困惑在于相對較小概率的災(zāi)害性天氣。 而多種預(yù)報模式、集合與超集合等眾多產(chǎn)品表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,數(shù)值預(yù)報真正漏報的顯著過程極為罕見,所以當(dāng)代預(yù)報員面臨的問題與以往發(fā)生了本質(zhì)的變化。

簡單地說,早期預(yù)報員面臨的是極度缺少可靠信息的困難,現(xiàn)代預(yù)報員是可靠信息有限的困難。 而對當(dāng)代預(yù)報員則是這些信息過于龐大無法有效處理而形成的信息浪費(fèi),即信息過飽和情況下的決策困難。 常見的情況是,在有限時間內(nèi)根本無法瀏覽數(shù)值產(chǎn)品的寶貴信息,從而造成有效信息的棄置。 在預(yù)報失誤分析中這個現(xiàn)象十分顯著:在絕大多數(shù)情況下,盡管數(shù)值預(yù)報提供了具有明確意義的預(yù)報線索,卻因各種條件限制未能引起足夠關(guān)注。

所以當(dāng)代預(yù)報員工作的核心之一,是從眾多相對可靠的信息中,在緊迫的時間內(nèi),迅速選定最為適合的信息作為關(guān)鍵支撐。 而這個問題從行為科學(xué)上說是決策問題[33]。

3 決策及其理論類別概述

決策就是在若干個可能的備選方案中進(jìn)行選擇。決策理論是根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)和評價準(zhǔn)則選擇最優(yōu)策略的數(shù)學(xué)理論。

決策本身是極其常見的過程。 每當(dāng)出現(xiàn)多種選項(xiàng)的情況下,人類必然會從多方面考慮進(jìn)行決策,根據(jù)不同的目標(biāo),在各種約束條件下,分析收益效果與支出付出、權(quán)衡優(yōu)點(diǎn)和不足,進(jìn)行選擇[34-35]。

一般來說,決策理論主要有以下幾種[34-40]:

(1)古典決策理論。 認(rèn)為決策的目的是為了在最小付出的同時獲得最大的效益,決策過程中的全部行為均是完全理性的。

(2)客觀理性決策,又稱完全理性決策理論。 認(rèn)為決策者決策前能考慮一切行動及其影響,選擇最大價值對策,具有最大限度的理性做出最優(yōu)的選擇。

(3)連續(xù)有限比較決策理論。 認(rèn)為決策者無法實(shí)現(xiàn)完全理性,無法把握各種復(fù)雜因素,只能在有限的方案中選出相對滿意的,只是有限的選優(yōu)。

(4)理性、組織決策理論。 認(rèn)為需要通過組織、運(yùn)用權(quán)力和溝通的方法進(jìn)行協(xié)調(diào),以彌補(bǔ)單一決策者的欠缺,便于集中更多的智慧選擇更加有利的方案,增強(qiáng)決策的理性。

(5)非理性決策理論。 突出潛意識的作用,和非理性不自覺的傾向?qū)Q策的不利影響,強(qiáng)調(diào)對這種傾向的控制與抑制。

(6)行為決策理論。 認(rèn)為理性的標(biāo)準(zhǔn)無法確切地說明決策過程,提出“有限理性”標(biāo)準(zhǔn)和“滿意度”原則。 決策過程分析中還要考慮決策者個人因素,如態(tài)度、情感、經(jīng)驗(yàn)和動機(jī)等個性要素。

(7)現(xiàn)實(shí)漸進(jìn)決策論。 主張決策者所面臨的現(xiàn)實(shí)發(fā)揮更加重要的作用,而不是決策者的理性。 認(rèn)為決策者無法擁有全部智慧和有關(guān)信息,且受到時間、費(fèi)用等條件限制,只能被迫地以被動、相對消極的方法,在“有偏袒的相互調(diào)整”過程做出決策。

4 業(yè)務(wù)預(yù)報的基本特點(diǎn)分析

4.1 決策的獨(dú)立性與預(yù)報員個體的重要性

在天氣預(yù)報工作中,一方面存在組織管理行為,如對預(yù)報員的任務(wù)分配、協(xié)調(diào)與溝通產(chǎn)生于前期行政組織階段,天氣會商在預(yù)報決策核心階段,天氣服務(wù)與聯(lián)防在決策后的直接行動階段。 但在其他業(yè)務(wù)預(yù)報階段,組織管理行為并不明顯。 另一方面在每一次預(yù)報業(yè)務(wù)過程中,由于預(yù)報人員的數(shù)量相對有限,須各自承擔(dān)某項(xiàng)主要任務(wù)。 特別是預(yù)報員針對某一時段的天氣進(jìn)行預(yù)報時,往往更加突出預(yù)報員個人的預(yù)報決策,尤其對當(dāng)值的首席預(yù)報員來說,往往預(yù)報業(yè)務(wù)環(huán)境決定了其個人的獨(dú)立決策的高度重要性[41-42]。

通過對無縫隙網(wǎng)格預(yù)報的壓力分析可知,在短暫的滾動預(yù)報發(fā)布間隔時間內(nèi),多個數(shù)值預(yù)報模式,眾多垂直層面,幾十上百的物理量,多種集合和超集合產(chǎn)品,其圖像文件往往成千上萬,預(yù)報員即使匆匆瀏覽一遍也難以實(shí)現(xiàn)。 數(shù)值模式各有特性,不同的模式對當(dāng)前的天氣情況預(yù)報能力各有不同。 而預(yù)報員所期望的是明確究竟哪個模式更適用于當(dāng)前的天氣。 前述的諸多決策理論哪些適合于這種預(yù)報決策過程,將決定人工智能決策支持系統(tǒng)的核心功能設(shè)計。

這一決策顯然是在極其有限時間、不完全信息與過飽和信息共存的背景下,預(yù)報員(特別是首席預(yù)報員)個人特質(zhì)發(fā)揮重要作用的決策過程[27]。

4.2 預(yù)報過程中決策過程的環(huán)境背景

在上述的決策理論中,早期更加理想化,同時也更為僵化,例如設(shè)定以下條件:(1)決策者可獲得與決策情況有關(guān)的所有的信息;(2)在識別和診斷問題時,能夠處理和記憶所有與決策有關(guān)的信息;(3)能識別所有可行的解決問題的方案,并充分了解每個方案的結(jié)果;(4)多重目標(biāo)可以用單一的、簡單的數(shù)學(xué)公式表示;(5)決策者的理性可保證選擇最優(yōu)的方案;(6)建立一個合理的、自上而下執(zhí)行組織系統(tǒng);(7)所有的決策者都用相同的方式處理信息,并做出相同的決策。

對比預(yù)報業(yè)務(wù)場景,可以發(fā)現(xiàn)上述這些條件往往無法滿足[43]。 簡單地說,盡管當(dāng)前已經(jīng)得到了超出其處理和理解掌握能力的大量信息,但預(yù)報員永遠(yuǎn)不可能獲得關(guān)于天氣預(yù)報所需的全部信息。 緊迫的時間內(nèi),在識別和診斷問題時也無法處理和記憶所有與決策有關(guān)的信息。 預(yù)報員無法有效識別所有的方案,不可能充分了解每個方案的各方面影響。 在預(yù)報業(yè)務(wù)中顯然不能將多重目標(biāo)用單一的、簡單的數(shù)學(xué)公式表示。而處于壓力中心的預(yù)報員也難以保持足夠的理性以保證選擇最優(yōu)的方案。 而預(yù)報業(yè)務(wù)環(huán)境和具體流程決定了,不可能實(shí)施行政機(jī)關(guān)形式的組織系統(tǒng)。 在預(yù)報時難以避免地存在預(yù)報員之間明顯的個體差異性,即使同一個預(yù)報員對同樣的天氣也在預(yù)報中還會受到一定的隨機(jī)因素影響,所以個體之間的不同導(dǎo)致無法采用相同的方式處理信息,無法以同樣方式理解這些信息,更不可能基于以上條件做出相同的預(yù)報決策。

所以在預(yù)報業(yè)務(wù)中,決策環(huán)境的特殊性與諸多決策理論的前提條件相矛盾,必須分析適合的決策理論才可滿足業(yè)務(wù)需求。

5 預(yù)報業(yè)務(wù)決策過程理論的適用性分析

通過預(yù)報業(yè)務(wù)環(huán)境分析,可知預(yù)報決策不同于一般意義的決策過程。 預(yù)報業(yè)務(wù)決策和適用性取決于以下關(guān)鍵因素。

5.1 預(yù)報決策者的利害關(guān)系分析

中國天氣預(yù)報員的主體屬于政府雇員,代表政府履行提供天氣服務(wù)的法定職責(zé)。 中華人民共和國氣象法規(guī)定,國家對公眾氣象預(yù)報和災(zāi)害性天氣警報,由各級氣象主管機(jī)構(gòu)所屬的氣象臺站按照職責(zé)發(fā)布。 所以對氣象及其衍生、次生災(zāi)害,氣象部門是各級政府防災(zāi)減災(zāi)工作啟動的發(fā)令槍和消息樹,而預(yù)報員則是在最前線的吹哨人。

氣象法規(guī)定,若因玩忽職守,導(dǎo)致重大漏報、錯報公眾氣象預(yù)報、災(zāi)害性天氣警報的,給予行政處分;致使國家利益和人民生命財產(chǎn)遭受重大損失,構(gòu)成犯罪的,依法追究刑事責(zé)任。

盡管科技在迅速進(jìn)步,預(yù)報水平在不斷提高,但仍然存在難以準(zhǔn)確預(yù)報的災(zāi)害性天氣。 在面臨一般情況的多種選項(xiàng)時,就會自然地趨利避害。 而預(yù)報員在進(jìn)行重大災(zāi)害性天氣預(yù)報過程中,不僅存在普通人的趨向性心理,還會考慮其預(yù)報業(yè)務(wù)決策帶來的行政甚至法律后果。

從主觀意愿來說,任何一個預(yù)報員都希望能夠準(zhǔn)確預(yù)報。 即使沒有確定形式的獎懲或回報,單純從行為心理學(xué)來說,也可體現(xiàn)出專業(yè)能力與水平,表現(xiàn)為個人價值的實(shí)現(xiàn)和心理上的滿足。 如果預(yù)報正確當(dāng)然是最好結(jié)果,但不正確也無可避免,所以預(yù)報氣象災(zāi)害偏大偏重,還偏小偏輕,不同的決策有可能導(dǎo)致不同后果。

如果對災(zāi)害性天氣預(yù)報偏大偏重,則相關(guān)人員會從主觀上高度重視,各項(xiàng)防范措施會更加嚴(yán)密周全,面對實(shí)際情況雖有虛警與不足,卻不會由此造成重大生命與財產(chǎn)的直接損失。 如果面臨追究,大多只能歸結(jié)到技術(shù)水平和業(yè)務(wù)能力的欠缺,多以批評為主。

但如果災(zāi)害性天氣預(yù)報偏小偏輕,則相關(guān)人員首先在主觀上易產(chǎn)生松懈情緒,防范措施必然會相對偏弱。 面臨超出預(yù)期的災(zāi)害防范能力難免有所不足,由此往往造成重大生命與財產(chǎn)的直接和間接損失。 如果對預(yù)報員追責(zé),則難以擺脫責(zé)任心不強(qiáng),以至玩忽職守的指責(zé)。 存在定性為重大漏報、錯報的可能。

所以在此崗位上,無論是否存在明確的認(rèn)知,預(yù)報員的職業(yè)定位在潛意識當(dāng)中決定了其業(yè)務(wù)預(yù)報決策的主觀偏向性為:寧空勿漏。

5.2 預(yù)報業(yè)務(wù)質(zhì)量分析

在業(yè)務(wù)一線,預(yù)報員,特別是從業(yè)年限較長的預(yù)報員,普遍認(rèn)同上述情況,而且工作越久的預(yù)報員往往越在重大過程中對天氣的預(yù)報越嚴(yán)重。

除了專題訪談和長期工作中的直觀印象外,統(tǒng)計數(shù)字同樣證實(shí):空報多,漏報少。

由中央氣象臺資料,分析2020 年主汛期中國大部分省、自治區(qū)、直轄市小雨、中雨、大雨、暴雨的預(yù)報情況(圖1 ～4),可知各類降水的空報率均高于漏報率,而漏報率高于空報率只是個別現(xiàn)象。 兩者之差分別為19.98%、12.67%、7.10%、5.97%。 隨著量級的增加,預(yù)報難度迅速提高,空報率和漏報率也在提高,但空報率高于漏報率的現(xiàn)象一直普遍存在。

圖1 2020 年6-9 月小雨預(yù)報空報率與漏報率統(tǒng)計

圖2 2020 年6-9 月中雨預(yù)報空報率與漏報率統(tǒng)計

圖3 2020 年6-9 月大雨預(yù)報空報率與漏報率統(tǒng)計

圖4 2020 年6-9 月暴雨預(yù)報空報率與漏報率統(tǒng)計

在面對不同強(qiáng)度的天氣時,決策的傾向性存在變化趨勢。 對不同的天氣現(xiàn)象來說,預(yù)報員往往有意識或不自覺地采用不同的預(yù)報策略。 例如針對重大災(zāi)害性天氣,考慮到社會經(jīng)濟(jì)影響和自身可能面臨的問題,大多傾向于采用寧可空報不愿漏報的策略,相對更加保守。

分析2019 年預(yù)報檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這一情況。 一般性降水平均TS 為51%,空報率為39.89%、漏報率為22%;大雨TS 為19%,空報率71.43%、漏報率64.41%;而暴雨TS 為9%,空報率為85.28%、漏報率82.64%。 數(shù)據(jù)表明降水的量級越大,預(yù)報員保守的趨向越加明顯,空報率越高。 強(qiáng)對流災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的情況類似,2019 年寧夏暴雨、冰雹預(yù)警信號評分結(jié)果顯示:暴雨、冰雹準(zhǔn)確率分別為36%、33.3%,而空報率為44.3%、66.7%,同樣空報率更高。 據(jù)不完全統(tǒng)計,省級預(yù)報員中至少有70%在遇到可能出現(xiàn)的較為明顯降水天氣時,更加傾向于預(yù)報偏大量級的降水。

5.3 決策的環(huán)境壓力分析

首先是時間的緊迫性極為突出。 盡管從科學(xué)角度來說,完整表述天氣過程的信息并不完備,但預(yù)報業(yè)務(wù)中預(yù)報員得到的資料數(shù)量之大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其分析、處理的能力極限。 如同戰(zhàn)艦在過飽和攻擊下超出計算機(jī)能力極限而崩潰一樣,大腦對海嘯般的信息也無法進(jìn)行科學(xué)理性的思考。 更重要的是,即使在較為充裕的情況下,有效的預(yù)報分析時間往往也只有幾十分鐘。 以寧夏為例,因地處典型季風(fēng)邊緣,為干旱、半干旱氣候,全區(qū)年平均降水僅為160 ～600 mm[44-45],所以總體上大降水的壓力相對較小。 在非汛期最為理想情況下一次預(yù)報可有60 ～120 min用于分析思考,而汛期最充裕的一次預(yù)報不足40 ～60 min的有效思考時間。

所以相對更關(guān)鍵的問題是:針對當(dāng)前天氣情況下,在諸多性能相對不錯的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品中,如何有效地識別更具有預(yù)報指導(dǎo)意義的信息并及時分析,即大數(shù)據(jù)背景下信息的有效性和貢獻(xiàn)度,而不宜片面追求信息的完備性,因?yàn)樗^的完備性只是一個相對的概念。

5.4 決策者之間的差異性分析

人與人之間總會有巨大的差異,決策者的差異必然會對決策產(chǎn)生至關(guān)重要的影響,所以在軍事斗爭中,對敵方指揮員個人情況和背景資料的掌握必不可少[46-48]。

對天氣預(yù)報員也一樣,每個人的性格特點(diǎn)、學(xué)業(yè)基礎(chǔ)、工作狀態(tài)、業(yè)務(wù)經(jīng)歷、預(yù)報經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)修養(yǎng)、對局勢理解、對過程的體會、預(yù)報傾向都存在不同且不斷變化,所以其預(yù)報結(jié)論必然不同。

由上述分析可知,在業(yè)務(wù)預(yù)報中,確定預(yù)報結(jié)論的決策因人而異,因時而異,因天氣而異,因當(dāng)時的具體情況而異。

5.5 業(yè)務(wù)預(yù)報決策分析

對預(yù)報員來說,由于受決策時間和可利用資源的限制,其決策過程的理性只是相對的。 壓力環(huán)境下的理性往往介于完全理性和非理性之間,在識別信息時也會受影響而產(chǎn)生偏差。 而在重大災(zāi)害性天氣預(yù)報的風(fēng)險型決策中,人性的基本特征為厭惡風(fēng)險,傾向于接受風(fēng)險較小的方案。 而且往往只求比較滿意的結(jié)果,而不愿尋求最佳方案,當(dāng)然時間等條件對此也有影響。

基于以上關(guān)鍵因素的分析基礎(chǔ),對上述7 種決策理論簡要小結(jié):

古典決策理論。 要求全部行為均在理性的情況下進(jìn)行,且追求最小的代價實(shí)現(xiàn)最大的效益。 在實(shí)際預(yù)報過程中,預(yù)報員更加傾向于風(fēng)險較小的保守方案,而不是追求信息的完備性,且行為決策還與預(yù)報員自身緊密相關(guān)。 而天氣預(yù)報業(yè)務(wù)目的是為防災(zāi)減災(zāi)、保障社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民財產(chǎn)安全生產(chǎn)生活的需求,并不是簡單的追求利益獲取。 因此該理該論不適用于預(yù)報業(yè)務(wù)。

客觀理性決策。 要求在決策前考慮一切行動及其影響,最大限度的理性決策。 而預(yù)報員是崗位上有思想有情感也有各種欠缺和不足的具體的人,不能對當(dāng)時天氣情況做出完全理性的判斷。 從檢驗(yàn)評估的結(jié)果分析,當(dāng)前無論是科學(xué)技術(shù)手段還是氣象工作者,都難以對天氣預(yù)報做出最佳的決策方案,無可避免地帶有一定程度的誤差。 一味追求絕對理性需要花費(fèi)大量的人力物力財力,客觀上不可實(shí)現(xiàn)。 因此這一理論不適用于預(yù)報業(yè)務(wù)。

對連續(xù)有限比較決策理論。 雖說實(shí)際預(yù)報業(yè)務(wù)中確實(shí)沒法做到絕對理性,但此理論過于強(qiáng)調(diào)在供選擇的方案中選出一個滿意的方案。 此理論中決策者需對決策環(huán)境的看法簡化,往往忽視決策環(huán)境中的各種復(fù)雜因素,導(dǎo)致看到的有限幾個方案及其部分結(jié)果中選擇決策者滿意的方案。 在實(shí)際預(yù)報中,各種因素對氣象工作者有很大影響,無論是氣象工作者的心理因素,或者是學(xué)業(yè)能力等等的內(nèi)在因素,還是氣象部門外在的利害責(zé)任關(guān)系等等外在因素,對決策都有著不同程度的影響,不應(yīng)忽視客觀存在的內(nèi)外決策環(huán)境因素對決策的作用。 業(yè)務(wù)中空報率高于漏報率也是一種趨利避害的保守情況,反而是過量的信息和欠缺的分析工具,導(dǎo)致決策者難以對信息進(jìn)行高效率的分析利用,這些都是客觀內(nèi)在外在的因素影響下導(dǎo)致的決策結(jié)果。因此該理論不適用于預(yù)報業(yè)務(wù)。

分析理性、組織決策理論。 強(qiáng)調(diào)集思廣益,通過組織、運(yùn)用權(quán)力規(guī)章制度和溝通的方法,來彌補(bǔ)個人的決策欠缺。 然而在實(shí)際預(yù)報中,此理論過于強(qiáng)調(diào)部門組織規(guī)則制度對決策者的影響,人們在從事組織決策時的行為并非總是遵循理性選擇模式,而且也不可能達(dá)到一種最優(yōu)選擇。 氣象工作者在進(jìn)行預(yù)報工作時已經(jīng)面臨著較大的壓力與難度,無論是氣象法還是部門的規(guī)章制度都對一線氣象工作者做出了要求,如果在此基礎(chǔ)上不僅不對預(yù)報人員施加更多人文關(guān)懷和制度思考,則可能陷入了官僚主義的管理陷阱,不利于工作的開展。 該理論更加適用于管理類決策,而對預(yù)報業(yè)務(wù)這類特定條件下專業(yè)技術(shù)決策有所不足。 因此該理論不適用于預(yù)報業(yè)務(wù)。

非理性決策理論。 強(qiáng)調(diào)潛意識的作用,而預(yù)報業(yè)務(wù)中,長期的一線工作經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚪o予氣象工作者更加出色的判斷決策能力。 當(dāng)針對某一特殊熟悉的天氣進(jìn)行預(yù)報時,往往更加突出個人的主觀預(yù)報決策,預(yù)報業(yè)務(wù)的工作環(huán)境就影響決定了其崗位上預(yù)報員的主觀決策,對預(yù)報結(jié)果來說,是客觀存在的因素。 因此該理論適用于預(yù)報業(yè)務(wù)

行為決策理論。 充分考慮了決策者所受到的各種影響,且對決策結(jié)果有著一定的容忍度,接受一定程度的理性與滿意度。 既考慮了預(yù)報員工作時所受的客觀條件,也承認(rèn)了不同預(yù)報員的差異性主觀性,此理論側(cè)重并認(rèn)可對決策者的認(rèn)知和主觀心理過程,傾向于對決策行為的心理解釋,而不是單純對決策正誤的評價,能提煉出其他理性決策理論中完全沒有考慮到的個人主觀意識行為造成的變量。 充分體現(xiàn)了對預(yù)報員認(rèn)知心理因素上的考慮,同時也滿足了實(shí)際業(yè)務(wù)下的任務(wù)要求。 因此該理論適用于預(yù)報業(yè)務(wù)。

現(xiàn)實(shí)漸進(jìn)決策。 此理論是一種保守型決策,是一種強(qiáng)調(diào)決策者由于決策環(huán)境被迫采取消極的決策方案。 在預(yù)報業(yè)務(wù)過程中,預(yù)報員大多采用寧可空報不愿漏報的策略,預(yù)報員對自己決策過程中的決策結(jié)果表現(xiàn)為偏大偏重,這個決策過程本身就是一種現(xiàn)實(shí)漸進(jìn)決策理論的體現(xiàn)。 相比于復(fù)雜的理性選擇和推斷,此決策能大大簡化決策過程,對預(yù)報員而言也是一種趨利避害一舉兩得的保守型方案;一方面既完成了對重大天氣災(zāi)情的預(yù)報預(yù)警,很好的履行了自己的職業(yè)責(zé)任,另一方面也大大緩解了預(yù)報員對決策結(jié)果的決策壓力。 由此可知,這一決策理論方案顯然是肯定了在決策環(huán)境等各方面因素的限制條件下,出于決策者自己合理的主觀決策,滿足現(xiàn)實(shí)中預(yù)報業(yè)務(wù)的需要。因此該理論適用于預(yù)報業(yè)務(wù)。

綜上所述,預(yù)報員在面臨各種壓力的情況下,表現(xiàn)出非理性決策、行為決策和現(xiàn)實(shí)漸進(jìn)決策的特點(diǎn),在業(yè)務(wù)預(yù)報平臺的建設(shè)中適用上述決策理論。 因此,在解決上述問題的過程中,開發(fā)基于人工智能、大數(shù)據(jù)的災(zāi)害天氣智能監(jiān)測感知、網(wǎng)格預(yù)報智能生成以及災(zāi)害天氣智能識別等技術(shù)是關(guān)鍵,本文的工作正是其前期的基礎(chǔ)性分析。

從管理角度講,還應(yīng)從預(yù)報工作的具體情況出發(fā),以人為本,科學(xué)制定更為適合的管理及考核制度,充分理解預(yù)報員的業(yè)務(wù)特點(diǎn),加強(qiáng)人文關(guān)懷,減輕預(yù)報員多方面的壓力,幫助其排除干擾與雜念,專心致力于更加精準(zhǔn)的預(yù)報。

5.6 適用業(yè)務(wù)預(yù)報決策基本特點(diǎn)初步分析與研究型業(yè)務(wù)

在上述適用決策理論中,每一種均有其自身特點(diǎn)。

對非理性決策來說,其非理性是相對的而非通常意義上的任性或隨意。 所謂的非理性來源于前期科學(xué)知識與理性經(jīng)驗(yàn)的充足積累,在預(yù)報時間緊迫的特定壓力環(huán)境下,觸發(fā)近于條件反射式的決策過程。 采用非理性決策時,首先要發(fā)揮非理性因素對理性因素的誘導(dǎo)和補(bǔ)償作用,其次要注意理性因素對非理性因素的支配和定向作用。

在其他類別的決策過程中,決策者的行為因素往往對決策結(jié)果無顯著影響。 但行為決策中,決策者本身的行為對結(jié)果的影響特別突出,關(guān)注實(shí)際決策行為中的現(xiàn)實(shí)因素,尤其是行為認(rèn)知對決策結(jié)果的影響,強(qiáng)調(diào)決策者的認(rèn)知程度存在不足和行為的有限理性,注重實(shí)際決策環(huán)境中的高度不確定性。 理性決策追求最優(yōu)選擇,但行為決策只要獲得令人滿意的結(jié)果即可。

現(xiàn)實(shí)型漸進(jìn)決策認(rèn)為,決策者不可能擁有全部智慧和有關(guān)決策的全部信息,而決策的時間、費(fèi)用又有限,故只能采用應(yīng)付局面的辦法,在“有偏袒的相互調(diào)整中”作出決策。 該種決策程序簡單,實(shí)用、可行,并符合利益要求以解決現(xiàn)實(shí)問題。 其決策結(jié)果并非最優(yōu),但可實(shí)現(xiàn)基本滿意。

中國氣象局《研究型業(yè)務(wù)試點(diǎn)建設(shè)指導(dǎo)意見》指出:對原有以業(yè)務(wù)值班為主業(yè)務(wù)升級再造,通過業(yè)務(wù)與科研的深度融合,使之兼具業(yè)務(wù)運(yùn)行和科研開發(fā)雙重屬性和職能。 這就要求我們,一方面要深入研究并通過科技手段加強(qiáng)業(yè)務(wù),這一工作一直受到高度關(guān)注并持續(xù)推進(jìn)。 另一方面還要加強(qiáng)對業(yè)務(wù)主體即預(yù)報人員的研究與直接輔助,而這類工作相對較為欠缺。 本文的工作既是對網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)的研究,也涉及在新型業(yè)務(wù)環(huán)境下對預(yù)報員的嘗試性研究,通過引入決策科學(xué)技術(shù),輔助預(yù)報員減輕事務(wù)性工作壓力,從而促進(jìn)其更加專心地加強(qiáng)對天氣的深入分析,逐步完善研究型業(yè)務(wù)。

6 結(jié)束語

在中國氣象局無縫隙網(wǎng)格預(yù)報總體規(guī)劃和實(shí)施方案的指導(dǎo)下,結(jié)合部分省市的預(yù)報業(yè)務(wù)實(shí)踐,充分利用各相關(guān)學(xué)科的研究成果,推進(jìn)無縫隙網(wǎng)格預(yù)報工作,進(jìn)一步加強(qiáng)對預(yù)報人員的技術(shù)支持,針對預(yù)報業(yè)務(wù)的具體環(huán)境,分析了決策科學(xué)的理論適用性。 結(jié)果表明:

(1)中國無縫隙網(wǎng)格預(yù)報極大地提高了天氣預(yù)報服務(wù)的能力和水平,與以往業(yè)務(wù)相比產(chǎn)生了革命性的本質(zhì)飛躍。

(2)預(yù)報員仍然處于業(yè)務(wù)系統(tǒng)的核心地位,在可預(yù)見的歷史時期內(nèi)尚難以被AI 或其他任何技術(shù)取代。但預(yù)報員需處理的信息量較傳統(tǒng)預(yù)報增加了104 ～106 倍以上,呈現(xiàn)爆炸式增長,且預(yù)報頻次的提高,導(dǎo)致其分析思考時間消亡式萎縮,以往的分析思路與方法無法適應(yīng)當(dāng)前業(yè)務(wù)需求,預(yù)報員業(yè)務(wù)負(fù)荷急劇增長。

(3)在數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品性能持續(xù)提高的背景下,當(dāng)前的業(yè)務(wù)工作中未來天氣的物理圖像日漸清晰日益準(zhǔn)確的情況下,預(yù)報員面臨的任務(wù)與困難明顯超越傳統(tǒng)的天氣分析預(yù)報的范疇,更加突出地體現(xiàn)出決策行為的特點(diǎn)。 進(jìn)一步明確人在預(yù)報業(yè)務(wù)體系中的核心地位,充分挖掘預(yù)報員天氣學(xué)原理指正下的寶貴經(jīng)驗(yàn),并與發(fā)揮計算機(jī)的特長相結(jié)合,應(yīng)用決策科學(xué)的理論與方法為預(yù)報員提供技術(shù)支持,是改進(jìn)完善無縫隙網(wǎng)格預(yù)報的重要途徑。

(4)當(dāng)前形勢下無縫隙網(wǎng)格預(yù)報過程中,傳統(tǒng)的經(jīng)典決策、完全決策、連續(xù)有限對比等決策理論因其相關(guān)前提條件無法滿足而適用性不強(qiáng)。 在預(yù)報決策過程中,還必須考慮到預(yù)報員在業(yè)務(wù)工作的特有環(huán)境中,在時間、信息、資源、工具、分析基礎(chǔ)等業(yè)務(wù)能力方面的限制性約束條件。

(5)在無縫隙網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)條件下,從專業(yè)職責(zé)、法律條款、檢驗(yàn)評估、個體差異、環(huán)境壓力等方面,探討了預(yù)報員有限理性的原因與表現(xiàn),表明上述因素的總體綜合作用及知覺偏差對預(yù)報的影響明顯。 預(yù)報員在工作中表現(xiàn)出傾向于風(fēng)險更小而非結(jié)果最優(yōu)、滿足于相對滿意而非最佳方案等關(guān)鍵特點(diǎn)。

(6)預(yù)報員在當(dāng)前無縫隙網(wǎng)格預(yù)報工作中,體現(xiàn)為非理性決策、行為決策和現(xiàn)實(shí)漸進(jìn)決策。 同時指出,除了預(yù)報員個體的決策行為之外,還需以人為本,關(guān)注業(yè)務(wù)制度與行政管理科學(xué)化建設(shè)并加強(qiáng)人文關(guān)懷。 通過研究,明確了無縫隙網(wǎng)格預(yù)報中業(yè)務(wù)決策智能支持系統(tǒng)的決策適用性理論,為促進(jìn)該項(xiàng)業(yè)務(wù)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善提供支持,并促進(jìn)對預(yù)報人員的深入研究和研究型業(yè)務(wù)的建立。

致謝:感謝成都信息工程大學(xué)(KYTZ201906、BKJX2019081)對本文的資助