“互聯(lián)網(wǎng)+智慧氣象”眾創(chuàng)平臺架構設計

王興 卞浩瑄 曾康 王暉

摘要：隨著我國社會氣象服務事業(yè)和商業(yè)氣象服務市場的不斷發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+氣象+專業(yè)服務”的模式愈發(fā)受到氣象敏感行業(yè)和市場的關注。對我國氣象服務現(xiàn)狀做了簡要分析，提出構建智慧氣象業(yè)務與服務眾創(chuàng)平臺，著重闡述了“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下智慧氣象服務眾創(chuàng)平臺的總體架構和功能結構，總結了眾創(chuàng)平臺的應用場景和應用價值。

關鍵詞：“互聯(lián)網(wǎng)+”；智慧氣象；眾創(chuàng)；氣象服務；氣象業(yè)務

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）23-59-3

0引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”[1-2]與傳統(tǒng)行業(yè)不斷融合和創(chuàng)新，“互聯(lián)網(wǎng)+氣象”專業(yè)服務模式的研究愈發(fā)受到各行業(yè)專家和研究人員的重視。聯(lián)合國減災辦公室指出，在過去的二十年，因氣象災害造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)萬億美元[3]。全球氣候變化也正在加大極端天氣事件發(fā)生的概率和影響程度，氣象和氣候災害仍將持續(xù)影響社會的發(fā)展[4]。德國經(jīng)濟學家弗里德黑姆·施瓦茨（Friedhelm Schwarz）在其報告中指出，天氣在80%的世界經(jīng)濟活動中起著關鍵性作用[5]。

隨著全球經(jīng)濟一體化和我國全面深化改革進程的不斷推進，結合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術構建“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下智慧氣象服務[6]，已然成為氣象行業(yè)重點發(fā)展的目標和方向。近十年來，我國氣象核心業(yè)務的技術水平和服務能力已取得長足進步[7]，但公眾和各個氣象敏感行業(yè)對氣象服務能力的期望與要求也越來越高，主要是因為氣象服務模式及服務能力的提升跟不上社會發(fā)展的節(jié)奏。與一些發(fā)達國家相比，我國氣象軟實力不強、科技支撐能力不夠、服務創(chuàng)新性不足等問題依然突出[8]。當前，“互聯(lián)網(wǎng)+智慧氣象”服務仍有相當巨大的發(fā)展空間，而要加速發(fā)展就需要突破現(xiàn)有的一些困難和瓶頸。

1眾創(chuàng)平臺建構的意義

2019年上半年的氣象標準化工作報告中指出，我國氣象業(yè)務部門長期業(yè)務化應用的氣象觀測設備品牌和型號種類繁多，數(shù)據(jù)格式、技術規(guī)范不統(tǒng)一，如不同型號的雷達往往造成拼圖產品存在失真，進而影響后續(xù)雷達預報等業(yè)務的準確性。智慧氣象業(yè)務與服務眾創(chuàng)平臺（氣象眾創(chuàng)平臺）設計并構建一套規(guī)范化的數(shù)據(jù)流和中間件，并通過API的方式向用戶提供訪問權限可控、可監(jiān)管的應用程序編程接口。

氣象眾創(chuàng)平臺將整合氣象算法的程序資源，如各類報文的解碼、譯碼、氣象觀測資料的質量控制、天氣雷達和氣象衛(wèi)星等探測資料的預處理、常用數(shù)值天氣模式、海洋模式和環(huán)境模式的運行維護及產品輸出等，減少程序重復編寫所耗費的時間和人力投入，同時提供新算法可迭代更新的算法云服務。

氣象眾創(chuàng)平臺的應用能夠極大降低氣象關鍵技術研發(fā)的門檻，最大化賦能個人或初創(chuàng)企業(yè)。他們只需將精力專注于如何改善預報預測的空間分辨率、預報的時效性和準確率以及各類氣象敏感行業(yè)對于氣象新產品的需求，而不必再從各類氣象觀測數(shù)據(jù)的獲取、解碼、譯碼和預處理等基礎工作做起，極大地提高了新產品研發(fā)和測試的效率。

2氣象眾創(chuàng)平臺的架構設計

2.1平臺總體架構

氣象眾創(chuàng)平臺的建設是一項集氣象計算環(huán)境基礎搭建、氣象關鍵技術研發(fā)和智慧氣象服務推廣于一體的系統(tǒng)性工程。在核心技術層面，平臺建設重點統(tǒng)合全球多源氣象大數(shù)據(jù)資源，加強氣象關鍵技術科研轉化力度，突出氣象服務和專業(yè)化、精細化產品的眾創(chuàng)、共享。在功能方面，除了整合天氣數(shù)值預報、短時臨近預報及災害性天氣預報等一批現(xiàn)代氣象服務關鍵技術外，還涉及眾多IT前沿高新技術，如分布式與并行架構、異構計算、多源氣象資料大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能識別、云計算、圖形圖像處理、數(shù)模構建及互聯(lián)網(wǎng)技術等。平臺建成后可實現(xiàn)統(tǒng)一的氣象數(shù)據(jù)應用、氣象科學技術成果轉化、氣象服務眾創(chuàng)、成果共享以及智能服務。

2.2平臺功能結構

氣象眾創(chuàng)平臺的功能結構如圖1所示，主要包括多源氣象資料融合處理、數(shù)值模式、天氣監(jiān)測預報、環(huán)境監(jiān)測預報、海洋監(jiān)測預報以及系統(tǒng)監(jiān)控管理等系統(tǒng)層級部件。

多源氣象資料融合處理模塊主要負責氣象數(shù)據(jù)的標準化處理、多源氣象資料質量控制以及資料的融合和網(wǎng)格化處理。其中，數(shù)據(jù)標準化處理包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、數(shù)據(jù)接收通知、缺失告警、人工補正、數(shù)據(jù)前處理、格式轉換及數(shù)據(jù)解析入庫等功能。數(shù)據(jù)存儲與分發(fā)支持并行或分布式文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)并發(fā)訪問支持高吞吐量、高容錯的性能要求。

數(shù)值模式模塊主要負責業(yè)務上常用的資料同化、天氣模式、海洋模式、模式產品釋用等業(yè)務功能的部署和基本參數(shù)優(yōu)化，利用虛擬化技術實現(xiàn)數(shù)值模式的柔性副本，用戶通過本平臺的API靈活配置，搭建滿足個性化需求的數(shù)值模式輸入資料、模式參數(shù)、計算處理過程以及輸出產品，且各個副本之間相互獨立，可極大降低普通用戶對于數(shù)值模式軟件系統(tǒng)運維的時間成本和復雜性。

天氣監(jiān)測預報模塊由災害性天氣智能識別、預警、定量降水預報、臺風監(jiān)測預報和精細化要素預報等核心業(yè)務功能組成。災害性天氣智能識別和預警主要利用天氣雷達等探測資料，以該專業(yè)領域主流算法和理論為支撐，研發(fā)更先進的災害性天氣智能識別預警算法模型，提高判別龍卷、中氣旋、冰雹、雷暴、強對流大風和下?lián)舯┝鞯葹暮π蕴鞖猬F(xiàn)象的時效性和準確性，為智慧氣象、民用航空氣象和農業(yè)氣象等應用領域提供初級產品，平臺用戶可在此基礎上研發(fā)更加豐富、更加精細化和個性化的預報預警產品。

環(huán)境監(jiān)測預報模塊主要由空氣質量監(jiān)測、大氣成分分析、空氣質量預報、預報結果檢驗和大氣污染物預警等核心業(yè)務功能模塊組成。利用激光雷達等設備對空氣質量進行實時監(jiān)測和分析，并提供精細、準確的空氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)和空氣質量變化趨勢。

海洋監(jiān)測預報模塊主要由海洋要素預報、海洋短期天氣預報、近海風能指數(shù)和海洋預報檢驗等核心業(yè)務功能組成。根據(jù)大氣科學、海洋科學相關理論和前期成果，研發(fā)相關的算法模型對近海地區(qū)未來的天氣做出分析和預測，并在此基礎上采用卡爾曼濾波釋用（KLM）、最優(yōu)集成預報（OCF）及模式輸出統(tǒng)計（MOS）等技術方法進行客觀化預報產品釋用，并實現(xiàn)浪、潮、涌和洋流等海洋要素的預報。

系統(tǒng)監(jiān)控管理模塊負責對該平臺的業(yè)務運行狀況、作業(yè)調度情況、系統(tǒng)運行狀況等進行實時監(jiān)控和管理，并對平臺的用戶信息、角色信息、權限配置、日志管理和產品配置等進行統(tǒng)一管理和維護。

3應用

眾創(chuàng)平臺的用戶包括2類，一類是直接用戶，根據(jù)平臺賦予的權限，能夠訪問平臺提供的產品及應用服務；另一類是依托眾創(chuàng)平臺進行二次研發(fā)的用戶，他們能夠自主開發(fā)精細化的氣象要素預報業(yè)務系統(tǒng)，如實現(xiàn)基于氣象云的格點預報和實時訂正，實現(xiàn)基于多維度的以格點、站點預報數(shù)據(jù)的處理和共享，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)及產品更新的一體化、全要素、全時序及多級協(xié)同預報服務流程，進而達到氣象預報專業(yè)技術能力相互促進提升與成果共享的目標。

氣象業(yè)務人員通過該平臺成功注冊并獲取某些功能模塊的使用授權后，便能訪問相應的產品，產品的形式包括平臺生成的氣象數(shù)據(jù)、圖表以及基于Web的軟件系統(tǒng)，同時可檢索或下載感興趣的產品。

對于科研人員，他們不僅能夠訪問權限內的平臺產品，還能在平臺上編寫自己的算法程序，平臺通過虛擬化技術，實現(xiàn)不同用戶平臺的硬盤存儲空間、CPU、內存等硬件資源相互獨立和隔離，既有效保護每位用戶的知識產權，又利于平臺硬件資源的合理分配和監(jiān)控。

直接用戶中還有一類屬于高級用戶，他們的真實身份可以是有氣象理論知識和軟件開發(fā)經(jīng)驗的個人，也可以是其他軟件公司、科研院所或氣象業(yè)務部門的工作人員，他們可基于平臺的各個功能、模塊和子系統(tǒng)，“繼承式”地定制開發(fā)滿足個性化需求的軟件功能、軟件模塊或軟件子系統(tǒng)，實現(xiàn)基于該平臺的二次開發(fā)，二次開發(fā)的產品可為氣象業(yè)務部門、民航氣象部門、新能源氣象部門及各個氣象敏感行業(yè)提供服務。例如，在智慧農業(yè)氣象服務方面，依托眾創(chuàng)平臺，開發(fā)人員可進一步開發(fā)格點化農業(yè)氣象災害預報、農用天氣預報等功能模塊，為春玉米、冬小麥、水稻等作物生長狀況提供更加精細化、客觀化的氣象服務。

眾創(chuàng)平臺的用戶可以靈活選擇是否將二級開發(fā)的源代碼、算法程序或產品進行公開和分享，成果分享支持有償和無償?shù)姆绞?，對于有償分享，其他用戶通過付費使用，其所產生的收益將反饋給分享的用戶。

4結束語

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的智慧氣象業(yè)務與服務眾創(chuàng)平臺，能夠降低氣象關鍵技術研發(fā)的門檻，提高新產品研發(fā)和測試的效率，實現(xiàn)氣象關鍵技術研發(fā)的眾創(chuàng)，打造氣象API共享經(jīng)濟，并且整合氣象基礎算法和產品，讓用戶致力于面向防災減災和民生需求，以發(fā)展高影響天氣預報和風險預警為目標，將研發(fā)重心專注于市場各個氣象敏感行業(yè)的需求以及新技術的研發(fā)，跟進社會發(fā)展及各個行業(yè)對氣象服務的更高要求。

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