深圳氣象信息化發(fā)展現(xiàn)狀和展望

何宇華 劉東華 張立杰 毛夏

（深圳市氣象局，深圳 518040）

0 引言

根據(jù)《國務院關于加快氣象事業(yè)發(fā)展的若干意見》《全國氣象發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《氣象信息化發(fā)展規(guī)劃2018—2022》《深圳市新型智慧城市建設總體方案》等總體部署的要求[1-3]，深圳市氣象局堅持全面推進信息化建設，把信息化作為解決現(xiàn)實緊迫問題和發(fā)展難題的重要戰(zhàn)略措施，力爭到2020年建成體系完善、技術領先、應用服務便捷高效的氣象現(xiàn)代化體系。

1 發(fā)展歷程

深圳氣象信息化的發(fā)展始于20世紀50年代氣象資料的通信傳輸，經(jīng)過近70年的發(fā)展，信息技術與氣象業(yè)務逐步系統(tǒng)性規(guī)模化地深入結合，與信息技術發(fā)展大致經(jīng)歷的計算機化、網(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)庫化為標志的幾個發(fā)展階段相對應，主要經(jīng)歷了以傳統(tǒng)通信、計算機通信、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務創(chuàng)新等為代表的四個階段（圖1）[4]。

1.1 第一階段：以傳統(tǒng)的無線通信為代表

20世紀50年代，天氣資料的接收方式主要是手抄無線莫爾斯電碼，接收廣播電臺播發(fā)的天氣情報。作為建國初期唯一的氣象通信手段，無線莫爾斯電碼短波通信的通報速率極低，每分鐘只能抄收100多個或傳遞20組左右的電碼。

20世紀70年代，無線電通信開始興起，深圳氣象先后開展了無線電傳報和無線傳真天氣圖接收業(yè)務，新的傳輸方式從手工操作過渡到機器操作，大大減輕了報務員的勞動強度，將傳輸速率提高了三倍以上。

20世紀80年代，深圳氣象開始使用10W對講機和25W甚高頻電話，建立了甚高頻電話輔助通信網(wǎng)，與鄰近氣象臺站進行天氣預報會商及災害性天氣聯(lián)防。

1.2 第二階段：以計算機信息通信為代表

20世紀80年代中后期，深圳氣象先后引進IBM PC計算機和長城0520微機，進行PC機互聯(lián)和遠程點對點通信業(yè)務，標志著深圳氣象進入計算機化階段。隨著電子信息技術的日益發(fā)展，氣象業(yè)務系統(tǒng)逐步引入電子信息相關技術，氣象數(shù)據(jù)通信自動化程度不斷提高。20世紀80年代后期，深圳氣象微機局域網(wǎng)絡——Linkman建成，以1臺ACRO-386微機為服務器，配備7臺SUPER-PC/XT微機終端。

1.3 第三階段：以網(wǎng)絡化信息通信為代表

自20世紀90年代中期起，深圳市氣象大力發(fā)展基礎通信網(wǎng)絡。1994年，深圳氣象采用多路復用技術對廣深氣象通信系統(tǒng)進行改造，率先開通城際專線通信網(wǎng)絡，報路速度提升到2.4 KB/s。

1995年，深圳氣象計算機局域網(wǎng)改造升級為數(shù)據(jù)交換速率為100 M的快速以太網(wǎng)（同期共享網(wǎng)絡交換速率僅為10 M），網(wǎng)上有70多臺計算機，實現(xiàn)了家庭辦公業(yè)務。

2004年起，深圳大運會籌備期間，深圳氣象引進國內(nèi)外先進系統(tǒng)，同時不斷加快自身服務系統(tǒng)建設。在大運服務演練正式開始之前全面實現(xiàn)了“網(wǎng)羅泛華南區(qū)域?qū)崟r數(shù)據(jù)、建立深港氣象專線、開發(fā)臨近預報決策支持平臺、搭建智能氣象信息服務體系、開展大城市精細化預報、積澇預報系統(tǒng)投入運用、發(fā)布空氣質(zhì)量預警、打造星羅密布的大運氣象探測設施、建立多樣的服務形式”九大顯著成果，獲得國際大體聯(lián)主席喬治·基里安的高度評價。

經(jīng)過多年發(fā)展，深圳氣象逐步建成核心骨干三層交換網(wǎng)絡、省市寬帶網(wǎng)、信息發(fā)布專線網(wǎng)，并實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)范管理。同時對自動站等探測設施的通信手段進行了升級換代，從電話撥號升級為GSM無線通信網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸從1 h一次的龜速傳輸大踏步向分鐘級的快速傳輸邁進，為城市防災減災贏得了寶貴的時間。

1.4 第四階段：以數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務創(chuàng)新為代表

自2010年起，為形成精準化預報服務系統(tǒng)，深圳氣象與國家超級計算深圳中心展開合作，依托國家超級計算深圳中心強悍的計算和存儲能力等優(yōu)勢資源，引進集成了中國氣象局的GRAPES和香港小渦旋數(shù)值預報（WHM）技術，自主開發(fā)了雷暴追蹤HAPS數(shù)值預報模式，并聯(lián)合國家超級計算深圳中心建成了“深圳氣象云”服務平臺。深圳氣象通過大力發(fā)展關系型數(shù)據(jù)庫相關技術，強化各種氣象數(shù)據(jù)的集中處理和統(tǒng)一存儲。

“十二五”期間，數(shù)據(jù)驅(qū)動氣象預警預報業(yè)務發(fā)展初見成效，基于國家超級計算深圳中心強大的計算能力，通過對大數(shù)據(jù)的價值挖掘、平臺分析，形成精準、科學的天氣預測，服務于深圳乃至全國民眾。深圳氣象利用國家超級計算深圳中心開辟的10000核CPU資源開展氣象預報，確保了計算效率和優(yōu)先權，陸續(xù)推出了區(qū)域預報、臺風預警路徑預報、地質(zhì)災害以及積澇預警等創(chuàng)新服務，利用科技手段滿足市民對氣象服務高節(jié)奏、高頻率、高定向的需求。超級計算機的應用使數(shù)值天氣預報的時空分辨率及更新頻率大大提升，模式運行由逐6 h加密到逐3 h，空間分辨率也將由4 km逐漸加密到1 km左右。

“十三五”期間，數(shù)據(jù)驅(qū)動氣象服務發(fā)展大放光彩，形成了以氣象數(shù)據(jù)服務為核心，以驅(qū)動業(yè)務服務協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展為導向的新格局。目前已建成統(tǒng)一的氣象數(shù)據(jù)應用平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中管理、充分共享應用；打造出以大城市精細化預警預報、“深圳氣象”兩微一端等為代表的氣象業(yè)務和服務品牌，影響力連續(xù)多年排名國內(nèi)前列；整合基礎設施、氣象數(shù)據(jù)和業(yè)務應用等三類核心資源，建成基礎資源虛擬化云平臺，實現(xiàn)硬件設施集約化管理、高效利用；建立了監(jiān)控信息管理標準規(guī)范，打通氣象綜合業(yè)務監(jiān)控流程，實現(xiàn)探測、信息業(yè)務集中監(jiān)控、有機融合，有效提高了氣象業(yè)務運行質(zhì)量與效率。

2 建設成效

2.1 建成資源集約、應用協(xié)同的新業(yè)務模式

建成“兩橫一縱”的通信網(wǎng)絡體系，縱連國、省、市三級氣象部門，橫聯(lián)政府市、區(qū)兩級部門，衛(wèi)星通信賦予省級權限，本地探測網(wǎng)絡秒級傳輸。初步建成專有云、政務云和公有云集約管理、協(xié)同應用的計算平臺（圖2），實現(xiàn)“我的都市天氣”“深圳臺風網(wǎng)”“深圳天氣”“氣象微視頻”等7大類氣象公共服務產(chǎn)品集約化云上部署、云上提供服務；為全局觀測、預報、服務等應用系統(tǒng)提供計算、海量數(shù)據(jù)存儲支持（圖3）；支撐深圳市氣象局逐步形成了“云+端”業(yè)務模式新格局。發(fā)展并行計算技術，推動數(shù)值預報技術革新。

圖2 科學計算能力發(fā)展情況 Fig. 2 Increase of computing capacity

圖3 存儲能力增長情況 Fig. 3 Increase of storage capacity

2.2 云計算賦能網(wǎng)格化、智能化的氣象預警預報體系

基于深圳氣象信息基礎的發(fā)展，實施臺風暴雨監(jiān)測預報質(zhì)量提升行動計劃，晴雨預報準確率同比提高5%，暴雨預警準確率提高到80%，在分區(qū)預警高精度要求下準確率與全省市級預警相當，強對流預警提前量達45 min，較全國平均多8 min。研發(fā)人工智能短時融合預報，臨近預報準確率提高5%，雷雨大風、冰雹等早期識別準確率提高到70%。形成含30萬組數(shù)據(jù)的雷達數(shù)據(jù)集用于吸納社會力量改進算法。

2.3“互聯(lián)網(wǎng)+”助力精細實時、按需而動的氣象信息服務體系構建

基于深圳氣象信息基礎的發(fā)展，打造“深圳天氣”品牌整合微博、微信、客戶端、抖音等，獲評廣東省十佳影響力政務微信、全國氣象微博影響力第一名。臺風山竹期間，融媒體矩陣服務量超過10億人次，創(chuàng)下新紀錄。全年電視電臺播出1502檔節(jié)目，收視率位列前三。推出智慧氣象天文宣教平臺，落實市科協(xié)和兒童友好城市科普教育任務，服務市民超500萬人次。實現(xiàn)預警發(fā)布快速精細，100分鐘內(nèi)向2000萬市民及來深漫游用戶發(fā)布高級別預警短信，全年累計發(fā)布全網(wǎng)預警短信覆蓋5.23億人次，國內(nèi)率先向預設重點風險區(qū)提供精準災害風險提示和自動觸發(fā)預警提示。

2.4 基于信息化手段建立主動防御、統(tǒng)管共治的網(wǎng)絡信息安全體系

建立了各部門職責明確、整體協(xié)作、共同治理的網(wǎng)絡安全責任體系。完善了涵蓋管理制度、操作規(guī)程、應急預案共10個內(nèi)部安全管理制度體系。構建了健全的網(wǎng)絡安全技術體系，形成“一個中心，三重防護”的安全架構體系，從通信網(wǎng)絡到區(qū)域邊界再到計算環(huán)境進行重重防護，通過安全管理中心進行集中監(jiān)控、調(diào)度和管理；定期舉行網(wǎng)絡安全應急演練，積極探索利用社會資源提升網(wǎng)絡安全監(jiān)測預警和風險防控能力。

2.5 打造出一支技術專業(yè)、經(jīng)驗豐富的人才隊伍

逐步建成有利于人才成長和發(fā)揮作用的激勵、評價、培養(yǎng)等機制，不斷優(yōu)化隊伍布局和結構，通過建立信息化領導小組，引入技術總體單位、實施單位和運維單位的專業(yè)團隊，引進專業(yè)技術人才，填補人才缺口。通過一系列信息化重點工程實戰(zhàn)和信息化技術企業(yè)開展相關培訓，提高了隊伍綜合實力和創(chuàng)新能力，形成了一支專業(yè)化的技術隊伍。

3 面臨形勢和未來展望

隨著氣象現(xiàn)代化發(fā)展的要求和深圳新型智慧城市建設的深入，對深圳氣象信息化發(fā)展提出了更高的要求，智能化成為新的發(fā)展特點?！爸悄苡^測”要求充分利用信息新技術實現(xiàn)全面感知、快速收集環(huán)境數(shù)據(jù)，夯實數(shù)據(jù)基礎?！爸悄茴A報”要求充分利用信息新技術及時整合信息資源，實現(xiàn)高質(zhì)量、高時效、針對性的有效數(shù)據(jù)供給，以及高并發(fā)、高效率、高擴展的智能平臺支撐。

當今世界，以云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等技術為代表的現(xiàn)代信息技術方興未艾，深度學習、人工智能等技術蓬勃興起，為氣象信息化的發(fā)展帶來全新技術手段和思路[5-6]。同時，隨著深圳新型智慧城市建設的深入推進，城市信息化水平不斷提升，氣象信息化推動智慧城市發(fā)展，智慧城市反哺氣象信息化發(fā)展將變成一個新的趨勢，深圳氣象信息化將進入一個新階段，呈現(xiàn)出業(yè)務一體化、架構“云+端”、服務智能化、數(shù)據(jù)驅(qū)動型、安全感知化的新特點。為此需要開展以下幾個方面的工作：

3.1 強化頂層設計，實現(xiàn)一張藍圖統(tǒng)籌管理

在深圳新型智慧城市一體化建設的整體布局下，深圳氣象局將強化氣象信息化一體化頂層設計，優(yōu)化關鍵業(yè)務流程，整合氣象業(yè)務系統(tǒng)，從系統(tǒng)功能、業(yè)務架構、技術架構、數(shù)據(jù)架構等方面確定信息化的總體架構和標準，逐步構建資源高效利用、數(shù)據(jù)充分共享、流程高度集約的氣象信息化新格局，驅(qū)動氣象業(yè)務轉型升級和業(yè)務技術體制變革，為全面推進氣象現(xiàn)代化提供強大支撐。

3.2 深化“云+端”模式，實現(xiàn)一體高效運行

在充分利用國省云上資源的基礎上，構建氣象集約共享、彈性動態(tài)、高效可靠的氣象基礎設施“政務+專有+公共”混合云平臺，率先在省內(nèi)實現(xiàn)氣象業(yè)務“云+端”運行模式，為提升深圳的氣象服務能力和防災減災水平提供強有力的信息化基礎支撐。未來深圳氣象局內(nèi)部業(yè)務系統(tǒng)將全面遷移到公共應急平臺（應急云），打破原有某些僵化的煙囪式的IT架構，逐步變?yōu)殪`活、可伸縮、可度量、按需供應的新架構。

3.3 推動人工智能在氣象服務中的應用，實現(xiàn)一屏智能服務

利用氣象相關的圖像、視頻、數(shù)字化產(chǎn)品等多源大數(shù)據(jù)，發(fā)展災害性天氣的智能識別與預警能力?；跀?shù)值預報產(chǎn)品和實時歷史數(shù)據(jù)集，利用人工智能與大數(shù)據(jù)等新技術，提升天氣預報預警能力。開發(fā)氣象實況、天氣預報、氣候預測、災害性天氣預報等與地理信息、社會信息等相融合的，并使用增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）和虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）進行模擬和渲染的氣象服務產(chǎn)品，使氣象服務更加普及深入，服務效果更加出色、精彩和有效。

3.4 利用大數(shù)據(jù)思維管理氣象數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)一數(shù)全面應用

圍繞深圳氣象局大數(shù)據(jù)平臺，構建集約、高效的數(shù)據(jù)處理流程，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問標準接口，規(guī)范數(shù)據(jù)訪問、存儲，建設數(shù)據(jù)全流程、全生命周期管理。圍繞智慧城市便民服務系統(tǒng)和三防、交通、公安等治理系統(tǒng)的需求，推動城市其他行業(yè)領域共享氣象數(shù)據(jù)，形成基于氣象數(shù)據(jù)的跨領域新的融合服務，為智慧城市增加新的亮點。

3.5 打造全面的信息安全態(tài)勢感知體系，實現(xiàn)一盾安全管控

完善氣象信息網(wǎng)絡安全相關技術和管理標準規(guī)范，形成對網(wǎng)絡設備、服務器系統(tǒng)、氣象業(yè)務應用系統(tǒng)等海量訪問、應用日志數(shù)據(jù)進行分析研判，以安全大數(shù)據(jù)為基礎，從全局視角提升對安全威脅的發(fā)現(xiàn)識別、理解分析、響應處置能力；構建事前預知預警、事中主動防御、事后監(jiān)測、追蹤的安全態(tài)勢感知體系，建立獨特的安全可視化窗口，提升全過程的安全感知能力。

4 結語

氣象信息化是實現(xiàn)現(xiàn)代化氣象強國的重要保障，深圳氣象始終堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，在新時代將深入推動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術在氣象業(yè)務的應用，推進氣象數(shù)據(jù)資源開放共享，構建統(tǒng)籌集約、協(xié)同高效、開放共享、安全可靠、規(guī)范有序的氣象信息化體系，助力氣象信息跨界融合創(chuàng)新，打造“氣象+智慧城市”的新模式，實現(xiàn)“一體高效運行、一屏智能服務、一數(shù)全面應用、一盾安全管控”的四個一目標，更精細、更精準地為社會提供氣象服務。