氣象衛(wèi)星應用效益評估方法及其應用

王富 陸其峰 于天雷

(中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室,國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081)

引言

氣象衛(wèi)星應用效益評估是國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)提高應用效能和提升服務能力的重要評價手段，一直受到各國政府和國際機構(gòu)的重視[1-2]。經(jīng)過60年的發(fā)展，氣象衛(wèi)星探測的全球大氣和地表信息已在數(shù)值天氣預報、短臨天氣預報、短期氣候預測和全球氣候變化研究等氣象領(lǐng)域應用中取得了顯著成效[3-5]。20世紀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)的進步和人類可持續(xù)發(fā)展需求的牽引，氣象衛(wèi)星在防災減災、重大服務保障、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)、全球氣候觀測系統(tǒng)(GCOS)、歐盟、美國、俄羅斯、瑞士等都在其公布的氣象服務效益評估報告(或研究)中強調(diào)了氣象衛(wèi)星的貢獻[10-19]。但由于氣象衛(wèi)星應用產(chǎn)生的效益通常體現(xiàn)為所服務行業(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估的難度，這也是至今未能形成國際上公認的評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)進入高質(zhì)量發(fā)展階段，氣象衛(wèi)星應用效益評估工作也越來越受到各國重視。國際氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)組織(CGMS)更通過設立工作組，將氣象衛(wèi)星應用效益評估方法列為專題進行研討[2]。

中國學術(shù)界開展氣象服務和衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的效益評估工作時間相對較早[20-26]，但針對氣象衛(wèi)星應用效益的研究較少，尤其缺乏系統(tǒng)性的研究。因此，開展中國氣象衛(wèi)星應用效益評估工作，一方面需要借鑒國內(nèi)氣象服務和衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)效益評估，另一方面需要學習國外氣象衛(wèi)星評估方法框架。這是個涉及衛(wèi)星遙感、航天技術(shù)、氣象學和經(jīng)濟學的多學科交叉問題，文中如有不當之處，敬請讀者指正。

1 氣象衛(wèi)星應用效益評估方法框架

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

圖1 氣象衛(wèi)星應用效益評估框架

(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為通過氣象服務產(chǎn)生的效益。Eβ和Eδ為直接服務用戶產(chǎn)生的效益，其中，Eβ為定量評估效益，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類用戶從氣象服務所獲得的效益，η為氣象衛(wèi)星應用在氣象服務中的貢獻率，Eβ i表示第i類用戶應用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)生的效益。

氣象衛(wèi)星應用的總體效益分為2大部分，第1部分先估算氣象服務效益，進而計算其中氣象衛(wèi)星應用的貢獻，第2部分直接定量和定性評估氣象衛(wèi)星直接應用的效益。

2 氣象衛(wèi)星應用效益評估

2.1 氣象服務中氣象衛(wèi)星應用的效益評估

由于早期氣象服務相對廉價，效益評估研究主要通過定性描述其經(jīng)濟效益[27-30]。而隨著氣象衛(wèi)星和高性能計算機等的出現(xiàn)，氣象基礎設施的建設和維持費用快速增長，氣象部門開始引入社會學和經(jīng)濟學方法定量評估氣象服務效益[31-35]，作為爭取政府預算的重要依據(jù)。WMO一直是全球氣象服務效益評估的重要推動者，在其發(fā)布的官方報告中明確將氣象服務用戶分為行業(yè)氣象用戶和公眾氣象用戶2類，前者又細分為經(jīng)濟行業(yè)、公共安全、自然資源等3大類15個氣象敏感行業(yè)，后者包括個人、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)上述分法估算認為氣象服務的整體經(jīng)濟效益約占到國民經(jīng)濟總值的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敏感的國民生產(chǎn)總值(GDP)占比。這些研究認為美國20%～33%的GDP為氣象敏感[36-37]，每年受益于氣象服務的GDP占1%～5%[38]；歐盟國家約1/3 GDP為氣象敏感，每年受益于氣象服務的GDP占0.25%～2%[39]。中國的氣象服務效益研究略有不同，通常分為公眾氣象服務和行業(yè)氣象服務分別進行評估。其中，公眾氣象服務采取支付意愿法、影子價格法、節(jié)省費用法以及公眾期望值等方法[40-41]，由中國氣象局委托第三方機構(gòu)承擔全國性評估[42]；行業(yè)氣象服務則采取全行業(yè)專家調(diào)查評估的方法，表1中17個氣象敏感行業(yè)的氣象服務貢獻率[20,41]中，貢獻率最低的教育行業(yè)占比為0.56%，最高的公共管理與社會組織行業(yè)在2006年達到7.07%。通過比較不同省和不同行業(yè)的氣象服務效益研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)其中存在較為明顯的差異[43-48]。

表1 2006年中國行業(yè)氣象服務效益調(diào)查評估統(tǒng)計表***

氣象衛(wèi)星對氣象服務中的貢獻率主要由全球衛(wèi)星系統(tǒng)運行管理機構(gòu)通過評估其對數(shù)值天氣預報等核心服務的貢獻得到。歐洲氣象衛(wèi)星應用組織(EUMETSAT)利用觀測實驗系統(tǒng)(OSE)系統(tǒng)估算衛(wèi)星資料在數(shù)值天氣預報模式中的貢獻，研究認為減少極軌衛(wèi)星資料將使數(shù)值天氣預報預測能力降低15%～20%，而衛(wèi)星資料對數(shù)值天氣預報等氣象服務的貢獻占比約為8%[39]。美國國家大氣與海洋局(NOAA)采取整體估計與蒙特卡洛隨機模擬相結(jié)合的方法，認為天氣預報對氣象敏感GDP的貢獻率為35%～42%，其中極軌氣象衛(wèi)星資料的貢獻占比約為9%～12%[38]。中國評估報告則認為氣象衛(wèi)星的貢獻率約為9%[49]。

2.2 氣象衛(wèi)星直接應用效益評估

早期，衛(wèi)星應用效益評估的主要是航天領(lǐng)域高新技術(shù)向民用技術(shù)轉(zhuǎn)化推動國民經(jīng)濟發(fā)展的效益，通?；谕度氘a(chǎn)出模型[23-26,50]。衛(wèi)星系統(tǒng)運行管理機構(gòu)通常會定期發(fā)布衛(wèi)星應用效益評估報告。例如，美國國家航空航天局(NASA)每年發(fā)布效益評估報告，其中涉及具體行業(yè)應用效益評估的數(shù)據(jù)通常由行業(yè)用戶提供。NASA在“2015年衛(wèi)星效益評估報告”中引用了美國環(huán)保署(EPA)數(shù)據(jù)，認為衛(wèi)星資料通過改善空氣質(zhì)量標準系統(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)運行管理機構(gòu)采取更為直接的名義價格計算方法，如美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)以陸地衛(wèi)星(Landsat)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)免費政策執(zhí)行前的價格作為名義價格，簡單乘以總體數(shù)據(jù)下載量來估算其應用效益[53]。CGMS工作組以加拿大海冰監(jiān)測為例提出了具體經(jīng)濟效益計算方法，即將由于應用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)節(jié)省的購買海冰監(jiān)測服務、海岸警衛(wèi)隊等支出，以及增設航道的商業(yè)利潤作為其經(jīng)濟效益[2]。中國的相關(guān)研究認為氣象衛(wèi)星應用覆蓋的行業(yè)包括氣象防災減災、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等[49,56]，而其應用領(lǐng)域仍在不斷拓展。作為衛(wèi)星系統(tǒng)運行管理機構(gòu)的中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心建立了氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務年報制度[54,55]，通過邀請用戶參與問卷調(diào)查的方式進行行業(yè)應用效益評估。

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

3 氣象衛(wèi)星應用效益比較與分析

中國氣象衛(wèi)星應用效益評估框架(圖1)包括氣象服務中的氣象衛(wèi)星應用貢獻和直接應用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)兩部分，而氣象服務又分為公眾氣象服務和行業(yè)氣象服務兩部分[20,40]。利用支付意愿法估算中國2006年公眾氣象服務效益為至少536億元[20]，假設2006—2012年公眾氣象服務效益增速為線性且與GDP增速相同，則可估算得到2012年公眾氣象服務效益至少為960.1億元，按貢獻率9%估算氣象衛(wèi)星應用貢獻的效益值約為86.4億元。行業(yè)氣象服務部分，利用表1中的貢獻率和國家統(tǒng)計局公布的2012年國民經(jīng)濟行業(yè)產(chǎn)值，則可估算得到2012年行業(yè)氣象服務效益達到8446.9億元，按貢獻率9%估算氣象衛(wèi)星效益，約為760.2億元。綜合以上兩者，可得氣象服務中氣象衛(wèi)星應用的總效益約為846.6億元(表2)。此外，利用Delphi法得到2001—2012年氣象衛(wèi)星應用在氣象服務中的總體效益為2510億元[49]，仍假設效益增速與GDP增速一致，則2012年氣象服務中氣象衛(wèi)星應用的效益至少為335.9億元。長時間序列的總體效益傾向于保守估計，采用貢獻率估算更接近可能值。此外，由于缺少2006年以后全國行業(yè)氣象服務效益評估的統(tǒng)計結(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)氣象服務能力的提升，采用2006年研究成果可能低估實際效益。

表2 2012年氣象服務中氣象衛(wèi)星應用的效益 億元

EUMETSAT估算認為2012年歐盟公眾氣象服務效益(公共服務效益)最小值為13億歐元，最大值達55億歐元，約合106.3～449.7億人民幣，而行業(yè)氣象服務(經(jīng)濟行業(yè)效益)為100～410億歐元，約合817.7～3352.6億人民幣[39]，總計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)。對比分析發(fā)現(xiàn)中國公眾氣象服務和行業(yè)氣象服務的效益與歐盟的最小值更為接近。此外，EUMETSAT還強調(diào)每年40～150億歐元的私人商業(yè)應用效益，使其總效益高達150～610億歐元，約合1226.6～4988.0億人民幣。

美國沒有公布公眾氣象服務和行業(yè)氣象服務的效益，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)星直接應用部分缺乏可靠的評估結(jié)論，本文后續(xù)定量評估部分偏重氣象服務中氣象衛(wèi)星應用的貢獻。

為了進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測算認為全球氣象衛(wèi)星建設成本每年約90億美元，包括全球氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的建設費用約40億美元和數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M用約50億美元[36]。研究指出中國2001—2012年間投入氣象衛(wèi)星建設經(jīng)費為75億元[49]，按GDP增速測算投資增速，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)，將其中直接應用部分設為0，則可估算得到中國氣象衛(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)中國與美國的氣象衛(wèi)星應用效益較為接近且都低于歐盟，但中國成本效益比較高。這些差異一方面是由于評估方法和評估框架的差異引起的，另一方面是因為缺少評估方案的細節(jié)，不足以支撐各國互相借鑒和交叉檢驗。本文僅以公開資料對比2012年中、美、歐氣象衛(wèi)星應用成本效益比。但2012年以后，中國氣象衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展迅速，效益增速加快，本文評估結(jié)果應比2012年以后實際情況偏低。

表3 2012年中美歐氣象衛(wèi)星應用效益值 億元

4 結(jié)論和討論

氣象衛(wèi)星應用效益評估始于20世紀60年代，隨著提升氣象衛(wèi)星應用效益的需求日益增加，效益評估方法也逐漸為學術(shù)界以及全球氣象衛(wèi)星系統(tǒng)運行管理機構(gòu)所重視。為氣象衛(wèi)星應用效益提供經(jīng)濟學依據(jù)，對于優(yōu)化國家公共資源配置決策和指導氣象衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義。

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

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

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