宇如聪团队：新业态下的面向“精细-数字”化的气象业务

气象业务就是要充分利用科学技术成就，及时、准确、全面掌握大气的现象和状态，科学把握和预告其演变与变化，以此全方位地及时便捷地服务于人们在生产生活中的趋利避害。

现代科技进步和数值模式的突破性发展已推动气象业务正式进入了一个更能满足时代需求的“智能-数字”新阶段。

气象业务正呈现出面向地球系统框架下全空域服务保障需求，以完备数据为基础，以地球系统数值模式发展和应用为内核，以大数据人工智能技术和方法为代表的新技术支撑的无缝隙-全覆盖、自动-智能、精细-数字的新型业态。

气象业务的新内涵

类比广泛认同的大数据人工智能系统，新业态下的气象业务新格局可以概化为是由“数据、算力、算法”三要素所构成（Reichstein et al.，2019），新内涵则赋予其中。

• “数据”始终是气象事业的最宝贵资源，是新业态的基础，获取地球系统框架下的“完备数据”是面向气象新业态发展的重大挑战。

• “算力”是气象事业的支撑保障，决定拥有和应用“完备数据”的能力，决定达到“无缝隙”“全覆盖”的程度，也决定“自动-智能”化的技术水平。

• “算法”是新业态的内核。不完全等同于通常人工智能系统的很多可借鉴的智能技术算法，这里的“算法”则是新时期气象人的立足之本，赋予了气象新业态的关键科学内涵，决定“精细-数字”化的能力和水平，也决定业务的行业竞争力和先进性。这里的“算法”需要结合对气象科学不断深入的科学认知，需要气象人不断提高对气象现象及其非线性演变规律的深入细化的科学把控和驾驭能力，实现“算法”的不断完善。这是新时期气象人自身存在的价值体现。

而当今数值模式在现代气象业务中的核心地位，决定了“算法”的科学内涵主要是围绕数值模式展开的。

▲ 推进以数值模式为核心的新业态“算法”内涵的着眼点［根据Yu等（2019）重绘］，包括顶层战略部署、基础研发、业务改进和业务实施四个方面。

发展和完善数值模式本身是最关键的“算法”开发，包括无序的多源多种类数据融合分析与资料同化方法，以及无缝隙地球系统模式多圈层多尺度相互作用的系统理论和数值计算方案；而数值模式长期存在的不完整性和不精准性决定了其结果或产品总存在不确定性，这个不确定性决定了围绕直接的数值模式产品数据需要二次“算法”，即对数值模式不确定性问题的分析、评估和订正。围绕数值模式产品的这个二次“算法”，恰恰赋予了新气象业态更丰富充实的科学内涵和时代特征。

新业态下的技术路线

面对自动-智能、精细-数字的气象新业态的数据、算力、算法所赋予的新内涵，新时期气象业务要着力追求数据完备、算力先进、算法领先，着眼点是围绕减小数值模式结果的不确定性影响，实现监测、预报、服务的更加精密、精准、精细。实现这样的目标，需要有更适合的技术路线。

常规“自下而上”的发展路线，难以进一步深化对许多综合性问题的认识和理解，难以对症下药，难以确定解决问题的切入点。需要突出问题导向或结果导向，结合践行“自上而下”（top-down）的技术路线，其主要途径是通过强化对数值模式结果等的不确定性问题的深入分析，尽力对所关注问题的本质寻根求源，以此确定优化模式性能、提升模式能力、改进模式结果和提高模式结果应用效果的切入点与突破口。

践行“自上而下”的技术路线，就是要通过深入细化剖析现有算法所产出结果中的具体问题，并努力认识每个具体问题形成的细节和实质，追踪导致问题结果的原因，探讨出改进结果或解决问题的方法。可以说，这是在现代复杂气象系统中解决具体气象问题的重要途径。推行“自上而下”的技术路线，难点在于如何着眼于具体关切进行问题剖析。面对内容繁多的结果和问题，如何厘清我们所关切的具体问题的解决思路，从何下手？“评估”是践行这个途径的精髓或关键抓手。需要在这样的复杂系统中，针对我们的具体关切，建立一个科学合理的评估体系，通过不断深化细化评估，把握问题形成的脉络，认识问题的根本，确定解决问题的途径和方法。

▲ 以解析评估为抓手践行“自上而下”的技术路线

在图中所示意的工作流程中

1. 充分完备的观测和模式数据是必需的基础支撑；

2. 要基于充分的数据支撑，针对模式或已有预报系统的具体关键问题，在充分熟悉已有科学成果的基础上，遵循问题导向，着眼于认识问题和解决问题，开展深入细致的科学研究，获取深入细化分类的科学认知；

3. 通过系统细致的分析比较，针对所有的数值模式系统或客观预报系统，建立分类细化的评估体系；

4. 对具体实时的天气过程或具体问题，对标天气类别或问题类别，细化解析评估，确定具体的订正内容和订正方法，或得到改进和订正现有“方法”的切入点与突破口。

这样的工作流程是循环往复的，从问题中来，到问题中去，通过不断解决已认知的问题，评估总结发现新的问题或没有彻底解决的问题，推进现有“方法”的不断改进和完善，实现业务能力的不断提高。

新业态下的业务特点

而在气象业务新业态下，实行“自上而下”技术路线的预报业务特点是：

1. 突出客观方法和数字产品。业务工作主要是改进和完善客观预报方法，预报结论是科学方法决定的机器自动、智能形成的内容更加丰富、全面、精细的数字化产品。

2. 遵循问题导向。直接着眼于对数值模式结果具体问题的认知、细化评估和修订，不断改进和完善客观预报方法。

3. 工作重心后移。预报人员的工作重心是在“后台”的思考、研究、分析、总结、提炼，每天的具体预报结论取决于高技术呈现出的日常研究和总结提炼的工作成果，预报结论是集体的累积成果，是综合科技水平决定的，不是某个当班预报员个人的一时行为和责任。

4. 机器自动处理数据。由计算机处理不断丰富的海量数据，预报人员的关键是设计更好的算法，而不是面对每天不断增加的海量信息无所适从。

这里的关键环节是，面向“精细-数字”预报业务的新业态，究竟如何才能建立高水平的精细、准确的客观或数字预报方法？特别是精细化的降水预报。由于降水过程涉及的科学问题最为复杂，要做到准确的精细化降水预报，无论方法如何，理论上都需要对降水的精细化演变过程有深入的认识和把握。如何把握精细化的过程特征？如何建立评估系统？如何形成合理有效的偏差订正？而要做到数字预报，或客观自动预报，对这个过程规律的把控还必须是可公式化和可计算的。

这里要突出的关键词是：具体区域、全面把握、细化分类、精细过程、评估系统、对标评估订正。

• “具体区域”强调的是精细化预报在时间和空间上的精细是相互关联的。尽管预报方法在基本思想上都具有某种一致性，但精细预报要考虑到时间精细在区域上的差异，足够精细的预报要立足于在尽可能分解的中尺度气候区域上建立不同气候区域的精细化预报方法。

• “全面把握”强调的是针对任一具体区域的分类和评估系统要具有完备性，基本全覆盖。对未来发生的天气过程都能对标有类似的类别对应。

• “细化分类”强调的是分类要在“全面把握”的基础上尽可能的“细”。这与通常的论文研究不同，往往只针对主模态或主要模态。但对于预报实战，要求是尽可能细化的模态全部。分类更“细”才能保证结果更“精”更“准”。

• “精细过程”强调的是要把握一个天气事件发生的前期完整信号追踪，到开始、峰值和结束的演变过程中的立体环流与地面整体要素的整体系统细致合理的演变特征。

• “评估系统”强调的是要有具体、全面、类别细化、过程细化的系统的评估标准和流程。

• “对标评估订正”强调的是在评估系统中确定最相近类别的评估和订正。

新业态下预报业务的研究属性

简单地说，新业态下气象业务的本质就是“从数据到数字”，其发展的关键是“从数据到数字”的过程和方法，抓手是“评估”，根本则是“研究”，是围绕“评估”的研究。通过深入细化“评估”看清问题实质，遵循问题导向，实行“自上而下”的技术路线，突出问题导向，深入细致研究，推进问题得以有序解决。而只有深入细致的数据和模式分析研究，才能通过创新有效细化的评估方法提升科学评估能力和订正水平，才能实现科学技术成果最大贡献于客观方法，才能牢固建立紧跟前沿科技的先进气象预报业务，才能持续提高客观预报水平。

其实质是，新时期预报业务呈现为研究型业务，即业务的主体是研究，或研究是重要的业务内容，研究应占有主要的业务时间。未来气象预报业务的发展依存于研究的积累，取决于对不断完善的数值模式不确定性问题认识的不断细化深入。新业态下，气象科研和业务发展方向逐渐趋同，需共同聚焦于利用新技术不断改进其数字方法。科研业务融合是整体气象事业发展的时代需求。业务发展依存于研究成果积累，取决于不断完善预报系统和对其不确定性问题认识的不断细化深入与把控，从而最大限度减小其不确定性影响。气象研究则要突出业务实践中的问题导向，开展围绕数据和模式的深入细致分析研究。面向需求的气象研究是社会发展和学科发展的双向所需。

面向“精细-数字”化的气象业务，日变化的相关分析是必不可少的研究范畴。而目前也只有降水日变化有针对日内大气演变过程的相对比较系统广泛的分析研究，包括从深化大气演变规律的认知，到开展数值模式评估，再到推进关联的数值模式具体方案的试验和改进等。但现有的研究成果与实际开展“精细-数字”化的降水预报业务仍有很大差距，目前还鲜有基于业务数值模式降水日变化的偏差订正方法。《中国降水日变化》一书在有关章节中有意强调对降水日变化分析的细化和拓展，突出示范开展降水精细化演变过程的分析方法，目的就是希望对开展有关精细化的分析研究及创建精细化的评估和订正方法能有启发与借鉴作用。 

【相关阅读】精细化数字气象预报：中国降水日变化研究

科学出版社 视频号

硬核有料  视听科学

传播科学，欢迎您点亮★星标，点赞、在看▼