詹德權(quán)

(福建三明機場氣象臺,福建 三明 365000)

0 引言

氣象災(zāi)害是自然災(zāi)害中最常見、最頻繁、最廣泛的一種,對人類社會的生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展造成了巨大的損失。據(jù)統(tǒng)計,我國每年因氣象災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟損失占國民經(jīng)濟總量的1%～3%,死亡和失蹤人員占自然災(zāi)害總數(shù)的70%以上。隨著全球氣候變化和人類活動的影響,氣象災(zāi)害的頻率、強度、范圍和影響都呈現(xiàn)出加劇趨勢,給防災(zāi)減災(zāi)工作帶來了極大的挑戰(zhàn)和壓力。為有效應(yīng)對氣象災(zāi)害,保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全,提高社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展能力,氣象部門不斷加強氣象科技創(chuàng)新,推動氣象新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用,為防災(zāi)減災(zāi)提供了有力的支撐。

1 氣象新技術(shù)的主要內(nèi)容和特點

氣象新技術(shù)是指在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對氣象領(lǐng)域的特殊需求開發(fā)出來的具有創(chuàng)新性、先進性、實用性和高效性的技術(shù)。氣象新技術(shù)涵蓋觀測、分析、預(yù)報、服務(wù)等各個環(huán)節(jié),包括硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)、算法模型、數(shù)據(jù)產(chǎn)品等多個方面。氣象新技術(shù)具有綜合性、動態(tài)性、實效性等特點,能夠有效提高氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警的時效性、準確性、精細化和智能化,提升氣象服務(wù)的質(zhì)量、效率、覆蓋面和滿意度,降低氣象災(zāi)害的損失和風(fēng)險,促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

1.1 綜合性

氣象新技術(shù)是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物,不僅涉及大氣科學(xué)、地球物理學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科,還涉及計算機科學(xué)、電子工程、通信工程、遙感科學(xué)等應(yīng)用學(xué)科。氣象新技術(shù)需要綜合運用各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段,如云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等,從而實現(xiàn)對大氣環(huán)境的全方位感知和精細化描述。

1.2 動態(tài)性

氣象新技術(shù)是隨著科技水平和社會需求不斷更新和發(fā)展的。隨著觀測手段和設(shè)備的改進和創(chuàng)新,可以獲取更多、更精細、更全面的大氣環(huán)境信息;隨著計算能力和數(shù)據(jù)處理能力的提升,可以運行更高分辨率、更復(fù)雜、更精確的數(shù)值模式;隨著人工智能和機器學(xué)習(xí)等方法的應(yīng)用,可以實現(xiàn)對大氣環(huán)境信息的智能化分析和挖掘;隨著服務(wù)方式和手段的多樣化和個性化,可以提供更貼合用戶需求和場景的定制化服務(wù)。

1.3 實效性

氣象新技術(shù)是為解決實際問題而產(chǎn)生和發(fā)展的。面對日益頻繁和復(fù)雜的氣象災(zāi)害,以及日益增長和多樣化的社會需求,傳統(tǒng)的氣象技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)。氣象新技術(shù)的目標是提高氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警的時效性、準確性、精細化和智能化,提升氣象服務(wù)的質(zhì)量、效率、覆蓋面和滿意度,降低氣象災(zāi)害產(chǎn)生的損失和風(fēng)險,促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

2 氣象新技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用實例

2.1 氣象雷達技術(shù)

氣象雷達是一種利用電磁波探測大氣中水汽、云雨等目標的技術(shù),是目前最重要的氣象觀測手段之一。氣象雷達技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面:

①雷達回波外推法。這是一種利用雷達回波圖像的運動信息對未來一段時間內(nèi)雷達回波圖像進行外推預(yù)報的方法,是一種常用的短臨預(yù)報手段。該方法可以實現(xiàn)對強對流天氣,如雷暴、龍卷風(fēng)、冰雹等的跟蹤和預(yù)警,為防災(zāi)減災(zāi)提供及時有效的信息。例如,中國氣象局武漢暴雨研究所研發(fā)了分類強對流天氣識別預(yù)警系統(tǒng),利用雷達回波外推法實現(xiàn)了對超級單體龍卷風(fēng)和下?lián)舯┝鞯葹?zāi)害性天氣的識別和預(yù)警[2-3]。

②雷達風(fēng)場反演法。這是一種利用多普勒雷達觀測到的徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)反演出三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)的方法,是一種重要的數(shù)據(jù)同化手段。該方法可以提高數(shù)值模式對大氣運動狀態(tài)的初始場分析,從而提高數(shù)值模式的預(yù)報能力。例如,中國科學(xué)院大氣物理研究所研發(fā)了基于四維變分法(4DVAR)的雷達風(fēng)場反演系統(tǒng),利用多普勒雷達觀測資料反演出高分辨率的三維風(fēng)場,并將其同化到區(qū)域數(shù)值模式中,有效改善了對強降水過程的模擬和預(yù)報[1]。

③雷達降水估算法。這是一種利用雷達回波強度與降水強度之間的關(guān)系估算出地面降水量分布的方法,是一種重要的降水監(jiān)測手段。該方法可以實現(xiàn)對大范圍、高時空分辨率的降水量進行實時監(jiān)測,為防范洪澇等災(zāi)害提供重要依據(jù)。例如,中國氣象局南京信息工程大學(xué)研發(fā)了基于多源數(shù)據(jù)融合(MFB)的雷達降水估算系統(tǒng),利用多普勒雷達、微波輻射計、衛(wèi)星云圖等多源數(shù)據(jù)估算出全國范圍內(nèi)1 km分辨率、6 min更新頻率的降水量產(chǎn)品,并與地面雨量站數(shù)據(jù)進行校正和驗證。

2.2 數(shù)值預(yù)報技術(shù)

數(shù)值預(yù)報是一種利用數(shù)學(xué)模式和計算機模擬大氣運動和演變過程的技術(shù),是目前最主要的氣象預(yù)報手段之一。數(shù)值預(yù)報技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面:

①高分辨率數(shù)值模式。這是一種利用高性能計算機運行高空間和時間分辨率的數(shù)值模式,模擬和預(yù)報小尺度和短時效的強降水、強風(fēng)等災(zāi)害性天氣過程的方法,是一種提高預(yù)報精度和效率的手段。該方法可以實現(xiàn)對復(fù)雜地形、城市化、海陸交界等影響下的天氣現(xiàn)象進行更細致和更真實地模擬和預(yù)報,為防災(zāi)減災(zāi)提供更精細化和更及時的信息。例如,中國氣象局與北京大學(xué)研發(fā)的基于非靜力平衡方程組(NPE)的高分辨率區(qū)域數(shù)值模式(GRAPES-NPE),利用國家超級計算中心天河二號超級計算機,實現(xiàn)了對北京地區(qū)1 km分辨率、1 h更新頻率的強降水過程的模擬和預(yù)報。

②集合預(yù)報技術(shù)。這是一種利用多個初始場或多個物理參數(shù)化方案運行同一個或多個數(shù)值模式生成多個預(yù)報成員,反映預(yù)報不確定性和概率性的方法,是一種提高預(yù)報可靠性和穩(wěn)定性的手段。該技術(shù)可以實現(xiàn)對不同可能發(fā)生的天氣情景進行評估和比較,為防災(zāi)減災(zāi)提供更全面和更客觀的信息。例如,中國氣象局國家氣候中心研發(fā)了基于全球集合預(yù)報系統(tǒng)(GEFS)和區(qū)域集合預(yù)報系統(tǒng)(REPS)的集合預(yù)報產(chǎn)品,利用多個全球或區(qū)域數(shù)值模式,生成了對未來10 d內(nèi)全球或中國范圍內(nèi)降水、溫度、風(fēng)速等要素的概率性預(yù)報。

③數(shù)據(jù)同化技術(shù)。這是一種利用觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模式輸出數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計關(guān)系,將觀測數(shù)據(jù)有機地融入到數(shù)值模式中,改善數(shù)值模式初始場或物理過程參數(shù)化方案的方法,是一種提高預(yù)報質(zhì)量和效果的手段。該技術(shù)可以實現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)的最大化利用,為防災(zāi)減災(zāi)提供更準確和更科學(xué)的信息。例如,中國科學(xué)院大氣物理研究所研發(fā)了基于四維變分法(4DVAR)和集合卡爾曼濾波法(EnKF)的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GRAPES-3DVAR/4DVAR/EnKF),利用多源觀測數(shù)據(jù)(如衛(wèi)星遙感、雷達風(fēng)場、探空資料等)同化到全球或區(qū)域數(shù)值模式中,有效改善了對臺風(fēng)、暴雪等災(zāi)害性天氣過程的初始場分析。

2.3 人工智能技術(shù)

人工智能是一種利用計算機系統(tǒng)模擬和實現(xiàn)人類智能的技術(shù),是目前最熱門和最前沿的科技領(lǐng)域之一。人工智能技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面:

①深度學(xué)習(xí)技術(shù)。這是一種利用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從大量數(shù)據(jù)中自動學(xué)習(xí)和提取特征,從而實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的方法,是一種提高數(shù)據(jù)分析和挖掘能力的手段。該技術(shù)可以實現(xiàn)對氣象數(shù)據(jù)的智能化處理和解釋,為防災(zāi)減災(zāi)提供更高效和更智能的信息。例如,中國氣象局與南京信息工程大學(xué)研發(fā)的基于深度學(xué)習(xí)的雷暴預(yù)警系統(tǒng),利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)從雷達回波圖像中提取雷暴特征,并預(yù)測未來30 min內(nèi)雷暴的發(fā)生概率。

②自然語言處理技術(shù)。這是一種利用計算機系統(tǒng)理解和生成自然語言的技術(shù),是一種提高語言交互和溝通能力的手段。該技術(shù)可以實現(xiàn)對氣象信息的自動化生成和傳播,為防災(zāi)減災(zāi)提供更便捷、更友好的信息。例如,中國氣象局國家氣象中心研發(fā)了基于自然語言處理的氣象預(yù)報文本生成系統(tǒng),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器翻譯(NMT)和注意力機制(Attention)從數(shù)值模式輸出數(shù)據(jù)中生成氣象預(yù)報文本,并支持多語言輸出。

③計算機視覺技術(shù)。這是一種利用計算機系統(tǒng)識別和理解圖像或視頻中的內(nèi)容的技術(shù),是一種提高圖像分析和識別能力的手段。該技術(shù)可以實現(xiàn)對氣象圖像或視頻的智能化分析和識別,為防災(zāi)減災(zāi)提供更精確和更細致的信息。例如,中國科學(xué)院大氣物理研究所研發(fā)了基于計算機視覺的臺風(fēng)云圖識別系統(tǒng),利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和條件隨機場(CRF)從衛(wèi)星云圖中識別出臺風(fēng)眼、臺風(fēng)壁、臺風(fēng)螺旋云等結(jié)構(gòu),并估算出臺風(fēng)強度。

2.4 衛(wèi)星遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感是一種利用人造衛(wèi)星搭載的傳感器從空間觀測地球表面或大氣層的物理量或化學(xué)量的技術(shù),是目前最重要的氣象觀測手段之一。衛(wèi)星遙感技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面:

①衛(wèi)星云圖產(chǎn)品。這是一種利用衛(wèi)星傳感器觀測到的可見光、紅外、水汽等波段的輻射數(shù)據(jù)生成反映云系分布、類型、高度、溫度等特征的圖像產(chǎn)品,是一種重要的云系監(jiān)測手段。該產(chǎn)品可以實現(xiàn)對全球范圍內(nèi)各種云系如對流云、層云、霧霾等進行實時監(jiān)測,為防災(zāi)減災(zāi)提供基礎(chǔ)信息。例如,中國國家衛(wèi)星氣象中心研發(fā)了基于風(fēng)云四號衛(wèi)星(FY-4A)的多波段衛(wèi)星云圖產(chǎn)品,利用FY-4A搭載的高分辨率可見光和紅外掃描儀(AGRI)生成了全球范圍內(nèi)0.5 km分辨率、15 min更新頻率的衛(wèi)星云圖產(chǎn)品。

②衛(wèi)星降水產(chǎn)品。這是一種利用衛(wèi)星傳感器觀測到的微波、紅外、可見光等波段的輻射數(shù)據(jù),結(jié)合地面雨量站或雷達降水?dāng)?shù)據(jù)生成反映降水量分布和強度的圖像產(chǎn)品,是一種重要的降水監(jiān)測手段。該產(chǎn)品可以實現(xiàn)對全球范圍內(nèi)各種降水如雨、雪、冰雹等進行實時監(jiān)測,為防災(zāi)減災(zāi)提供關(guān)鍵信息。例如,美國國家航空航天局(NASA)和日本航空宇宙研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)聯(lián)合研發(fā)了基于全球降水測量任務(wù)(GPM)的多源衛(wèi)星降水產(chǎn)品(IMERG),利用GPM核心衛(wèi)星和其他多個衛(wèi)星搭載的微波和紅外傳感器,結(jié)合地面雨量站數(shù)據(jù)生成了全球范圍內(nèi)0.1°分辨率、30 min更新頻率的降水量產(chǎn)品。

③衛(wèi)星大氣成分產(chǎn)品。這是一種利用衛(wèi)星傳感器觀測到的紫外、可見光、紅外等波段的輻射數(shù)據(jù),結(jié)合大氣化學(xué)模式或反演算法生成反映大氣中氣溶膠、臭氧、二氧化碳等成分含量和分布的圖像產(chǎn)品,是一種重要的大氣環(huán)境監(jiān)測手段。該產(chǎn)品可以實現(xiàn)對全球范圍內(nèi)各種大氣污染物,如PM2.5、SO2、NO2等進行實時監(jiān)測,為防災(zāi)減災(zāi)提供參考信息。例如,歐洲空間局(ESA)研發(fā)了基于哨兵五號先驅(qū)衛(wèi)星(Sentinel-5P)的多種大氣成分產(chǎn)品(TROPOMI),利用Sentinel-5P搭載的紫外—可見光—近紅外—短波紅外光譜儀(TROPOMI),生成了全球范圍內(nèi)0.01°分辨率、1 d更新頻率的大氣成分產(chǎn)品。

3 氣象新技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中面臨的挑戰(zhàn)和問題

氣象新技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中雖然取得了顯著的成效和進步,但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)和問題。

3.1 觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和覆蓋問題

觀測數(shù)據(jù)是氣象新技術(shù)的基礎(chǔ)和源泉,但目前,觀測數(shù)據(jù)仍然存在一些質(zhì)量和覆蓋方面的問題。例如,衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受云層、大氣層等因素的干擾,需要進行復(fù)雜的校正和處理;雷達觀測數(shù)據(jù)受地形、建筑物等因素的遮擋,需要進行復(fù)雜的插補和優(yōu)化;地面觀測數(shù)據(jù)受設(shè)備、人員等因素的影響,需要進行復(fù)雜的質(zhì)控和評估。此外,觀測數(shù)據(jù)在空間和時間上的分布和覆蓋也不均勻,導(dǎo)致一些區(qū)域或時段的觀測數(shù)據(jù)缺乏或不足,影響了氣象新技術(shù)的應(yīng)用效果。

3.2 數(shù)值模式的物理過程和參數(shù)化問題

數(shù)值模式是氣象新技術(shù)的核心和關(guān)鍵,但目前,數(shù)值模式仍然存在一些物理過程和參數(shù)化方面的問題。例如,數(shù)值模式對于一些小尺度或復(fù)雜的物理過程,如云微物理、輻射傳輸、湍流混合等難以直接解析,需要進行簡化或近似的參數(shù)化;對于一些不確定或隨機的物理過程,如對流發(fā)生、云形成、降水產(chǎn)生等難以準確預(yù)測,需要進行概率或集合的處理。此外,數(shù)值模式對于一些非線性或混沌的物理過程,如大氣環(huán)流、氣候變化、災(zāi)害天氣等難以穩(wěn)定模擬,需要進行敏感性或可預(yù)報性的分析[3]。

3.3 人工智能技術(shù)的可解釋性和可信賴性問題

人工智能技術(shù)是氣象新技術(shù)的創(chuàng)新和突破,但目前,人工智能技術(shù)仍然存在一些可解釋性和可信賴性方面的問題。例如,人工智能技術(shù)對于一些復(fù)雜或抽象的任務(wù)如圖像識別、語言生成、情感分析等難以給出清晰或合理的解釋,需要進行可視化或邏輯化的展示;難以保證正確或安全地執(zhí)行一些敏感或重要的任務(wù),如預(yù)警發(fā)布、災(zāi)情評估、決策支持等需要進行驗證或監(jiān)督的控制。此外,人工智能技術(shù)對于一些新穎或變化的任務(wù)如新型災(zāi)害、新型需求、新型場景等難以適應(yīng)或更新,需要進行遷移或增強的學(xué)習(xí)。

4 氣象新技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中的發(fā)展前景

氣象新技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)中雖然存在一些挑戰(zhàn)和問題,但仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 觀測數(shù)據(jù)的融合和共享

觀測數(shù)據(jù)是氣象新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和動力,未來將進一步加強觀測數(shù)據(jù)的融合和共享。例如,利用多源多類型多時空尺度的觀測數(shù)據(jù),如衛(wèi)星、雷達、地面、海洋、空中等,建立地球系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺,實現(xiàn)對全球范圍內(nèi)各種天氣、氣候現(xiàn)象和氣象災(zāi)害風(fēng)險的實時監(jiān)測、動態(tài)評估和精細預(yù)警[1]。同時,加強與國際組織、國家之間的合作交流,推動全球氣象觀測數(shù)據(jù)的開放共享,提高氣象信息服務(wù)的全球覆蓋率和均等化水平[2]。

4.2 數(shù)值模式的物理過程和參數(shù)化改進

數(shù)值模式是氣象新技術(shù)的核心和關(guān)鍵,未來將進一步改進數(shù)值模式的物理過程和參數(shù)化方案。例如,加強對云微物理、輻射傳輸、湍流混合等小尺度或復(fù)雜的物理過程的研究,提高數(shù)值模式對這些過程的解析或近似能力;加強對對流發(fā)生、云形成、降水產(chǎn)生等不確定或隨機的物理過程的研究,提高數(shù)值模式對這些過程的預(yù)測能力;加強對大氣環(huán)流、氣候變化、災(zāi)害天氣等非線性或混沌的物理過程的研究,提高數(shù)值模式對這些過程的模擬或敏感性能力[3]。

4.3 人工智能技術(shù)的可解釋性和可信賴性提升

人工智能技術(shù)是氣象新技術(shù)的創(chuàng)新和突破,未來將進一步提升人工智能技術(shù)的可解釋性和可信賴性。例如,加強對人工智能技術(shù)背后的原理、機制、規(guī)律等方面的研究,提高人工智能技術(shù)對復(fù)雜或抽象任務(wù)給出清晰或合理解釋的能力;完善對人工智能技術(shù)在敏感或重要任務(wù)中正確或安全執(zhí)行的保障機制,提高人工智能技術(shù)在執(zhí)行這些任務(wù)執(zhí)行時的可信賴性;健全對人工智能技術(shù)在新穎或變化任務(wù)中適應(yīng)或更新的學(xué)習(xí)機制,提高人工智能技術(shù)在這些任務(wù)中的適應(yīng)性、可靠性。

5 未來展望

5.1 加強基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究,突破關(guān)鍵核心技術(shù)

基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的源頭,應(yīng)用研究是科技創(chuàng)新的重要推動力。要加強對天氣氣候機理、地球系統(tǒng)模式、人工影響天氣等方面的基礎(chǔ)研究,深入揭示自然規(guī)律和內(nèi)在機制,提高對復(fù)雜系統(tǒng)的認知水平;要加強對觀測裝備、數(shù)據(jù)分析、數(shù)字化預(yù)報、智能化服務(wù)等方面的應(yīng)用研究,突破關(guān)鍵核心技術(shù),提高預(yù)報預(yù)警精度和服務(wù)效率。

5.2 加強科技創(chuàng)新平臺和人才隊伍建設(shè),提升科技創(chuàng)新能力

科技創(chuàng)新平臺是科技創(chuàng)新的重要載體,人才隊伍是科技創(chuàng)新的核心資源。要加強實驗室、試驗基地、計算平臺等科技創(chuàng)新平臺建設(shè),提供先進的硬件設(shè)施和軟件環(huán)境;要加強戰(zhàn)略性人才培養(yǎng)、引進和激勵機制建設(shè),培養(yǎng)造就一批高水平的科學(xué)家和領(lǐng)軍人才。

5.3 加強國際合作和交流,拓展科技創(chuàng)新視野

國際合作和交流是科技創(chuàng)新的重要途徑,拓寬視野是科技創(chuàng)新的重要動力。要加強與國際組織和其他國家的合作交流,參與全球氣象科學(xué)治理,增強我國在國際氣象領(lǐng)域的話語權(quán)和影響力;要加強與國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的合作交流,借鑒借力先進經(jīng)驗和成果,促進跨學(xué)科交叉融合。

5.4 加強科技成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用,提升科技創(chuàng)新效益

科技成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用是科技創(chuàng)新的最終目標,提升效益是科技創(chuàng)新的根本動力。要加強科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用管理機制、評價機制、激勵機制等方面的建設(shè),推動科技成果與業(yè)務(wù)需求的有效對接,提高科技成果在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用水平和效果。