■ 許小峰

2018年美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)（AGU）秋季年會(huì)因恰逢美國(guó)氣象學(xué)會(huì)成立100周年，也稱為AGU100，于2018年12月9—14日在美國(guó)華盛頓召開，來自世界各地的近3萬人與會(huì)，圍繞大氣、海洋、冰川、生態(tài)、環(huán)境、水文、地質(zhì)、地理、太空、數(shù)據(jù)、探測(cè)、智能、科研、創(chuàng)新、服務(wù)、教育、出版、管理等諸多領(lǐng)域進(jìn)行了交流與探討。

AGU100內(nèi)容豐富、涉及面廣，很難完整把握會(huì)議內(nèi)容，本文僅就對(duì)目前氣象部門業(yè)務(wù)科研關(guān)聯(lián)度較密切的內(nèi)容做一簡(jiǎn)要評(píng)述。

一、數(shù)據(jù)獲取與分析

從國(guó)際視角看，對(duì)數(shù)據(jù)的重視程度一直較高，特別是近年來隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，地球系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)問題也更加受到關(guān)注，成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的領(lǐng)域。

在這一領(lǐng)域的發(fā)展特點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面，一是獲取數(shù)據(jù)的手段呈多樣性的發(fā)展趨勢(shì)，除了我們比較熟悉的常規(guī)觀測(cè)，如地面、探空、衛(wèi)星和雷達(dá)等，在涉及氣候系統(tǒng)各圈層相互作用的信息獲取方面明顯加強(qiáng)，如通量、邊界層、高層大氣、輻射變化、生態(tài)變量等方面的觀測(cè)，同時(shí)各種非常規(guī)的探測(cè)也呈現(xiàn)明顯發(fā)展，社會(huì)公眾信息收集、微波通信信息間接轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)等。例如，美國(guó)紐約市城市學(xué)院的學(xué)者介紹了國(guó)際衛(wèi)星云氣候項(xiàng)目 （ISCCP）的對(duì)流系統(tǒng)跟蹤（CT）數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展情況。該數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)首先根據(jù)衛(wèi)星獲取的各類云特征信息進(jìn)行歸納分析，構(gòu)造云分類數(shù)據(jù)，然后對(duì)每個(gè)云系統(tǒng)跟蹤，構(gòu)成完整的對(duì)流云演變過程數(shù)據(jù)，目前已可以做到全球覆蓋、10 km分辨率、從1983到2015年連續(xù)的對(duì)流云數(shù)據(jù)集。

二是在數(shù)據(jù)分析處理方面的發(fā)展，主要在數(shù)據(jù)同化、再分析資料、質(zhì)量控制、智能處理、觀測(cè)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)等領(lǐng)域，有相當(dāng)多的交流和介紹。如通過對(duì)2006年發(fā)射的云雷達(dá)衛(wèi)星（Cloudsat）信息處理分析可以獲取全球降水頻率和強(qiáng)度的整體信息；通過對(duì)云和氣溶膠粒子等大氣成分進(jìn)行地面和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)，對(duì)校準(zhǔn)和驗(yàn)證衛(wèi)星的相關(guān)測(cè)量至關(guān)重要；而較為普遍應(yīng)用的觀測(cè)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)（OSSE），可以在觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)前就給出逼真觀測(cè)試驗(yàn)?zāi)M，有助于對(duì)新建觀測(cè)系統(tǒng)的理解和降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

NOAA和ECMWF等多位專家介紹了歐洲中心發(fā)展的用于OSSE的大氣狀況的分辨率為9 km的14個(gè)月長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模式（Nature Run）的運(yùn)行情況，經(jīng)過實(shí)際對(duì)比，認(rèn)為這一模式體現(xiàn)了其先進(jìn)、完整和準(zhǔn)確性。這一模式可以通過網(wǎng)絡(luò)獲取到，條件是在研究成果中要注明模式來源。

以上介紹反映了數(shù)據(jù)分析的重要性，除了在預(yù)報(bào)過程中（同化、資料的后處理（再分析）外，提前對(duì)可能獲取資料的判識(shí)分析也是很有價(jià)值的，有助于對(duì)觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展的科學(xué)性、時(shí)效性進(jìn)行預(yù)先分析和判斷。

二、氣象小衛(wèi)星星座計(jì)劃

隨著航天科技的發(fā)展與進(jìn)步，從20世紀(jì)末以來，微小衛(wèi)星的發(fā)射與應(yīng)用越來越受到重視，已從最早的以通信應(yīng)用為主擴(kuò)散到遙感、氣象、海洋、測(cè)繪、空間等多個(gè)領(lǐng)域。微小衛(wèi)星具有成本低、研發(fā)發(fā)射周期短、星座組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)，目前已從研發(fā)設(shè)計(jì)階段逐步向科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用推進(jìn)，涉及地球系統(tǒng)多個(gè)領(lǐng)域，在AGU100會(huì)上有不少國(guó)家的專家做了相關(guān)介紹，總體上認(rèn)為發(fā)展小衛(wèi)星對(duì)地球系統(tǒng)的探測(cè)具有獨(dú)特的科學(xué)價(jià)值。

如美國(guó)密歇根大學(xué)的學(xué)者介紹了美國(guó)航天局2016年成功發(fā)射的由8顆衛(wèi)星構(gòu)成的CYGNSS星座信號(hào)的分析應(yīng)用情況，通過對(duì)地表GPS散射信號(hào)的分析，獲取地表狀況、水汽通量、風(fēng)場(chǎng)等信息，并應(yīng)用到臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣的分析預(yù)報(bào)中。

美國(guó)NASA介紹了計(jì)劃中發(fā)射的通過紅外光譜測(cè)風(fēng)的小衛(wèi)星星座機(jī)載測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，其目標(biāo)是能提供空間3～4 km分辨率的三維風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，也包括水汽、云、污染和氣溶膠信息。

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的專家介紹了一個(gè)被稱為“彩虹”激光雷達(dá)小衛(wèi)星星座的發(fā)展計(jì)劃，通過主動(dòng)遙感獲取地表高度、矢量風(fēng)場(chǎng)、海冰、云水特征等信息。

中國(guó)香港和中國(guó)科學(xué)院的專家還介紹了利用美國(guó)小衛(wèi)星提供的每天覆蓋全球地表信息監(jiān)測(cè)青藏高原地表融化和生態(tài)退化狀況的分析結(jié)果，體現(xiàn)了小衛(wèi)星監(jiān)測(cè)高時(shí)空分辨率的優(yōu)勢(shì)。

三、GPM測(cè)雨衛(wèi)星資料的應(yīng)用分析

無論是監(jiān)測(cè)還是預(yù)報(bào)，包括數(shù)值模式發(fā)展，對(duì)流天氣過程都是重要的難點(diǎn)之一，也是天氣、氣候研究中最大不確定性因素之一。隨著探測(cè)技術(shù)和分析水平的提高，在這一領(lǐng)域也呈現(xiàn)出新的進(jìn)展。雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)的模擬分析技術(shù)的進(jìn)步起到了重要作用，包括地面天氣雷達(dá)和衛(wèi)星雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)展，特別是雷達(dá)衛(wèi)星和衛(wèi)星微波探測(cè)的發(fā)展，將對(duì)云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)從區(qū)域拓展的全球。對(duì)全球云系變化特征進(jìn)行的分析，既可針對(duì)天氣過程，也能提高對(duì)全球氣候問題的認(rèn)識(shí)。

在本次會(huì)議上，有不少學(xué)者介紹了美國(guó)和日本聯(lián)合發(fā)射的全球降雨測(cè)量GPM星座核心衛(wèi)星測(cè)雨雷達(dá)星的應(yīng)用情況。GPM核心星是一顆雙頻雷達(dá)衛(wèi)星（Ku和Ka波段降水雷達(dá)DPR），并攜帶微波成像儀，于2014年發(fā)射，與相關(guān)微波衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)測(cè)雨星座，可以每3小時(shí)提供一次全球大部分地區(qū)的觀測(cè)資料，利用這些信息可以及時(shí)繪制全球三維雨雪合成圖像，并能將這些信息供數(shù)值模式使用。美國(guó)NASA的代表專門介紹了通過GPM資料演示全球三維雨雪信息合成圖像，包括對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的細(xì)致描繪。

日本氣象廳的專家介紹了他們發(fā)展的中尺度數(shù)值模式四維變分同化系統(tǒng)，其中包含有云微物理過程方案，該系統(tǒng)的重要特點(diǎn)之一是可以同化GPM衛(wèi)星的三維雷達(dá)觀測(cè)信息，有助于分析較大范圍的強(qiáng)對(duì)流天氣。

四、智能方法

基于地球科學(xué)問題的非線性、復(fù)雜性和不確定性等特征，智能科學(xué)方法有可能在其中一些領(lǐng)域發(fā)揮出獨(dú)特作用。特別是隨著地球科學(xué)中的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，先進(jìn)的信息和人工智能技術(shù)為地球科學(xué)研究的深化開辟了新的途徑，基于知識(shí)的推理有望進(jìn)一步加速發(fā)展，自適應(yīng)傳感、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、知識(shí)繪圖和其他方法越來越多地進(jìn)入實(shí)用階段。

美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)等部門的代表介紹了通過知識(shí)圖發(fā)現(xiàn)地球科學(xué)信息的方法。如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)與研究人員領(lǐng)域相關(guān)的數(shù)據(jù)和出版物面臨重大挑戰(zhàn)，因此，專注于數(shù)據(jù)挖掘和預(yù)測(cè)分類的認(rèn)知計(jì)算工作對(duì)于促進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有特殊價(jià)值，其中的重要方法是利用知識(shí)圖（Knowledge Graph），通過建立語(yǔ)義實(shí)體識(shí)別（SER）模型和一個(gè)關(guān)聯(lián)模型，最終實(shí)現(xiàn)及時(shí)獲取相關(guān)領(lǐng)域科技進(jìn)展信息的目的。

在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的判斷具有一定不確定性，由于缺少實(shí)測(cè)信息，只能根據(jù)衛(wèi)星、雷達(dá)的相關(guān)信息進(jìn)行推斷。美國(guó)國(guó)家颶風(fēng)中心估計(jì)，在僅用衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接分析的情況下，其分析強(qiáng)度估計(jì)約有10%～20%的不確定性。來自美國(guó)NASA等部門的專家介紹了一個(gè)基于深度學(xué)習(xí)算法的熱帶氣旋強(qiáng)度估算系統(tǒng)，通過對(duì)數(shù)萬張衛(wèi)星圖像臺(tái)風(fēng)案例進(jìn)行學(xué)習(xí)，對(duì)臺(tái)風(fēng)定強(qiáng)的確定性有顯著提升。

五、生態(tài)氣象與氣候變化

AGU關(guān)注的是地球科學(xué)的整體發(fā)展，生態(tài)問題則與地球系統(tǒng)各圈層的相互作用密切相關(guān)，在諸多領(lǐng)域的討論交流中都涉及，與氣象密切相關(guān)的領(lǐng)域重點(diǎn)集中在氣候變化問題上。既包括氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，也包括生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的作用。其中涉及干旱、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、溫室氣體、氣候模式、氣候監(jiān)測(cè)、碳循環(huán)、水資源、災(zāi)害防御和可持續(xù)發(fā)展等諸多問題，特別是氣候系統(tǒng)各圈層相互影響、相互作用，屬于AGU上涉及面最廣的內(nèi)容之一。

在地球生態(tài)系統(tǒng)研究中，全球通量網(wǎng)FLUXNET的信息得到了廣泛使用，不少專家介紹了通過使用這些通量資料所做的工作。如來自香港的學(xué)者通過檢索FLUXNET 2015數(shù)據(jù)庫(kù)156個(gè)站點(diǎn)的逐日資料，研究分析了地球表層的能量平衡閉合（EBC）狀況，并進(jìn)一步分析了生物和氣象變量與平衡的關(guān)系，分析不同地表、植被、氣候帶在不同條件下可能發(fā)生的變化。美國(guó)亞利桑那大學(xué)的學(xué)者則利用FLUXNET對(duì)全球碳排放變化狀況進(jìn)行了分析，認(rèn)為若不能很好地執(zhí)行《巴黎協(xié)定》，未來全球陸地碳吸收能力將會(huì)顯著下降。

六、著名科技企業(yè)的參與

會(huì)上，除與地球科學(xué)相關(guān)的企業(yè)外，一些著名IT公司也有很活躍的參與度，包括他們自己的產(chǎn)品展示和相關(guān)科學(xué)家利用他們的成果所做的工作介紹。

谷歌公司在會(huì)議的展廳里占據(jù)了最顯赫位置（圖1），展示內(nèi)容覆蓋地理信息、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域產(chǎn)品。在學(xué)術(shù)交流中也能看到一些專家介紹谷歌產(chǎn)品的應(yīng)用情況。美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究人員就介紹了利用谷歌趨勢(shì)資料（Google Trends Data）分析美國(guó)花粉過敏的病情分布，對(duì)一些選定城市的信息分析表明，當(dāng)空氣傳播的花粉濃度很高時(shí)，谷歌搜索“花粉”一詞的數(shù)量會(huì)很大，可以利用這些數(shù)據(jù)建立美國(guó)大陸地區(qū)花粉對(duì)健康產(chǎn)生影響的時(shí)空分辨率。而利用Google Earth Engine（GEE）信息分析處理相關(guān)地球系統(tǒng)演變的交流論文就更多了。

IBM公司發(fā)展的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界范圍引起廣泛關(guān)注，美國(guó)喬治華盛頓大學(xué)的學(xué)者在這次會(huì)議上介紹了IBM量子計(jì)算的一些進(jìn)展情況，包括一些正在研究的算法及可供公眾在量子設(shè)備上使用的開源軟件包。

圖1 Google展位

亞馬遜公司的云服務(wù)在美國(guó)地球系統(tǒng)科學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，大量地球數(shù)據(jù)信息都可以通過亞馬遜的云系統(tǒng)存儲(chǔ)和獲取。在本次AGU會(huì)議上，美國(guó)GMRT（The Global Multi-Resolution Topography Synthesis）團(tuán)隊(duì)介紹了運(yùn)行在亞馬遜云上的全球多分辨率地形合成信息，匯總了各種不同分辨率的陸地高程和海底測(cè)深數(shù)據(jù)，且不斷根據(jù)新的資料進(jìn)行更新，對(duì)地球科學(xué)研究有很高的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)合以上介紹內(nèi)容和中國(guó)下一步氣象業(yè)務(wù)和科研發(fā)展情況，提出以下參考建議。

1）注意加強(qiáng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)建設(shè)。無論是從科研還是業(yè)務(wù)需求角度看，數(shù)據(jù)信息都成為越來越關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，需要加強(qiáng)總體設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、應(yīng)用。在未來的建設(shè)發(fā)展中，數(shù)據(jù)建設(shè)應(yīng)獨(dú)立于探測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，盡管有相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)性，但仍有許多獨(dú)立特征是需要單獨(dú)考慮的，應(yīng)作為相對(duì)獨(dú)立的業(yè)務(wù)功能發(fā)展。

2）系統(tǒng)考慮衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感探測(cè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)建設(shè)。本次會(huì)議涉及氣象小衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星、相控陣?yán)走_(dá)、激光雷達(dá)、云雷達(dá)等內(nèi)容，這些領(lǐng)域有些已比較成熟，有些處于起步階段，我國(guó)也已開始有相關(guān)發(fā)展，在未來的氣象探測(cè)領(lǐng)域可能將發(fā)揮重要作用和影響，需要予以關(guān)注，并在我國(guó)的氣象業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)中統(tǒng)籌規(guī)劃和發(fā)展。

3）在業(yè)務(wù)科研與業(yè)務(wù)建設(shè)中注意氣候系統(tǒng)各圈層相互影響問題。AGU會(huì)議將地球系統(tǒng)各領(lǐng)域的進(jìn)展和成果放在一起交流，本身就凸顯了其相互間密切關(guān)聯(lián)，無論是地球系統(tǒng)、氣候系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化等問題，都需要考慮各領(lǐng)域之間的相互作用和影響問題。如何把握好氣象業(yè)務(wù)、科研的定位和拓展，及與其他部門的合作，需要做好系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

4）關(guān)注人工智能技術(shù)的進(jìn)展。智能技術(shù)如何在氣象領(lǐng)域發(fā)揮作用，需要一個(gè)探索和實(shí)踐過程。但從目前的進(jìn)展情況看，在一些復(fù)雜、突變、不確定等問題的處理上確實(shí)可以發(fā)揮作用，國(guó)內(nèi)外都取得了相當(dāng)多的成果，應(yīng)予以重視并加強(qiáng)在這一領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)，是發(fā)展智慧氣象的重要途徑。