加强海洋气象综合保障工程能力建设的分析与建议*

李元寿 李峰 王胜杰 陆楠 伍洋 曹玉静 翟薇 王东林 牛官俊 马金玉 谭娟

(中国气象局资产管理事务中心,中国气象局工程咨询中心,北京 100081)

1 机遇与挑战

中国是海陆兼备的国家,有3.2万 km大陆海岸线(含岛屿岸线)和300万 km2管辖海域,辽宁、吉林、河北、天津、山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南12个涉海省(区、市)的面积占全国陆地面积的13.6%,集中了我国40%以上的人口、70%以上的大城市和60%以上的社会总财富。然而我国海洋气象灾害频繁,热带气旋、强冷空气活动等导致的台风、大风、暴雨、强对流、雷电、风暴潮、大雾、海冰等海洋气象灾害频发,海上、海岛、沿海城镇和乡村常常受到海洋气象灾害的袭击和破坏,给国家和人民的生命财产安全带来严重威胁,造成巨大的经济损失,准确的气象预报预警和及时优质的气象服务显得尤为重要。

党的十九大提出加快“南海岛礁建设积极推进”,“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国。”建设海洋强国,符合我国新时代发展规律、世界发展潮流,是实现中华民族伟大复兴中国梦的必然选择。在《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中提到“拓展蓝色经济空间”,“坚持陆海统筹,发展海洋经济,科学开发海洋资源,保护海洋生态环境,维护海洋权益,建设海洋强国”的发展战略。海洋强国战略的实施、国防安全、政府和涉海部门决策服务及海洋经济活动等都迫切需求海洋”气象公共服务保障,且对海洋安全保障能力提出新的挑战。目前,国家加强了海上重大军事活动,加大了海域巡航执法力度,提高了远洋护航舰队的护航能力,加强海洋科考,上述活动和海洋权益管理部门都对海上灾害性天气监测、气象预警预报、气象保障服务等提出重要的需求和机遇。各级政府及涉海部门,海岛、海滨旅游、海水养殖、近海捕捞以及沿岸海区海上运输、石油生产、盐业、港口作业和“21世纪海上丝绸之路”等海洋经济活动及建设生产作业,都迫切需要个性化多、针对性强的气象保障服务信息,同时还需要文字、图像、语音等丰富多样的点对点的专项服务形式。近海水域船舶交通流量和交通密度都在持续增加,针对海上中小型船舶的航行和锚泊的气象保障和风险防御急需加强。而针对包括旅游者在内的广大社会公众,需要大力发展覆盖范围广、时效性强、内容丰富的传真广播、北斗系统、信息发布站等主动发布气象预警信息的手段,并对获得及时有效的气象预警信息显得尤为重要。我国负责为国际海事组织全球海上遇险安全系统提供责任海域内海洋气象广播服务,预报服务范围主要针对142°E以西的西北太平洋海域灾害天气,随着我国海洋经济活动领域的拓展,远洋捕捞向外海域发展,远洋航运不断全球化,对我国责任海区乃至全球海域便捷快速、精细化和个性化的海洋气象服务都提出了迫切要求。

全面提升海洋气象保障经济社会发展的能力,顺利实现“建设海洋强国”的发展战略目标以及落实《海洋气象发展规划(2016—2025年)》中既定目标和重点工程建设任务,都对海洋气象综合保障工程建设带来重大的机遇和挑战。

2 发展与现状

1)以岸基为主的海洋气象综合观测保障系统初步形成,但近海和远海气象资料获取能力有限,设备保障和数据质量亟待加强。

中国Argo计划截至2017年12月底已经投放了394个Argo剖面浮标,有104个浮标仍在海上正常工作;至2017年12月31日在全球海洋上约由14000个Argo浮标观测的近140多万条温、盐度剖面数据,均经过中国Argo实时资料中心的质量再控制;并提供了包括数据查询、数据可视化和数据(含衍生数据产品)下载等三大服务功能。气象部门已经建立了有373个海岛、175个沿海、40个锚锭浮标、52个船载、46个塔台和20个海上石油平台等自动气象站纳入业务运行,自动气象站平均业务可用性达到70%。已初步形成了对我国近海和部分大洋的海洋关键天气和气候要素的观测和保障能力及卫星遥感探测能力。国家、省、市三级管理、三级保障体制和运行监控、维护维修、计量检定、供应储备等海洋气象装备保障业务体系初步形成,可对安装在沿海、海岛、石油平台、船舶等基础上的天气雷达、风廓线雷达、自动气象站、GNSS/MET、闪电定位仪等设备进行基本的实时运行监控、计量检定和维修维护等技术保障工作。

但相比较中国73个预报责任海区中,大部分海域属于观测空白区,观测站点数量不足,锚系浮标观测站点稀疏,船舶站资料稀少,海岛气象站、气象观测塔、石油平台等观测资料缺乏必要的质量控制,影响了数据的可靠性。海洋气象装备试验基地的建设刚刚起步,特别是在南海区域的试验基地尚属空白,现存气象保障手段不能有效满足和覆盖沿海气象观测区,极大制约了海洋观测新技术的发展和业务应用。并且部分站点服役时间超过10 a,由于受到海洋高温、高湿、高盐、高腐蚀的影响,海洋气象观测站及观测设备寿命普遍低于陆地观测站,气象观测设备寿命短、故障率高的保障要求,大部分已严重腐蚀老化,且观测要素仅有1个或者2个,测量精度和观测要素种类远不能满足预报和服务需求。海岛自动站、浮标自动站等海上观测设备远离陆地,进行检测维修时,沿海省级气象部门缺乏自有海上交通工具,提高设备保障效率和降低成本,亟需开展多部门联合保障或完全社会化保障等形式。亟需对已建海洋气象观测站进行升级改造或更新换代。

2)以台风为代表的海洋气象预报预警业务逐步发展,但海洋气象预报核心技术水平不高。

我国已初步建立起国家、区域(天津、上海和广州)、省、地四级,集监测、分析、预报、预警、服务为一体的较完整的海洋气象预报预警业务体系,预报范围涵盖了我国18个近海海域预报责任区和全球海上遇险安全系统公海责任区的XI海区(印度洋海域),制作和发布西北太平洋和南海台风120 h路径和强度预报、中国近海72 h的海洋天气预报和海上大风预警及海雾预报、世界气象组织责任海区海事天气公报、XI责任海区25 km分辨率和近海及沿岸5～10 km的72 h风、浪、天气现象和能见度等海洋气象要素精细化预报产品。

初步构建形成了0～15d“无缝隙”海洋气象预报预警的全方位技术支撑保障。已建成了全球和区域海面风场及台风数值预报模式体系、中国近海海雾数值预报模式、黄渤海海雾数值预报模式、全球海浪预报模式、西北太平洋区域海浪模式、黄渤海精细化风浪数值预报模式、黄海和东海风暴潮数值模式,为实时业务提供了一定支撑。目前,初步建立了基于MICAPS的国家级MICAPS台风版和MICAPS海洋版,或CIMISS省级如广东省气象局的精细化海洋气象预报业务系统(SAFE-GUARD)、上海气象局的责任海区海洋气象精细化预报预警制作系统等,为海洋气象监测预报预警服务的开展提供了重要的平台支撑。建立了精度为15～20 km、台风24 h路径预报误差小于70 km、海上大风预报准确率达80%的台风定位、定强业务系统,台风定位及预报预警等技术接近世界先进水平。

但中国在台风、海上大风、海雾、强对流等灾害性天气的专业化分析和预报的水平不高,海上灾害性天气的预警业务系统尚未建立,对重大灾害性、关键性、转折性的海洋气象灾害预警能力相对较弱。海洋监测分析更多的是定性监测描述,缺乏对海洋天气尤其是海洋灾害性天气强度和影响区域的定量监测。针对历史海洋个例的分析也十分有限。海上灾害性天气发生发展的机理认知不足,科学合理的业务布局还有待完善,缺少集约化的海洋气象监测预报预警业务平台,国家级和省级海洋气象灾害性天气联防以及预报会商机制还没有真正建立,业务预报预警产品的不一致问题还较为突出。

3)海洋气象公共服务业务体系初步建立,但海洋气象服务能力和手段不足。

中国气象局自20世纪60年代起,建成了石岛、舟山、茂名、三沙等4个国家级海洋气象信息发布站,组成我国海洋气象广播网,部分地区依托我国北斗导航系统试验性开展了北斗终端预警信息发布。同时,面向港口及跨洋航运、海上油气开发、海洋资源开发、海上风能开发、近海渔业养殖和海上捕捞、近海海洋旅游、国防安全等需求,初步提供了专业海洋气象信息服务,初步具备面向海洋全国统一的预警信息发布能力。截至2017年底,涉海12个省(区、市)有6万多渔船安装了各个型号的北斗卫星信息接收终端。中国气象局基于MICAPS业务平台和数值预报产品,基本形成了海洋气象专业服务的业务能力,多次为中国海上搜救中心提供相关海域天气和海况预报,为海上搜救或军事演习提供了保障。近年来气象部门逐步开展了钓鱼岛及周边海域、西沙永兴岛、中沙黄岩岛和南沙永暑礁等重点岛礁、海域的气象基本建设和天气预报服务,既是维护国家主权之举,也为中国海监对我国管辖海域的维权巡航提供保障服务。

目前公共服务产品的送达目前还停留在利用海岸电台、手机短信等单一途径,海洋气象服务尚未完全覆盖我国责任海区;多语种的海洋广播海洋服务产品还是空白。针对涉海重要经济行业的专业化海洋气象服务能力薄弱、领域有限、服务产品少、针对性不强,远洋导航气象服务甚至被国外垄断,缺乏针对港口及跨洋航运、海上石油开发、近海渔业养殖和海上捕捞、海洋旅游等经济领域的针对性服务。海洋预报服务产品的时空精细化不足,国家和部分省市的预报产品空间分辨率为15 km,时间分辨率为12 h,远远不能满足服务用户对预报产品精细化的需求。

4)探索性的建立了海洋气候资源开发利用服务,但应对海洋气候变化的能力薄弱。

近海风电场的开发迫切需要准确评估近海风能资源的开发潜力,许多地方的气候背景知之甚少,我国风云卫星也往往难以覆盖。应对海上突发事件服务能力不足,探索建立海洋气候资源开发利用服务,海洋气象灾害风险区划评估尚未开展、风险管理应急联动机制尚不完善。海洋气象灾害风险管理缺失,针对以防御和如何减轻海洋灾害性天气影响等方面的全国海洋气象风险区划评估、重大气象灾害大风(除了台风)、寒潮、强对流、浓雾等气象灾害风险区划调查、评估与灾害管理几乎为空白,尚未建立海洋气象灾害风险管理体系。因此,当重大突发事件发生时,如何快速有效地予以响应,并提供准确预报服务,预警信息及时发布提出新要求。远不能满足近海经济发展、21世纪海上丝绸之路开拓和海上国土资源保护的需求。

近年来运用卫星反演数据研究近海风场分布得到了广泛的应用,基于卫星反演资料的近海风资源评估技术取得了一定进展,但是卫星反演数据并不能反应不同高度风场变化情形,不能满足现今风电开发的需求;采用数值模拟方法对风能资源进行评估可以获得模拟区域内所有空间立体网格点上的风能参数,可以全面的评估风能资源。但海洋气候资源开发利用科技支撑不足,我国基于卫星反演资料的近海风资源评估技术仅限于利用某一种卫星资料,对多源卫星资料的融合应用,尤其是我国风云(FY)系列卫星资料在近海风资源评估中的应用潜力缺乏认识;评估中没有认识到资源长期变化特性对风资源品质的影响。

5)海洋气象信息传输网络基础基本具备,但需补充完善相关能力。

经过多年建设,全国已建立了覆盖国家、区域、省、地四级间的全国气象广域网络系统,实现国与省之间、以及省与省之间的互联互通,国家级接入带宽400 Mbps。建成覆盖亚太地区的中国气象局气象数据卫星广播系统CMACast,广播速率达到70 Mbps。国家和省级局域网实现万兆/千兆骨干、千兆/百兆桌面接入,交换能力及系统可靠性得到提高;与国防、环保、水利、地震、海洋、林业、航空等部门建立了专门通信线路,实现数据跨部门共享应用。覆盖全国、囊括从数据收集到数据服务所有关键业务环节的气象资料信息共享业务系统(CIMIISS)已基本完成建设任务。国家级高性能计算能力超过1 PFlops,区域中心高性能计算能力同步增长,高性能计算应用技术支持不断加强。全国建成支持1080 P高清分辨率的国家级-省级天气预报电视会商及电视会议系统,远程会商系统已经覆盖至所有地市级和大部分县级,在预报服务中得到广泛应用。气象信息化标准体系基本完成,按照国家要求,规范化的全国气象信息安全防护工作已开始起步,各级气象部门相继完成业务系统的安全定级和防护建设工作,安全意识和安全防护措施都逐步增强。

由于海上气象信息收集难度大、安全要求高,许多观测系统位于常规通信难以到达的无人地区,且海上应急通信网络基础较为薄弱,相应的海上已有的无人站应急通信配套建设尚不能满足业务发展需求。海洋气象观测数据支撑环境分散独立,数据流程复杂冗余,数据完整性不足,服务接口功能不够。基于GPRS/CDMA或者卫星通信方式实现海岛站、石油平台站和浮标等观测资料汇聚传输的各类省级中心站软件并存,这使得软件维护、监控的难度和成本变得较高,现有通信网络无法满足其收集和传输需求。缺少统一的海洋气象地理信息服务系统,已有监视系统缺乏对海洋气象业务的一体化监视功能,已建设的风云系列各卫星平台及地面应用监视系统,对海洋业务硬件环境、应用系统和业务运行的监视较为分散、国省监视各异,无法实现全局性监视,难以满足海洋气象信息化业务对监控系统的需要。集约化资源平台支撑能力接近饱和,难以满足海洋工程业务系统对基础设施资源的需求增长。

3 加强气象工程能力建设的建议

新形势下经济和社会发展对应对气候变化、保障生态文明建设提出了一系列新要求,面对新时期的历史发展机遇和面临的全新挑战,提出以下具体对策与建议。

1)增强海上气象观测保障能力和加强重点海域气象保障。需要对中国海域海区、重点港口、岛屿、岛礁(包括钓鱼岛、南海诸岛礁等)、关键区域等进行精细划分,需要各区内布设一批具有海洋气象代表性的观测站点,开展长期稳定的海洋气象观测;同时,急需充分利用海上海岛、海上石油平台及沿海各类自动气象站、探空站、雷达、卫星反演产品等资料,经过多源资料融合分析,为预报提供高密度、高质量的海洋气象要素分析场。在气象观测空白海域,尤其是在台风生成高频区、台风途径的高频区以及登陆的高频区、海雾等海洋灾害性天气敏感区域,建设海上多要素气象观测站、探空站和浮标站,并适当补充岸基观测,增设空中机载观测,扩大船舶观测数量。依托海岛、海上平台亟需对近海海域更换或建设耐高盐度、高湿度、高腐蚀性环境的自动气象站和岸基自动气象站设备,保证测量精度、测量时效,确保仪器正常运行,保证观测资料准确、真实、可靠。

2)提升海洋气象灾害预报预警保障能力。为加强保障渤海、黄海、东海、南海西沙永兴岛、中沙黄岩岛、南沙永暑礁等我国固有领海和重点海域的天气预报服务,准确及时的保护我国渔民的传统作业渔场,为维护国家主权,为中国海监对我国全部管辖海域定期维权巡航安全,努力提升气象预报预警服务能力。努力准确监测、预报海上灾害性天气,尤其是热带气旋的移动路径、强度以及海上大风、海雾、强对流预报和相应科学研究等,加快提升台风等海洋灾害性天气预警能力。针对多发性海洋灾害性天气开发专业化数值预报模式,需要开展关键预报技术和方法研究,建立预报预警指标体系,提高专业化分析、气象预报时效、预报准确率和精细化水平。特别是需要提高海洋气象数值预报模式等核心技术水平,提升全球海洋气象预报能力,丰富海洋气候产品,以更好地满足我国在重点海域进行的海洋维权、海上航运、海上作业等活动,以及沿岸经济带的建设发展提出的对海洋气象要素精细化预报的现实需要。有效地保障“一带一路”海上经济带和实现“21世纪海上丝绸之路”国家战略构想,以及向西拓展(由南海拓展至孟加拉湾和阿拉伯海)海洋气象预报服务业务,满足海洋经济发展需要,有效履行世界气象组织赋予我国的大洋预报预警职责。

3)迫切需要提升海洋气象公共服务保障能力。主动为各级政府部门、海洋权益管理部门和军队提供精细化监测预报资料、及时准确的海洋气象灾害预警及海洋气象灾害风险管理决策建议,加强为海洋强国战略的实施、海上重大军事活动、部队常规巡航、海域巡航执法、海洋科考、海上搜救、远洋护航舰队护航等提供气象防灾减灾保障服务,为海岛、海滨旅游、海水养殖、近海或远洋捕捞以及沿岸海区海上运输、远洋航运、石油生产、渔业、养殖业、盐业、港口作业等海洋经济活动,和“21世纪海上丝绸之路”经济建设等涉海重大工程提供气候条件评估、气候可行性论证等,个性化多、针对性强的气象保障服务信息,同时还需要文字、图像、语音等丰富多样的点对点的专项服务形式。以及我国负责为国际海事组织、全球海上遇险安全系统,需要大力发展覆盖范围广、时效性强、内容丰富的海洋气象传真广播、北斗系统、信息发布站等主动发布气象预警信息的手段,努力提供方便快捷、精细化和个性化的智慧气象服务保障。

4)急需提升应对海洋气候变化和气候资源开发利用能力。加强应对海洋气候变化能力建设,加强温室气体监测网建设,推进海洋气候变化的事实、机制、检测、归因、模拟、预测研究。深入开展海洋灾害性天气和气候发生机制及其预测技术研究,把握极端天气气候事件发生、发展规律,提高防御极端气候事件的能力。开展气候变化对海南旅游、热带农业、水产养殖等敏感行业、重点领域的影响评估以及重点行业对气候变化影响的脆弱性和适应性评估技术研究;建设气候变化业务服务系统。建立和实施海洋气候变化评估和气候可行性论证制度,推进重大工程、城乡规划以及重大区域性经济开发、农业产业结构调整、大型太阳能和风能等海洋气候资源开发利用项目的气候可行性论证工作,促进经济建设与生态建设和气候环境保护协调发展。增强应对海洋气候变化决策支撑能力。提升海洋气候资源利用能力建设,推进海洋气候资源的精细化评估和规划,推进海洋气候资源普查成果利用,为本地编制修订风能、太阳能资源开发利用规划提供科学依据,保障风能、太阳能、空中水资源等海洋气候资源充分利用。完成我国海域风能资源的普查工作,建立我国海洋风能资源图谱,既为国家规划和海上风电产业开发提供基础数据支撑,也是促进可再生能源产业不断发展进步的必然需求,同时也可以促进我国本地化卫星遥感产品(FY-3B)推广应用,提升我国海洋风能资源的评估技术水平。

5)需要加强海洋气象业务内外部通信网络信息化能力。有必要建立起全国统一的海洋气象一体化监视和信息安全保障平台,有必要为每个新增(更新)测站配备北斗通信发送终端,租用GPRS/CDMA和北斗通信线路,在省级补充安装北斗指挥机,补充和增强3G/4G移动通信和北斗卫星通信的覆盖传输能力。有必要对国内气象通信系统进行升级改造,实现海洋测站资料传输的统一标准化。为机房场地、基础设施资源、数据资源、气象应用系统的集中展示、运维控制和统一运营提供服务。同时,为了接收3G/4G移动终端设备发来的海洋观测资料,有必要在12个涉海省(区、市)的国内通信系统前置收集子系统部署互联网DMZ区,实现对现有互联网系统安全能力的增强和更新。无论是政府和涉海部门、国防安全部门,还是海洋经济各专业及广大群众,全社会都有共享海洋气象信息的需求,都迫切需要建立海洋气象信息共享与支撑平台,对海量的海洋气象数据存储与共享进行专业化的管理,实现各种资料和数据产品的统一存储、集约管理和社会共享。

6)亟需提升几近空白的海洋气象装备保障能力。处于空白状态海洋气象观测设备的专业试验设施,在投入使用前缺乏必要的科学检测的新型海洋气象探测设备,都需要提升海洋气象装备保障能力的建设。提高海洋气象装备保障信息化能力,对现有海洋气象装备保障业务进行整合、完善,消除目前运行监控系统的盲区,完成海洋气象装备通讯系统升级改造,建立海洋气象装备质量监督体系,实现海洋气象装备维护、维修、仓储信息化管理。降低海洋气象装备运行成本的需求。海洋气象装备保障能力的建设能够实现维修维护、系统升级的集约化运行,进一步探索小型海洋气象设备社会化服务模式,降低服务保障运行成本。

4 结 语

综上所述,习近平总书记提出建设“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的重大战略,发展海洋经济上升到了前所未有的高度。南海海域是我国对外开放的重要航道,也是国际重要航道。提升海洋气象综合保障工程建设能力,保护沿海和海岛居民、滨海旅游人群、涉海就业人员生命财产安全,顺利保障未来5 a全面建成小康社会和我国“一带一路”建设实施都是非常必要的。因此,迫切需要加强海洋气象保障能力建设迎头赶上,增强气象事业发展的整体实力,为服务经济社会发展和人民生产生活发挥重要作用,也是应对气候变化、保护海洋生态环境、推进气象现代化建设,缩小与发达国家差距的紧迫要求。目前,从我国“一带一路”建设、海洋权益、国土安全、海洋经济发展、应对气候变化、保护海洋生态环境、推进完善以智慧气象为重要标志的气象现代化、提升气象业务能力建设等,我国涉海各省市已经开展了海洋气象服务工作,为沿海和海上安全生产、防灾抢险、保障人民生命财产安全做出了重要贡献,在远海捕捞、海上运输和海难救援中发挥着重要作用。“到2020年,建成结构完善、功能先进的气象现代化体系,使气象整体实力接近同期世界先进水平,若干领域达到世界领先水平”,实施海洋气象综合保障工程建设,对顺利实现“建设海洋强国”的发展战略目标,提升对我国责任海区,“21世纪海上丝绸之路”沿线海域,及钓鱼岛、南海诸岛重点岛屿等重点区域和领域的海洋气象综合保障能力,全面提升海洋气象保障经济社会发展的能力,指导落实海洋气象重点工程项目建设任务起到重要的指导作用。

鸣谢:感谢中国气象局马舒庆、钱传海、孙兆斌等专家的帮助。