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天气和气候研究的五大优先事项--适应如何制作和使用数据
发布日期 :2024-04-07  

——原载《自然》,2017年12月14日

 李婧华译

  气象正在进入一个全新的时代。全球范围内,对于风暴、洪水和干旱的预报需求正在不断增长。例如,今年世界气象组织(WMO)迈阿密中心针对西大西洋一系列灾难性的飓风(哈维、厄玛和玛利亚)发布的预警,让受灾地区的居民有时间寻求庇护,采取措施来减轻灾害的影响。

  环境变化的风险和影响不断上升。保险公司的报告显示,2016年全球自然灾害造成的损失达1750亿美元,其中3/4是由气象、水文或气候事件造成的。

  收集和提供天气和气候信息的模式也在不断发展。越来越多的企业和非营利组织开始提供天气服务。现在数据来源更加广泛,例如手机应用程序和智能设备也成为数据来源的一部分。

  气象界必须适应。2/3的国家气象部门需要加强其核心基础设施建设。研究人员需要采取新的方法收集和传播环境信息。沟通、联盟和伙伴关系必须变得更为互动、非正式和包容。为了开始这样的新进程,10月,WMO在瑞士日内瓦召集了100多名大气、水文和相关科学的专家。由于收到了及时的自然灾害威胁预警——阿贡火山变得活跃起来,会议被迫从印度尼西亚巴厘岛迁移(最后在瑞士日内瓦召开)。会议成果已经有50多个国家达成一致,并将于2019年提交给世界气象大会批准。作为WMO科学峰会的组委会成员,在本文中,我们提炼了会议成果中的五大优先事项。

  科学直面服务

  越来越多的公司、非政府组织和其他机构开始提供天气预报、预警和环境信息。例如,印度尼西亚一个公私合营机构开发的APP——SMART seeds,可向当地种植辣椒、西红柿和黄瓜的农民提供天气预报和水资源信息。

  同样,制作的信息需要在正确的时间,以正确的形式传递给需要的人。例如,水文学家需要历史气候数据和每小时雨量预报来建立城市洪水风险模型。城市管理人员西希望暴雨预警能够提前数天至数周。因为一旦暴雨来袭,他们需要实时监测天气、交通和脆弱的基础设施。官方救援人员想知道在什么情况下疏散人员、疏导水域或者开放避难场所更为有效。例如,美国气象局开发了包括飓风登陆时沿海地区的风暴潮模式在内的相关工具,以支持决策制定。

  科学很难转化为服务。研究人员需要确保结果更加准确有效、获取便利。以专业术语呈现的数据,可能不相关或不充分,无法支持可靠的服务。例如,了解海冰如何与海水或太阳辐射相互作用的细节,并不能使船长知晓如何在北冰洋指挥船队。独立的科研中心需要与业务中心更加紧密地合作,即使共享数据协议在天气和气候界之间有所不同。

  气象学家需要就不同情形下的最相关变量达成共识。例如,预测城市空气质量时,局地的风可能比气压更为重要。还必须考虑区域的情况——例如,东亚的天气信息可能还要包括青藏高原复杂的水文循环。

  “关键球员”是谁目前还不清楚。建立风暴或飓风预警系统可能涉及研究人员、系统开发人员、通信专家、地方政府和社区成员。不同的人员需要阐明其需求的机制。

  私营机构、公立组织和学术机构与非政府组织必须商定解释和传递信息的战略。WMO应创造一个促进联合研究活动的环境。还需要确定研究战略的资金来源以及各研究领域的优先级。例如,改善城市服务是一个紧迫的领域。

  建立无缝隙模式

  目前的预报模式分别考虑了大气、海洋、陆地和冰冻圈等组分。一个综合的模式,通过建立局地到全球、分钟到世纪等不同尺度上行星过程间的联系,将提高预报的准确性。把热带过程对中纬度天气的影响或城市街道对城市风的影响纳入产品中。此外,还应注重众包数据的使用。

  建立融合模式和数据的科学策略。这一策略将在信息提供的所有阶段进行:从监测观测到资料同化、模式、预报、传播和交流、理解和解释、决策和制作产品(参考文献1,见附录2.2)。同样,水循环和城市发展是可以优先发展的主题。

  通过WMO的世界天气研究计划(参考文献2,见附录2.3)、世界气候研究计划和全球大气观测计划(参考文献3,见附录2.4)等的合作,从天气到气候,从水文到空气质量,努力将各个领域的模式结合起来。还需要吸引更多的团队加入进来,包括水文学家、社会科学家、再保险公司和私人基金会等。

  改进基础设施

  信息提供者、模式开发人员和用户都需要更先进的计算基础设施和设备。这些计算机需能实时分析几十亿字节(1018字节)的数据并将其转化为服务(参考文献4,见附录2.5)。模式必须升级,使其能在多处理器、基于云和分布式的计算机上运行。

  需要扩大获取数据、工具和基础设施的机会,特别是在发展中国家。例如,欧盟委员会哥白尼项目的数据和信息,专门提供给气候和空气质量服务,需能够更容易地获取。还应鼓励数据的公平使用,例如引用数据的发明者、方法和工具。

  扩展观测网络,从而捕捉更多的相关天气气候现象。需要更好地跟踪海洋、冰川与大气之间,陆面与地下水之间的水通量。需要一种方法来融合不同质量和不同类型的数据。

  接受环境传感器方面的技术转变,如用移动传感器绘制污染地图。必须考虑众包观测数据,例如一些汽车公司收集的挡风玻璃刮水器的速度数据(指示雨强)。通过WMO全球综合观测系统和交互操作平台,进一步改进标准和协议。

  开辟公共部门和私营部门之间合作的新模式。例如,WMO与多家航空公司合作,每天收集70多万条气温、风速和风向的观测数据。此外,以这种方式收集的湿度和湍流数据也在不断增多。

  长期的观测数据和模式数据等需要妥善存储,必须建立计算机存储和文档存储,并进行共享。例如,次季节至季节(S2S)预测项目数据库就由欧洲中期天气预报中心和中国气象局共同主持管理。维护主要计划的数据库很重要,如“极地预测2017—2019年”和“海洋大陆2017—2019年”,这些数据将分别改进极地和热带地区的预测。

  培养多元化队伍

  学生和青年科学家是气象领域的未来。他们的教育和培训必须更加跨学科、注重服务和全球化(参考文献5,见附录2.6)。

  国家气象和水文部门应与大学合作,帮助青年科学家分析数据和利用工具。WMO的培训活动应不断更新,通过在线工具等方式提供给更广泛的参与者。私营部门和数据用户需要融入新的培训和指导模式。

  给予女性科学家,包括发展中国家的女性科学家更多的支持。根据联合国教科文组织统计研究所的数据,在所有科学领域中,全球女性研究人员所占比例约为29%。在许多国家,青年气象学者中约有一半是女性,但是随着职业生涯的发展,这一数字逐渐减少。我们需要认识到性别平等的障碍,气象服务机构应该制定相关政策,留住女性员工。措施包括:积极招聘和提拔女性员工,增加灵活性和流动性,消除性别偏见。

  WMO还需要了解推动不同文化背景的青年科学家决策的因素。他们面临什么挑战?如何帮助他们更好地发展?

  WMO需要与现有的组织更紧密地合作。例如,“地球科学妇女网络”在50个国家拥有2000多名成员,“地球系统科学家青年社团”在80多个国家拥有1000多名成员。

  WMO应促进使用科学数据和工具,包括使用云计算设施,特别是在发展中国家。需要建立区域卓越中心。例如,中国气象局通过南京信息工程大学提供培训,并与WMO建立了联合办公室,就高影响天气事件研究进行合作。

  共享思想智慧

  必须建立新的网络,让精通不同领域知识、具有不同解决问题方式的人们分享见解。通过让利益相关者参与与其直接相关的短期项目,鼓励交流和互动。他们可以为长期计划提出反馈。例如,卫星开发者、研究人员和空间数据用户已经合作,提高对流云等观测资料的利用,以更好地理解、模拟和预测地球系统。卫星数据最初只能在晴空条件下使用,现在可以纳入阴天和多雨地区的模式,显着提高了模拟云特征的能力。

  WMO和相关机构之间应建立更好的联系,如国际科学平台(包括国际科学理事会、未来地球和联合国教科文组织政府间海洋学委员会)和国际捐助者(例如“联合国气候变化框架公约”下的绿色气候基金)。探讨与私营部门合作的机会,包括改进监测和观测、模式、预报、传播和沟通、理解和解释、决策和终端用户产品。还需考虑限制交换观测数据等风险。

  WMO的优势之一是能够开展有关基础研究问题的长期项目。例如,S2S预测项目已经改进了数周到数月的季节预测,使得在农业和粮食安全、降低水灾灾害风险和健康等领域能够作出较早的管理决策(参考文献6,见附录2.7)。更多的短期项目,例如极地预测年里12个月的针对性观测,将加速技术发展和网络化。需要建立相关机制,以确定不同项目的优先次序,并广泛征求意见,制定长期战略计划。

  将联合国可持续发展目标、《巴黎协定》和《仙台减轻灾害风险框架》作为助推器,集合最优秀的人才,开拓业务和技术领域,建立合作关系。

  通过国家气象部门和学术机构之间的合作覆盖区域需求。例如,由WMO运行、英国国际发展部支持的HIGHWAY项目,将五个周边国家的气象机构和高校联系起来,正在改进非洲维多利亚湖流域的早期预警。

  天气、气候和环境社区应支持WMO的努力,以满足日益增长的社会需求。

 

本文6位作者介绍

  • Øystein Hovis:WMO大气科学委员会主席,挪威国家科学与文学院董事会秘书长

  • Deon Terblancheis:WMO研究主任

  • Gregory Carmichaelis:美国爱荷华大学化学与生物化学工程教授

  • Sarah Jonesis:德国气象局执行董事会成员,研究发展部主任

  • Paolo M.Rutiis:WMO世界天气研究部门主任

  • Oksana Tarasovais:WMO全球大气观测司主任