小模式、熵气象、软件--新疆气象手册（63）第3篇第13章15-17节

 2020 04 23

《新疆气象手册》一书（2006，气象出版社）的序，前言 ，提要 ：http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1208089.html  

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15 中国第一个省级电子气象信息处理系统（小模式） 

15．1 概述 

我国的天气预告和气候分析用的基本图表数十年来都是手工填写绘制。在20世纪80年代气象现代化的背景下，如何使这一个传统的重要业务流程转移到电子信息处理技术上来是全国气象部门的重要技术课题。80年代后期，新疆气象局在气象通信方面已经电脑化。随后新疆开发的省级分布式综合气象信息处理系统（小模式）在全国率先在这个重要领域迈上了电脑化（自动化）的新台阶。

原新疆气象业务中心研制的《省级分布式综合气象信息处理系统（小模式）》于1991年10月全部投入业务运行，它适应现行气象业务体制，实现了气象信息自动化处理，有良好的发展前景，并具备向新体制过渡的可转换能力，实现了一定范围内的分布式和综合气象信息处理，形成了整体的气象业务能力和新一代气象科研环境，大大提高了综合处理气象信息的总体水平和能力。

“小模式”系统1991年全部投入气象实时业务之后使自治区气象台气象业务的自动化水平跃居到全国省级气象系统之首，其结构模型和设计思想对我国省级气象业务的现代化建设产生了深远的影响，正如中国气象报1992年10月5日171期“改革开放13年辉煌成就”专栏《我国的天气预报现代化建设成就显著》一文中指出的：“……随着计算机工作站的发展，1989年自治区气象局研制成功了我国第一个功能齐全的《省级气象信息人机交互处理系统》标志着我国的天气预报现代化建设又向前迈进了一大步”。1993年，该项目获新疆科技进步一等奖。“小模式”系统在自治区气象台业务运行达十年之久。

在“小模式”系统业务运行若干年后的1996年，经国家计委批准的国家大中型工程项目，“气象卫星综合应用业务系统”（代号为“9210工程”）开始进入建设阶段，它是气象通信体制和预报系统的一次重大技术改造。工程集中了先进的卫星通信、计算机网络等高新技术，极大地提升了气象通信的传输和处理能力，加强了气象通信业务和天气预报业务界面的结合,建立了新的业务流程及运行模式，提高了系统的整体功能。

“小模式”项目主持人为景祥保。1980年毕业于新疆气象学校探空专业，后在上海交通大学进修，高级工程师、优秀专家。现在美国国家海洋和大气局（NOAA）环境研究院预报系统实验室（FSL）系统设计和实现处工作。

15．2 主要创新点 

⑴ 首先研究出了一个适合国情的，能逐步实现的，面向20世纪90年代国际发展水平的结构模型。

⑵ 在国内气象部门首先开发了系统级气象图形系统和工作站技术。 

⑶ 系统采用工作站平台和分布式气象信息处理方式，建立起一个完整的综合气象信息处理环境。 

⑷ 系统具有分布式环境下的静态业务流和任务控制以及数据分布控制能力。

15．3 技术水平 

⑴ 利用现代计算机图形图像处理技术，围绕气象视觉化显示需求，研制了一个与国际同量级先进系统水平相近的气象图形图像系统。

⑵ 系统使用了现代的分布式并行处理方法和智能控制方法，使一个数据和功能分布、分散和集中处理、实时和非实时处理、交互和批作业，顺序和并行作业并存的复杂系统协调有序地工作，保持了设备的整体效益。 

⑶ 本系统跨代设计，在80年代末期提出和建立了我国90年代的省级气象系统的计算机体系结构模型，设计思路和实现方法接近发达国家的技术水平。 

系统设计合理，以软补硬，以小代大，并向全疆15地（州、市）气象局推广应用。另外，本系统先后接受新疆各级领导和出席在乌鲁木齐市召开的1994年全国气象局长工作研讨会的各位领导、专家以及国内外气象专家的参观指导，得到了充分肯定和高度评价。

（赵明）

16 创立熵气象学 

熵（音商，shang）理论被爱因斯坦认为是整个科学的第一法则，“熵气象学”则研究它在气象各个领域的应用。

16．1 熵气象学的由来 

1980年廖树生把统计力学中的玻尔兹曼分布的模型用到雨量的概率分布上。张学文认为这是气象理论的生长点，1981年《新疆气象》发表廖树生和张学文的“降水统计力学”研究的三篇文章把研究范围从点雨量扩展到降水的维持时间、笼罩面积、雨量深度等方面，为分布函数概念和最大熵原理用于气象领域打开了新局面。

16．2 熵气象学的研究过程 

张学文曾把信息熵概念系统用于气象，著《气象预告问题的信息分析》。廖树生的工作使他看到统计力学中的玻尔兹曼分布与信息熵最大的一致性、是热力学第二定律用于气象的新突破，认为分布函数概念是概括很多气象现象的有力理论工具。20世纪80～90年代在新疆气象局、自治区科委以及中国自然科学基金会的3个项目支持下就此开展了比较广泛的研究，发表论文数十篇。张学文、马力合著《熵气象学》（气象出版社）概括了主要思路和对应的成果。马力、廖树生、马淑红、杨秀松、郑国光、莎拉买提等都做了贡献。

丑纪范院士认为它“从统计物理和熵的非决定论角度另辟蹊径”。21世纪初张学文把分布函数和熵的理论综合为“群体由个体组成”的《组成论》。周家斌和黄嘉佑在“迅速发展的中国统计气象学”中把熵气象学列为统计气象学的发展方向。

16．3 熵气象学的主要概念 

熵气象涉及两个基本概念分布函数概念，和熵概念（复杂程度）。分布函数概念的核心是描述一个系统内不同特点的个体有多少个。如全班学生中不同身高的学生有多少。而由此可以计算一个统计量–复杂程度。而复杂程度与信息论中的信息熵成正比例，也对应热力学中的熵。熵是与分布函数有联系的另外一个基本概念。

16．3．1 气象分布函数的例子

下表给出了气象领域的分布函数的少数个例：

本表提示分布函数概念可以概括十分广泛的重要气象问题，而这些一般性问题的提出本身就超出了动力（理论）气象学的范围。另外，气象要素的概率分布也是它的特例。

16．3．2 复杂程度（熵）的计算公式

如果“群体”是指总面积为900km²的一场雨的范围，而不同雨量的占的面积符合下面的表：

那么复杂程度C由下面公式计算：

写为通式就是

N表示群体中个体的总数量，而各个n表示具有特征i的特点的个体的数量。当对数以2为底时，复杂程度的单位是比特（同信息量的常用单位）。公式可以用到各种群体和它的各种特征的复杂程度计算。而计算的基础是知道该群体的分布函数。

16．4 熵气象学的主要原理 

最大熵原理（热力学第二定律）是自然界的基本定律。熵气象学则巧妙地把它用到气象的各领域。这首先是把很多气象问题归结为对应的分布函数（不随时间变化的），进而指出它的一种积分对应着熵（可以是热力学熵，也可以是非热力学的气象熵），再利用最大熵原理配合一定假设反推理论分布函数。如果假设的条件比较合理而反推的分布函数符合实际，那就说明该分布函数体现了最大熵原理。暴雨时间、面积、深度的关系的公式的发现和验证就是例子。把最大熵用到气象领域的多个侧面就是熵气象学的理论轴线。

16．5 熵气象学理论的验证应用和扩展 

⑴ 暴雨时间、面积、深度的关系：

杨秀松等用国内外大约100个暴雨过程中不同的雨量占的面积的分布实践数据验证了新提出的暴雨的雨量与其占有的面积服从负指数分布的公式，马淑红、马力用全国各地的数百个暴雨的降雨强度和维持时间的关系验证了新得到的理论公式。这佐证了理论公式与实际的一致性，为水文界重视的暴雨时间、面积、深度的关系提供了理论基础。暴雨与其维持时间的研究成果还为新疆气象系统确定不同时段的暴雨标准提供了理论依据。

⑵ 发现一批气象分布函数 

研究揭露了很多重要的分布函数。如暴雨的时面深分布、气压的面积分布、不同位温、能量、角动量、风速占据了多少大气质量等大约有30多种分布函数，它们都具有不随时间而变化的特点。这相当于发现了大气中的一批稳定的约束关系。它们可以在数值预告中应用。马淑红等人在很多气象工程服务中计算了大量的多年一遇的气候极值是多少。本研究提供的理论分布与实际资料的互相佐证提高了这些实际服务的理论依据，取得良好的工程效果。

⑶ 统一解释很多概率分布函数

扩展后的熵原理归纳了不同的约束条件下由于复杂程度最大而得到的不同的分布函数约10多种，这从理论上统一解释了概率论中最常用到的概率分布类型。

（张学文）

17 新疆气象软科学研究和应用步入全国先进行列 

17．1 新疆气象软科学研究的背景简介 

1982～1984年，全国气象部门自上而下开展了机构改革，一大批气象业务技术骨干走入各级领导、管理岗位，而学习和研究气象管理则是提高管理素质和水平的必由之路。

1983年春，国家气象局局长邹竞蒙一行，专程来新疆调研气象局领导班子调整问题。在全局职工大会上表扬新疆气象局首任老局长苏占澍：一是在“三年自然灾害”时期，各省（区、市）气象局都“怕进人”，他敢于在1962年一年里，接受大学（含大专）生20多人，中专生120多人，而这些人已成为新疆各级气象台站的业务技术骨干，这就是人才问题上的战略眼光；二是1982年，根据国家气象局要求和部署，新疆气象局在全国气象部门率先实施“双重领导，以部门为主”的领导管理体制，具有改革管理的高度自觉性。事实上，邹竞蒙是用“老局长”这个典型来激励、教育将要上任的各级新领导。

1983年冬，新任的王为德局长组织了40余名专家和领导，对1984—2000年新疆气象事业长远发展规划进行研讨，研究成果汇编成《开发建设新疆的气象问题及对策—对一个省（区）级气象系统现代化建设的研究》，简称“红皮书”。受到国家气象局、新疆维吾尔自治区和农业部的领导及有关专家、学者的赞誉与欢迎，在全国气象部门有较大影响。

1986年冬，新疆气象局开办首次机关、直属单位处以上领导干部管理知识研讨班。

1987年11月，中国气象学会成立气象软科学专业委员会；随后，国家气象局总体规划设计研究室出版《气象软科学》刊物；政策法规司设立软科学研究基金，并发布年度的气象软科学研究指南。这些举措，有力地促进了气象软科学的研究和应用。

17．2 新疆气象软科学研究的主要特点 

17．2．1 领导重视

新疆气象局历任和现任局长、副局长都带头参与研究、撰写论文，参加多种类型的研讨会，学术交流会；局机关成立总体规划政策研究室（处级单位，现已合并由政策法规处代行其职能）专门负责软科学研究的规划计划、组织协调和课题管理，原新疆气象科研所成立了软科学研究室；新疆气象局设立软科学研究基金，组织研究网络，立题立项，举办现代化管理研讨班、规划计划研讨会；狠抓研究成果在管理、决策中的应用等。

17．2．2 理论指导

坚持以辩证唯物主义和历史唯物主义以及建设中国特色社会主义理论和“三个代表”重要思想为指导，认真学习和应用系统科学、科学技术学、战略、规划、政策、预测、决策、对策、领导、管理、人才等项科学的原理与方法，紧密结合新疆气象实际，提出了一些被实践证明是正确的观点和理念。如，发展新疆气象事业必须敢于和善于探索、认识、掌握和体现“新疆特色”；主动进入新疆经济建设大舞台担任一名“角色”，演出“气象特色”；要把“三个有利于”作为衡量气象事业发展标准的基本内涵。又如，系统地探讨了新疆气象事业现代化管理体系框架设计的理论基础—科学管理观；指出树立可持续发展观是拟订气象事业可持续发展战略的基础和前提；提出“现代气象”新概念，在实践中，要突破传统气象概念的束缚，应该“主管”天，“协管”地、水、生（物）。（21世纪初的语言是“拓展气象活动领域”）。

17．2．3 突出主题

新疆气象软科学研究的主题是：联系新疆实际，探讨建设有中国地方特色现代气象事业的理论和方法。因此，围绕新疆优势资源转换发展战略和国家的西部大开发战略，对气象事业发展的规划计划、科学决策、决策咨询、现代管理、结构调整、转换机制、科技产业、队伍稳定、人才战略、班子建设、项目论证、服务对策、效益评估、改善生活以及气象灾害、气候资源、生态环境等重大问题，开展多层次、全方位的研究。研究成果基本上都汇编成册：

⑴ 新疆气象局总体规划政策研究室编，新疆气象软科学研究文集，1995

⑵ 张家宝著，气象软科学理论思考与实践，新疆人民出版社，1999

⑶ 徐羹慧主编，西部大开发中新疆气象事业发展的理论思考与设计，气象出版社，2001

17．2．4 重在应用

对于一个地处边远、环境艰苦、经济落后、民族众多、全国最大省区的气象部门来说，中华人民共和国成立57年来特别是改革开放28年来，新疆气象事业能够取得如此巨大的发展，除了党的正确领导、群众艰苦奋斗、上级关怀支持、有关部门帮助这些基本因素外，直接的具体的领导和管理得益于软科学研究及其成果的应用也是一个重要的原因。

值得提出的是，进入21世纪后，中国气象局批准在原新疆气象科研所基础上成立中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，进入国家气象科研“一院八所”系列；在原新疆气象业务（环境气象）中心基础上成立乌鲁木齐区域气象中心，成为全国八个区域气象中心的一员，实现了新疆气象人为之奋斗了20年的夙愿。

还值得一提的是，新疆气象局在培养人才方面已见成效。1995年后调往内地现任中国气象局副局长1人，司局级正职2人，副职2人；新疆气象局正职2人，副职9人（含调出2人），巡视员1人，助理巡视员1人。2001—2005年，由副研（高）晋升为正研（高）10人。

（张家宝）