EN中文

自然资源遥感 >

2025 , Vol. 37 >Issue 6: 1 - 9

DOI: https://doi.org/10.6046/zrzyyg.2022388

地球数据共享和知识服务

世界气象组织数据共享体系分析

  • 刘昱甫 , 1 ,
  • 白玉琪 , 1, 2
展开
  • 1.清华大学地球系统科学系,东亚迁徙鸟类与栖息地生态学教育部野外科学观测研究站,清华大学全球变化研究院,北京 100084
  • 2.清华大学中国城市研究院,北京 100084
白玉琪(1976-),男,博士,教授,主要从事地球空间数据基础设施研究。Email: 。

刘昱甫(1996-),男,博士研究生,主要从事地球信息科学研究。Email: 。

Copy editor: 张仙

收稿日期: 2022-10-18

  修回日期: 2024-04-03

  网络出版日期: 2026-06-03

基金资助

国家重点研发计划项目“面向开放科学的国际地球观测系统互操作体系研究与示范”(2019YFE0126400)

收起

Meteorological data-sharing system of the World Meteorological Organization

  • LIU Yufu , 1 ,
  • BAI Yuqi , 1, 2
Expand
  • 1. Department of Earth System Science, Ministry of Education Ecological Field Station for East Asian Migratory Birds and Their Habitatses, Institute for Global Change Studies, Tsinghua University, Beijing 100084, China
  • 2. Tsinghua Urban Institute, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Received date: 2022-10-18

  Revised date: 2024-04-03

  Online published: 2026-06-03

Fold

摘要

经过70余年的发展,世界气象组织(World Meteorological Organization,WMO)已构建起一个覆盖193个成员国的全球数据共享网络。该文从系统架构组成与管理规范标准2个维度系统分析WMO气象数据共享体系,重点阐述全球观测系统(global observing system, GOS)、全球电信系统(global telecommunication system,GTS)、WMO信息系统(WMO information system, WIS)以及全球数据处理和预报系统(global data-processing and forecasting system, GDPFS)4大核心组成部分的功能与协同机制。其中,GOS统筹陆地、海洋、飞机、卫星等多平台观测资源; GTS实现数据的实时收集与高效分发; WIS负责数据与产品的发现、获取与管理; GDPFS则面向用户提供多类型气候预报产品。通过制定统一的数据政策并构建完善的数据共享体系,WMO实现了在天气、气候、水文、大气成分、冰冻圈、海洋等多领域地球系统科学数据的全球协同共享。文章系统总结了WMO共享系统的建设成效,并探讨其在服务我国相关数据战略方面的具体需求,研究结果可为构建跨部门、综合性的地球观测数据共享体系提供参考。

关键词： 世界气象组织; 数据共享系统; 全球观测系统; 数据政策

本文引用格式

刘昱甫 , 白玉琪 . 世界气象组织数据共享体系分析[J]. 自然资源遥感, 2025 , 37(6) : 1 -9 . DOI: 10.6046/zrzyyg.2022388

Abstract

Through over 70 years of development, the World Meteorological Organization (WMO) has established a global data-sharing network that covers 193 members. This study analyzed the WMO’s meteorological data-sharing system from two aspects: system architecture and composition, and management norms and standards. The meteorological data-sharing system comprises the global observing system (GOS), the global telecommunication system (GTS), the WMO information system (WIS), and the global data-processing and forecasting system (GDPFS). Specifically, the GOS coordinates and schedules observational facilities from land and marine stations, aircraft, environmental satellites, and other platforms. The GTS manages the real-time collection and distribution of meteorological information. The WIS is responsible for discovering, accessing, and managing data and products. The GDPFS provides various climate forecasting data to users. By formulating a unified data policy and establishing this meteorological data-sharing system, the WMO has enabled the global sharing of Earth system science data in multiple fields, such as weather, climate, hydrology, atmospheric composition, cryosphere, and oceans. This study summarizes the achievements of WMO’s meteorological data-sharing system and its alignment with China’s relevant data strategy requirements. It assists in enhancing the understanding of international meteorological data-sharing activities and facilitating the construction of a similar multi-departmental comprehensive Earth observation data-sharing system in China.

Key words： World Meteorological Organization (WMO); data-sharing system; global observing system; data policy

地球数据共享和知识服务专栏
对地观测和模拟数据帮助我们更好地认识地球系统的变化,应对全球性挑战。但数据量的快速增长也带来了一系列难题:不同数据系统之间难以互通,数据标准各不相同,传统的“先下载数据、再到本地分析”模式效率低下,而各类数据产品在定义和分类上的不一致,更让数据的理解和应用面临障碍。如何让海量数据真正发挥价值,从简单的数据开放走向高效的知识服务,是地球信息科学领域当前面临的重要课题。
为回应这一挑战,本专栏汇集了六篇研究论文,从不同角度探讨了解决方案。首先,我们分析了全球对地观测和气候模拟两大数据共享系统的运行机制,揭示了现有数据共享体系的特点与局限。同时,通过对土地分类体系和湿地监测产品的具体考察,我们发现并解释了数据在语义定义和分类结果上存在的不一致问题。
本专栏进一步介绍了一项创新实践——基于语义网和知识图谱技术构建的地球观测知识系统。该系统将地球科学的核心概念、卫星设备、数据产品和学术文献等资源有机整合,建立起六类实体之间的关联网络,让科研人员能够更高效地发现和利用相关知识。
特别值得一提的是,本专栏通过建立多个数据节点间的协作机制,展示了“将计算送到数据端”的创新模式,有效避免了大规模数据转移的难题,为分布式数据的快速分析提供了切实可行的方案。
本专栏希望为构建更高效的地球科学数据平台、推进多源数据融合应用、最终实现面向实际需求的知识服务,提供有益参考和实践范例。

0 引言

世界气象组织(World Meteorological Organization, WMO)成立于1950年3月,其成员国的气象与水文部门通过国际数据共享网络,为全球提供短期天气、长期气候及水循环的监测和预测服务,助力社会各界更早、更可靠地预警灾害性天气、空气质量波动和气候变率变化,有效应对自然灾害、极端天气、气候变化、粮食安全等重大挑战[1]。
WMO依托世界天气监测网(world weather watch,WWW)项目开展全球气象数据交换[2]。自1963年启动以来,WWW已发展成为协调各会员国气象业务设施的重要机制,推动全球观测系统(global observing system, GOS)的开发、运行与发展,促进天气分析与预报产品的生成与分发,以及进行恶劣天气预警等业务信息的发布与传播。WWW由GOS、全球数据处理和预报系统(global data-processing and dorecasting system, GDPFS)以及全球电信系统(global telecommunication system, GTS)3大核心部分构成,其中,GOS统筹陆地与海洋台站、飞机、环境卫星及其他平台观测设施的协同运作; GDPFS整合世界气象中心(World Meteorological Center,WMC)、区域专业气象中心(Regional Specialized Meteorological Center,RSMC)及国家气象中心(National Meteorological Center,NMC)的分析成果与预报产品[3]; GTS作为综合性通信网络,负责快速、可靠地收集和分发观测数据与处理信息。GOS与GTS共同保障WMO会员及其他合作伙伴每日实时获取和交换数十亿条观测数据,为持续的全球天气监测与气候预测提供了关键支撑[4]。近年来,WMO积极推进新一代的综合GOS(WMO integrated global observing system,WIGOS)的建设[5]。WIGOS致力于提供全球尺度上兼容、质控、可溯源的长时期观测,以满足气象观测全面协调的需求。WMO信息系统(WMO information system, WIS)作为该组织唯一负责通信与数据管理的全球协调基础设施,自2003年世界气象大会提出建设愿景以来,逐步发展为服务于WMO所有计划的核心信息平台[6-7]。第十七次世界气象大会进一步将“WIS支持的WIGOS”列为2016—2019年WMO战略优先事项之一[8]。WIS在保障GDPFS数据交换与交付的同时,也显著丰富了数据共享体系中的数据中心数量,拓展了GDPFS系统的应用范围。
在GTS,GDPFS,WIGOS与WIS等项目的协同推进下,WMO已建立起广泛、稳定、高效的数据共享机制,显著提升了其在社会公共服务与地球科学研究等领域的影响力。WMO通过持续制定和更新战略计划、技术规范与标准规程,在国际数据共享合作中充分发挥了其管理与协调职能,展现出全球领导力。其倡导的科学数据共享理念与创新实践,有力引领了全球科学数据共享与互操作体系的建设。本文系统梳理WMO构建的关键气象数据共享体系,从范围、方法、架构、内容与标准等多个维度剖析其发展历程与现状,以期为地学领域科学数据共享工作提供借鉴。

1 系统架构和组成

1.1 数据共享体系整体架构

如图1[9]所示,当前WWW由GOS,GTS和GDPFS这3大核心部分构成。其中,GOS与全球大气监测计划(global atmosphere watch, GAW)、WMO水文观测系统(WMO hydrological observing system, WHOS)、全球冰冻圈监测计划(global cryosphere watch, GCW) 及全球气候观测系统(global climate observing system, GCOS)等共同构成了WIGOS。目前,WIGOS与GDPFS已成为世界气象组织最主要的两类数据共享与交换项目。WIS则是在GTS基础上改进与演化而来,重点增强了通信网络能力。
图1 GOS,GTS,WIS和GDPFS在WWW项目中的关系

Fig.1 Relationship of GOS, GTS, WIS and GDPFS in WWW

1.2 WIGOS

WIGOS为WMO现有各观测系统的整合、协调与优化演进提供了一个统一的集成框架[10]。该框架涵盖了WMO所属的全部观测系统,以及WMO在共同发起的WIGOS中负责的相关部分。具体而言,WMO内部纳入该框架的包括: WWW中的GOS和GAW的观测部分、水文和水资源计划下的WHOS,以及GCW的观测内容(含地基与空基要素)。此外,WMO与联合国教科文组织政府间海洋学委员会、联合国环境规划署及国际科学理事会共同发起的GCOS和全球海洋观测系统也属于WIGOS的组成部分[11]。
WIGOS旨在联合各国气象水文部门与国际合作伙伴,通过提供兼容、质控、可溯源的长期观测,满足全球在气候、水文与环境方面的高质量服务需求。为统筹长期发展,WMO制定了《WMO全球综合观测系统2040年愿景》,为WIGOS支持WMO及其会员在天气、气候与水等综合领域未来的发展设定了高层次目标旨在联合各国的气象水文部门与国际合作伙伴,通过提供可兼容、有质控、能溯源的长期观测来满足全球气候、水文和环境的高质量服务需求。在长期规划方面,WMO制定了《WMO全球综合观测系统2040年愿景》,为WIGOS支持WMO及其会员在天气、气候和水等综合领域内的未来长期发展规划了高级别目标[12]。
如图2所示[13],《WMO全球综合观测系统手册》规划了WMO指定监测中心、WMO会员、WMO技术委员会、WMO区域协会,以及WMO应用领域数据用户这5类角色之间的合作流程和具体职责。数据共享与互操作的流程主要包括: 确定用户需求,参与WIGOS的设计、规划与发展,制定并记录观测系统的控制标准与最佳实践,实施观测质量控制,交付观测结果与元数据,以及评审用户反馈与需求满足情况。通过多种角色在流程中各有分工、协同参与,形成了完整的多方国际合作机制等。
图2 WIGOS国际合作的角色和流程

Fig.2 Schematic representation of the roles and procedures involved in the WIGOS international collaboration

1.3 GTS

GTS是一个由点对点电路与多点电路共同构成的地基与卫星通信综合网络。该系统连接全球各国的气象通信中心,能够全天候、近实时地收集和分发所有与气象相关的观测数据、预报产品及警报信息。在GTS中传输的内容主要包括气象与水文学观测资料、气候分析与预报产品,以及海啸警报信息和地震参数等。GTS由WMO各成员国的国家气象和水文部门,以及欧洲中期天气预报中心、欧洲气象卫星组织等国际组织共同负责实施与运营。
GTS的全球网络示意图如图3所示,具体包括以下3个层次的等级结构:
图3 GTS的全球网络示意图[14]

Fig.3 Structure of the GTS global network

1)骨干电信网络。骨干电信网络连接位于墨尔本、莫斯科和华盛顿的3个WMC,以及阿尔及尔、北京、布拉克内尔、巴西利亚、布宜诺斯艾利斯、开罗、达喀尔、吉达、内罗毕、新德里、奥芬巴赫、图卢兹、布拉格、索非亚和东京共15个区域电信枢纽(Regional Telecommunication Hub, RTH)。
2)区域气象电信网络。该网络分布于WMO各区域,包括非洲、亚洲、欧洲、南美洲、北美洲、中美洲和加勒比、西南太平洋及南极地区。区域气象电信网络连接了各类气象电信中心,涵盖WMC,RSMC,NMC和RTH。区域气象电信网络负责收集观测数据,并在区域内选择性向WMO成员分发信息。其职能包括承载和传输大量气象资料,确保在限定时间内完成全球与区域间的观测数据交换及处理信息的分发。RTH在此承担区域气象电信网络与骨干电信网络之间的数据接口功能。
3)国家气象电信网络。该网络以NMC为核心,负责收集全球共享的观测数据,并承担国家层面气象信息的接收与分发任务。
此外,卫星数据的收集和分发系统也作为全球、区域和国家各级网络的基本要素纳入了全球电信系统。通过地球静止或近极轨道气象/环境卫星运行的数据收集系统被广泛用于收集观测数据。海洋数据通过国际海事移动服务和国际海事卫星组织收集。国际数据可以通过气象卫星的气象数据分发,或通过电信卫星(如RETIM)分发。

1.4 WIS

WIS为WMO各项计划提供了数据与产品的全球传输及管理能力,支持各中心和成员国对计划框架内产生的天气、气候、水文等相关数据,进行便捷的发现、获取与检索[15]。WIS由国家中心(National Centers,NC)、数据收集和生产中心(Data Collection and Production Centers,DCPC)和全球信息系统中心(Global Information System Centers,GISC)和通信网络构成,如图4[16]所示。
图4 WIS的全球网络示意图

Fig.4 Structure of the WIS global network

1)NC负责连接GISC或DCPC,实现数据共享并在国家范围内进行数据分发,同时负责协调或授权本国符合资格的用户使用WIS。其具体职责包括: 收集观测数据; 收集、制作并分发供本国使用的数据产品; 按需授权国内用户访问WIS; 向所负责的GISC与DCPC提供用于全球共享的观测资料与数据产品。
2)DCPC负责生成并提供观测数据、预报产品及增值信息,并承担基本的WIS功能,如维护元数据目录、运行互联网门户以及管理数据访问权限。DCPC主要包括RSMC和区域气候中心,其具体职责涵盖: 向所负责的NC收集并分发信息(即区域汇集); 生产区域性或专业性数据与产品; 向对应的GISC提供用于全球交换的信息; 支持通过请求/答复机制(如图中所示的“拉取”方式)按需获取所需数据; 依据约定标准描述数据产品,并提供产品目录访问服务; 确保在发生自然灾害等重大事件时能够迅速恢复基本服务。
3)GISC承担着网络枢纽的核心职能,它负责维护WIS目录的同步副本、支持目录检索、缓存数据与产品、保障业务中心间近实时数据交换,并提供数据下载或订阅机制。GISC确保了WIS在区域与全球层面的连通性。GISC在元数据发现方面发挥着关键作用,这是WIS实现信息发现、访问与检索的基础。所有GISC均保存同步的元数据副本,用以识别整个WMO社区中所有可用及可交换的信息,包括提供元数据链接,以支持用户通过WIS中的发现、访问与检索服务进行查询。GISC的主要职责包括: 接收来自所属NC与DCPC的全球交换观测数据与产品; 与其他GISC进行信息交换; 在其职责范围内传播WMO约定的全球例行交换数据与产品(至少保留24 h),并通过WMO请求/答复机制(即“拉取”方式)提供访问; 依据WMO标准维护、访问并支持数据与产品目录的全球交换; 为公共及专用数据传输提供全天候连接; 确保数据与网络服务的备份及灾后恢复能力。
4)WIS的通信网络基于GTS的骨干电信网络构建。该网络连接所有GISC,并进一步联通各DCPC与NC,从而保障WMO信息系统的稳定运行,实现全球数据与产品的顺畅流通。

1.5 GDPFS

GDPFS面向WMO各成员国,在多个层级和不同专业领域提供气象学、水文学、海洋学及气候学相关数据。该系统共享3类活动层级的预报数据,分别为基本活动、专业活动与非实时协调活动。其中,基本活动涵盖广泛用途的基础数据产品,包括临近预报、数值天气预报、全球/区域集合预报、季节与气候预测、海浪与风暴潮数值预报等[12]; 专业活动则指面向特定应用或用户群体的预测产品,例如台风预报、沙尘暴预报、核应急响应产品以及空间天气预报等; 非实时协调活动主要包括数值天气预报的验证、观测活动的监测等内容。此外,部分世界天气研究计划和世界气候研究计划数据也以业务化数据形式被纳入GDPFS建设指南。例如,由GOS研究与可预报性试验发起的次季节—季节(S2S)预测计划数据,以GPCs-SSF和LC-SSF数据库形式在系统中共享,以支持无缝隙时空尺度上的预报挑战。
如图5[17]所示,GDPFS的数据中心采用3级组织结构: WMC,RSMC和NMC。这3个层级分别在全球、区域和国家层面协同实现GDPFS的各项功能。其中,NMC履行的主要职责包括满足参与WWW系统要求、提供天气预报警报数据产品和特殊应用数据产品; RSMC应至少提供一项通用型或特殊应用型产品; WMC则负责提供全球数值天气预报、全球集合数值预报、全球长期数值预测产品等。
图5 GDPFS的组织体系示意图

Fig.5 Structure of the GDPFS system

根据WMO的认定,当前GDPFS中心包括10个WMC、11个基于地理概念的RSMC、8类从事基本活动的RSMC、10类从事专业活动的RSMC,以及3个促进协调的牵头中心[18]。

2 管理体系与标准规范

2.1 核心数据目录

《WMO统一数据政策决议》明确了全球数据交换的核心数据目录[19],该目录涵盖天气、气候、水文、大气成分、冰冻圈、海洋及空间天气共7个大类,其下进一步细分为37个小类,每个小类均包含多组数据集。以全球基准观测网络数据为例,其内容被划分为核心数据、其他核心数据及推荐数据等类别。核心数据目录中的大部分数据均源自WIGOS指南或WMO制定的其他观测指南。

2.2 节点建设

2.2.1 WIGOS节点建设

《WMO全球综合观测系统指南》为WIGOS国家观测系统的实施、数据伙伴关系的建立以及区域WIGOS中心的建设提供了系统性指导。其中,国家观测系统部分的实施指南旨在协助各会员国制定国家观测战略与WIGOS国家实施计划,支持其设计、规划和发展本国观测系统,并逐步接入WIGOS全球网络。该指南内容涵盖观测战略的制定、关键指标设定、规划实施方法、数据管理策略以及运行维护资源等,形成了一套完整的建设路线图。
《数据伙伴关系指南》则提出了将气象与水文学之外的其他业务部门观测数据纳入WIGOS的整合策略,明确了气象水文部门、WIGOS中心及相关合作伙伴在数据共享中的职责划分与协作原则。该指南不仅为处理新数据纳入过程中可能涉及的法律关系与商业合作问题提供了解决方案,也围绕台站标识、元数据规范、数据质量控制、技术限制、归档存储与网络安全等方面给出了最佳实践建议。区域WIGOS中心部分则提供了从项目介绍、资源需求、分阶段实施、风险评估到治理监督的全流程建设方案建议,为中心的系统化建设与运行管理提供参考。
《WMO全球综合观测系统手册》进一步明确了提出观测数据需求时应遵循的规范与程序。会员国的观测需求可源自国家层面,也可通过参与全球或区域层面的WMO计划合作产生,并以“需求滚动评审”机制进行确认。手册系统规定了观测系统运行的各项规范,涵盖台站与观测平台、仪器与观测方法、观测数据与元数据报送、质量管理原则等内容。同时,手册也详细列出了WIGOS各组成系统的通用要求,包括用户需求分析、系统设计规划与发展、仪器观测方法、节点运行、元数据规范、质量管理与能力建设等方面,并针对空基子系统,WWW,GAW,WHOS及GCW等特定系统提出了专门的建设要求。

2.2.2 WIS节点建设

《WMO技术规范》明确了WMO信息系统的作用、组织结构、节点职责及数据编码等关键内容[20],其核心文本包括《WMO技术规则——编码规范》[21]《WMO信息系统手册》[22]和《全球资料处理和预报系统手册》[18]。其中,《WMO信息系统手册》详细规定了WIS的3层节点(GISC,DCPC,NC)的组织职责与功能关系,涵盖了节点指定程序、数据审查机制和功能要求,同时也对数据流程、数据服务、用户管理等方面的技术规格、元数据标准及信息管理方法作出了具体约定。

2.3 元数据

2.3.1 WIGOS元数据

WIGOS通过采用标准化的数据表示形式与统一编码来实现系统间的互操作性与兼容性,其中元数据规范是支撑该目标的核心方法与技术基础。如图6[23]所示,WIGOS元数据规范共涵盖10个类别,分别为观测变量、观测目的、观测平台、观测环境、仪器和观测方法、取样、资料加工和报告、资料质量、所有权和资料政策以及联系方式,共包含70项具体元数据要素[24]。每项元数据要素均对其编号、名称、定义、注释或示例、编码表及实施要求等作了明确规定。参照ISO的元数据标准,这些要素被划分为强制性(M)、条件性(C)和选择性(O)3类,为各成员国在具体实施过程中提供清晰参考。
图6 WIGOS元数据标准的UML视图

Fig.6 UML model of the WIGOS metadata standard

WIGOS元数据表示是WIGOS元数据的标准化编码方案,明确定义了元数据模型及其子类的建模概念、属性以及相应的可扩展标记语言(extensible markup language,XML)表示形式。该模型的核心内容源自ISO 19115国际标准,并针对WIGOS的实际需求进行了扩展,例如增加了适用于近实时应用的元数据要素。所有WIGOS元数据要素(或要素组)均包含时间标识信息,并关联至相应数据集的唯一标识符。

2.3.2 WIS元数据

根据《WMO信息系统手册》要求,所有通过WIS交换的信息均需附带符合WMO元数据标准的元数据。该标准以ISO 19115为基础,并针对WMO全球数据共享的具体场景进行了适应性扩展。目前,WMO元数据标准包含1.2和1.3这2个版本,均对元数据的内容、结构及编码方式作出了明确规定。依据该标准,元数据信息需满足以下8项主要要求: 符合ISO/TS 19139: 2007所规定的元数据编码规范; 在XML中明确定义命名空间; 正确引用GML命名空间; 为元数据记录提供特定标识; 包含分发范围信息; 唯一定义元数据标识符; 明确适用的WMO数据政策; 指定GTS传输优先级。此外,标准还提供了相应的数据字典和代码表,对各类属性的合法取值进行了统一规范。

2.4 数据传输规范

2.4.1 WIS数据传输规范

WIS数据传输整合了多点对多点的网络架构与单点对多点的广播机制,并引入国际互联网作为专用通信系统与网络的补充[25]。通过WIS发布的大多数数据与产品以文件形式提供,既可通过文件传输协议(file transfer protocol,FTP)服务器访问,也可借助GTS进行分发。当前,互联网在WIS数据发布等场景中的应用日益广泛。《WMO信息系统手册》中明确了通过专用网络、非专用网络及其他途径下载文件时应遵循的技术规格。这些规格主要引用了《全球电信系统手册》中关于GTS的设计原则与约定,以及其他相关WMO计划手册中的技术规定。

2.4.2 GTS数据传输规范

GTS数据传输主要采用FTP与SFTP协议,依托高可用性专用链路及网络云基础设施保障服务质量。所有经GTS传输的数据均需遵循统一的编码规则、编报格式、通信协议、传输路由及质量保证规范。其数据传输流程主要包括以下步骤: 将观测数据按格式规范编码为报告; 通过公报目录进行编报处理; 添加报头、时次与代号后生成公报; 按统一传输格式完成编报封装; 依据传输协议进行数据传输; 并根据区域划分与分发路径将公报发送至各相关中心[7]。
《全球电信系统手册》[26]明确了GTS的组织结构、业务流程与技术规范。其中,组织结构部分规定了GTS的整体功能、组织原则、系统设计原则及各组成部分的具体职责。作为规范的核心内容,业务流程部分主要包括: GTS业务运行原则、数据传输流程(涵盖气象数据报告的编码结构、字符集、信息格式、简报内容、报文类别与长度、时间定义、存储转发机制、网络传输协议及其他传输方式)、图像传输流程(包括图像传输格式、传真/模拟传输的中继要求、定期传输测试、编码与非编码传真传输流程等)、质量控制(涉及检测与控制规定及报告形式)以及公报的修改与通知流程。技术规范部分则进一步规定了主干网络与区域网络的电路特性,以及传真/模拟传输所需的设备与信号特征。

3 讨论和总结

3.1 WMO数据共享成效和中国贡献

依托多层级的全球数据共享与交换体系,WMO实现了天气、气候、水文、大气、冰冻圈、海洋等多类地球观测与模拟数据的全球共享与交换。
WMO数据共享成效显著,其关键保障在于各项计划与规范的科学制定与稳步实施,特别是经WMO大会审议批准的战略规划[27]、运行计划,以及各系统的技术规则、手册与指南,为各会员国提供了目标统一、指标明确、结果可控的共享建设方案,从而确保国际气象数据合作取得实效。2021年世界特别气象大会批准的《WMO统一数据政策》进一步优化了193个会员国和地区在天气、气候与水循环等地球系统数据共享方面的国际合作实践[2]。
我国在WMO数据共享体系中扮演着重要角色。例如,中国气象局在GDPFS框架内建设了世界气象中心和多个区域专业气象中心,并负责运行S2S计划两大国际数据镜像节点之一; 在WIS体系中履行GISC的核心职能,承担全球交换资料的收集与分发任务,同时作为DCPC负责观测资料的汇集与产品制作; 此外,我国还承担了GTS亚洲RTH的职责。通过积极参与WMO全球数据共享工作,我国培养了一支具备国际视野与跨文化工作能力的人才队伍,并向WMO总部及区域机构输送了多名高级别专家,目前有人担任WMO助理秘书长等关键职务,在全球气象治理中发挥了重要作用。

3.2 关注地球科学数据共享模式的转变

WMO当前的全球数据共享体系主要遵循“存储-分发”模式。该模式在用户需下载海量数据或本地需处理大规模计算任务时存在一定局限性。正如文献所指出的,“只有少数机构具备足够的计算资源与网络带宽来处理数百GB级别的数据”[28]。实际上,受各国国际网络链路及带宽差异的影响,不同国家乃至不同城市从同一服务器下载数据的速度存在显著差异。例如,针对国际耦合模式比较计划数据建立的国际测速系统(http://www.cmip6speedtest.cn/)显示,中国用户的平均下载速度仅为瑞士、英国等国家的1/8 ~ 1/6。正因如此,不少研究者因难以获取和处理大规模数据,而不得不转向使用规模更小、更易操作的数据集开展案例研究[29]。
在此背景下,地球观测与地球模拟等地学数据共享领域开始关注“在线处理”乃至“协同分析”等新型共享模式。其中,“在线处理”指大型数据中心提供存算一体化的环境,直接为用户提供基于互联网的交互式处理平台,既减少海量数据下载的需求,也显著提高数据利用效率与价值实现程度。“协同分析”则进一步在多个共享系统间建立协同机制,构建跨系统分布式存储数据的“全景视图”,并实现分析任务的自动分解、转发与调度,从而形成全局数据可查可析的能力,支持“订单式”多系统数据比对任务的自动化执行。
在新的共享模式下,数据处理与分析的主要负载从用户端转移至数据中心侧,对大型数据中心的架构与服务能力提出了更高要求。因此,推动“供给侧改革”,从传统的分发共享模式逐步过渡至在线处理与协同分析模式,成为提升整个地学领域数据分析与科研效率的关键举措。为实现这一共享方式与科研范式的转型,现有WMO数据共享架构尚需在存算资源统一管理、分析功能发现与调度、任务自动化执行等方面进一步强化能力建设。

3.3 总结

WMO经过数十年发展,已构建起一套覆盖全球、多层协同的数据共享体系,其核心由GOS,GTS,GDPFS以及WIS共同构成。这一体系通过标准化的技术规范、统一的元数据框架和严格的数据政策,实现了天气、气候、水文、海洋等多领域地球系统科学数据的全球交换与业务协同,为气象预报、气候预测与防灾减灾提供了不可或缺的数据基础。
在系统架构层面,WMO通过WIGOS整合了从地基、空基到卫星平台的各类观测资源,形成了兼容、质控、可溯源的综合观测能力; GTS作为骨干通信网络,保障了数据近实时、高可靠的全球传输; GDPFS依托世界、区域和国家3级预报中心,提供了从短临预报到季节预测的多层次数据产品; WIS则演进为支撑数据发现、访问与管理的核心信息基础设施,通过GISC,DCPC和NC这3类节点,实现了数据资源的统一调度与服务发布。
在管理机制方面,WMO通过《WMO统一数据政策决议》《WMO全球综合观测系统手册》与《WMO技术规范》等一系列文件,明确了数据目录、节点职责、元数据标准与传输流程,构建了目标统一、权责清晰、流程可控的共享合作框架。特别是WIGOS与WIS元数据标准的建立,以及其与ISO标准的对齐,显著提升了系统的互操作性与数据质量。
我国作为WMO的重要成员,在GDPFS,WIS与GTS等多个系统中承担了WMC,RSMC,GISC,DCPC及亚洲RTH等关键职责,并在S2S国际数据镜像节点运行、高级别人才输送等方面作出突出贡献,在全球气象治理中发挥了日益重要的作用。
面对日益增长的数据规模与用户需求,当前以“存储-分发”为主的共享模式在带宽依赖与计算资源分配方面显现出局限性。未来,WMO体系需向“在线处理”与“协同分析”等新型共享模式演进,通过构建存算一体、任务协同、智能调度的下一代数据环境,推动数据服务从“分发”向“分析”转型,进一步提升全球数据共享的效率和科学价值。
本文系统梳理了WMO全球数据共享系统的架构、规范与运行机制,相关经验可为我国构建跨部门、多层级的地球科学数据共享体系提供重要参考。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
World Meteorological Organization. WMO unified data policy resolution (Res.1)[EB/OL].(2021-04-27)[2022-11-02].https://wmo.int/wmo-unified-data-policy-resolution-res1.

[2]
World Meteorological Organization. WMO unified data policy[M]. Geneva: WMO, 2022.

[3]
World Meteorological Organization. World weather watch[EB/OL].(2015-09-10)[2022-11-02].https://wmo.int/world-weather-watch.

[4]
World Meteorological Organization. Global observing system[EB/OL].(2015-09-17)[2022-11-02].https://wmo.int/activities/global-observing-system-gos/global-observing-system-gos.

[5]
张文建. 世界气象组织全球综合观测系统(WIGOS)空间部分2040年远景发展规解读[J]. 气象科技进展, 2016, 6(1):135-145.

Zhang W J. Interpretation of world meteorological organization’s global integrated observing system (WIGOS) space part’s vision development plan in 2040[J]. Advances in Meteorological Science and Technology, 2016, 6(1):135-145.

[6]
王甫棣, 王鹏. 国际气象通信系统传输模型研究[J]. 计算技术与自动化, 2019, 38(4):156-161.

Wang F D, Wang P. Research on transfer model of international meteorological telecommunication system[J]. Computing Technology and Automation, 2019, 38(4):156-161.

[7]
Love G. The birth of the WMO information system[J]. Bulletin of the World Meteorological Organization, 2006, 55(4):232-238.

[8]
World Meteorological Organization (WMO). Guide to the WMO integrated global observing system (WMO-No.1165)[M]. Geneva: WMO, 2019.

[9]
Pecora S, Lins H F. E-monitoring the nature of water[J]. Hydrological Sciences Journal, 2020, 65(5),683-698.

DOI

[10]
World Meteorological Organization. WMO WIGOS 2040 and data policy[EB/OL].[2023-08-23].https://wmo.int/sites/default/files/2023-10/WMO_WIGOS_2040_AND_DATA_POLICY.pdf.

[11]
World Meteorological Organization. Annex VIII to the WMO Technical Regulations[M]// Manual on the WMO integrated global observing system (WMO-No.1160)Geneva:WMO, 2021.

[12]
World Meteorological Organization. Vision for the WMO Integrated Global Observing System in 2040[M]. Geneva: WMO, 2020.

[13]
World Meteorological Organization. WIGOS Manual.WMO-No.1160[M]. Geneva: WMO, 2021.

[14]
World Meteorological Organization. Data and product dissemination[EB/OL].https://community.wmo.int/en/activity-areas/wmo-space-programme-wsp/data-and-product-dissemination.

[15]
World Meteorological Organization. WIS overview[EB/OL].[2022-08-23].https://community.wmo.int/en/activity-areas/wis/wis-overview.

[16]
World Meteorological Organization. WIS core components[EB/OL].https://community.wmo.int/en/activity-areas/wmo-information-system-wis/WIS%20Core%20Components.

[17]
World Meteorological Organization. Global telecommunication system (GTS)[EB/OL].[2022-08-23].https://community.wmo.int/en/activity-areas/global-telecommunication-system-gts.

[18]
Asian Disaster Preparedness Center. Critical guidelines on community-based disaster risk management[EB/OL].[2022-08-23].https://www.preventionweb.net/publication/critical-guidelines-community-based-disaster-risk-management.

[19]
World Meteorological Organization. Global data-processing and forecasting system[EB/OL].(2015-10-16)[2022-08-23].https://public.wmo.int/en/programmes/global-data-processing-and-forecasting-system.

[20]
World Meteorological Organization. Manual on the global data-processing and forecasting system:Annex IV to the WMO technical regulations[R]. Geneva: WMO,2019:148.

[21]
World Meteorological Organization. Progress activity report of the extraordinary session of the world meteorological congress (Cg-Ext.(2021))[EB/OL].(2021-10-11)[2023-08-23].https://library.wmo.int/viewer/37353/download?file=Part_II_ProgressActivity_report_CgExt.pdf&type=pdf&navigator=1.

[22]
World Meteorological Organization. General meteorological standards and recommended practices[M]// Basic Documents,2.Technical Regulations. Geneva: WMO, 2019.

[23]
Organization (WMO) W M,World Meteorological Organization (WMO). Annex VII to the WMO Technical Regulations[M]// Manual on the WMO Information System (WMO-No.1060)Geneva:WMO, 2019.

[24]
World Meteorological Organization. Annex II to the WMO Technical Regulations:Part A- Alphanumeric Codes[M]// Manual on Codes-International Codes. Geneva: WMO, 2011.

[25]
World Meteorological Organization. WIGOS metadata standard[M]. Geneva: WMO, 2019.

[26]
李湘, 王甫棣, 姜立鹏, 等. WIS的实现技术研究及应用[J]. 气象, 2011, 37(10):1301-1308.

Li X, Wang F D, Jiang L P, et al. Research and application of the implementation technologies for WMO information system[J]. Meteorological Monthly, 2011, 37(10):1301-1308.

[27]
World Meteorological Organization. WIGOS metadata standard:WMO-No.1192[M]. Geneva: WMO, 2021.

[28]
World Meteorological Organization. Annex III to the WMO technical regulations[M]// Manual on the global telecommunication system. Geneva: WMO, 2015.

[29]
陈鹏飞, 朱玉洁, 陈正洪. 世界气象组织战略计划动态及其经验启示[J]. 气象科技进展, 2016, 6(5):64-69.

Chen P F, Zhu Y J, Chen Z H. World meteorological organization’s strategic plan and its enlightenment[J]. Advances in Meteorological Science and Technology, 2016, 6(5):64-69.

Options
文章导航

/

〈 〉