地面氣候月報編報軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

韓書麗， 譚小華， 韓鑫強， 張來恩

(國家氣象信息中心,北京 100081)

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地面氣候月報編報軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

韓書麗， 譚小華， 韓鑫強， 張來恩

(國家氣象信息中心,北京 100081)

地面氣候月報是世界氣象組織規(guī)定需要編發(fā)并通過國際通信系統(tǒng)進行國際交換的一類氣象報告，報告中編發(fā)的數(shù)據(jù)對氣象及氣候應(yīng)用有重要作用。根據(jù)中國氣象局的業(yè)務(wù)改革發(fā)展規(guī)劃，地面氣象觀測站取消編報業(yè)務(wù)后，為了保證國際應(yīng)用上和氣候相關(guān)的變量能夠保持無間斷地監(jiān)控，在國家級需依托已有業(yè)務(wù)資源，完成地面氣候月報的編報。在此研究了新的業(yè)務(wù)流程下地面氣候月報編報算法的編制及軟件框架的設(shè)計，并介紹了軟件開發(fā)及應(yīng)用部署情況。

地面氣候月報；格式；算法；設(shè)計；實現(xiàn)

地面氣候月報是世界氣象組織(World Meteorological Organization，以下簡稱WMO)規(guī)定的一類氣象報告[1]，它編發(fā)的是地面觀測站氣壓、氣溫、降水量、日照等基本氣候要素的月度統(tǒng)計值和多年統(tǒng)計值。地面氣候月報的數(shù)據(jù)在氣象和氣候應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，包括氣候監(jiān)測、氣候建模、時間序列生成等。根據(jù)區(qū)域基本氣候網(wǎng)絡(luò)的站點定義，各國站點在每月均要編發(fā)上個月份的地面氣候月報，并通過全球電信系統(tǒng)(Global Telecommunication System，以下簡稱GTS)進行國際交換[2-3]。

中國氣象局對地面氣候月報的編報規(guī)定是：每月4日，由地面氣象觀測站編發(fā)前一月本站地面氣候月報，并通過省級通信系統(tǒng)上行傳輸至國家級國內(nèi)通信系統(tǒng)，國家級國內(nèi)通信系統(tǒng)收集后向國際通信系統(tǒng)分發(fā)。根據(jù)《中國氣象局關(guān)于縣級綜合氣象業(yè)務(wù)改革發(fā)展的意見》，為了全面推進縣級綜合氣象業(yè)務(wù)改革發(fā)展，按照《縣級地面氣象觀測業(yè)務(wù)調(diào)整方案》工作要求，將取消地面氣象觀測站地面氣候月報編發(fā)業(yè)務(wù)。臺站取消編報后，由于中國氣象局承擔(dān)著地面氣候月報國際交換任務(wù)，為了保證國際應(yīng)用上和氣候相關(guān)的變量保持無間斷地監(jiān)控，在國家級需要依托現(xiàn)有業(yè)務(wù)資源，完成地面氣候月報編報應(yīng)用的設(shè)計、開發(fā)及應(yīng)用部署。筆者研究了新的業(yè)務(wù)流程下地面氣候月報編報算法的編制及軟件框架的設(shè)計，并介紹了軟件開發(fā)及應(yīng)用部署情況。

1 軟件框架

1.1 報文格式

按照WMO規(guī)定，地面氣候月報的電碼格式為FM 71-XII CLIMAT，簡式報頭的TT為CS。一份地面氣候月報的報告通常包含5段，每段包含若干組。每段編發(fā)的內(nèi)容如表1所示，其中，第2段每10年編發(fā)一次[4]。地面氣候月報中涉及到的月度統(tǒng)計值要素包括氣壓、氣溫、水汽壓、降水、日照、積雪深度、能見度、風(fēng)速、雷暴和冰雹，涉及到的年度統(tǒng)計值要素包括月總?cè)照諘r數(shù)多年平均值和降水量五分級。

表1 地面氣候月報格式

1.2 編報算法

地面氣候月報編報算法的研制是整個工作的核心及關(guān)鍵所在，是地面氣候月報編報應(yīng)用設(shè)計過程中的重要部分。編報算法主要包含數(shù)據(jù)源及計算規(guī)則兩部分。

1.2.1 數(shù)據(jù)源。根據(jù)對地面氣候月報電碼格式、地面氣象觀測規(guī)范[5]等的研究，確定了月報中各組數(shù)據(jù)的編發(fā)數(shù)據(jù)源，分別是通過臺站實時上行的地面自動站氣象要素資料(國家站)、重要天氣報、地面日照資料、地面氣象要素日值資料計算各要素月度統(tǒng)計值，通過《中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)集》獲取月多年平均值，降水量五分級數(shù)據(jù)直接由各臺站上報。

1.2.2 基本計算規(guī)則?；镜挠嬎阋?guī)則包括：①氣壓、氣溫等要素的日平均值，根據(jù)定時觀測時次進行平均計算而得；月平均值，根據(jù)日平均值進行平均計算求得。②降水量、日照時數(shù)等的月總量值，由日總量值累加計算而得。③計算極值時，從實有記錄中挑取。同時，由于實際觀測要素存在缺測的情況，需要根據(jù)觀測時次以及統(tǒng)計規(guī)則對存在缺測的各種場景下數(shù)據(jù)組織和處理的規(guī)則進行細(xì)化，主要包括：①求取日平均時，如果存在4次定時觀測時次至少存在1次缺測，則根據(jù)24次觀測記錄計算；24次觀測記錄如果存在6次或以上缺測時，則不做日平均，當(dāng)日按缺測處理。②求取月平均時，各日值缺測達7次或以上時，月平均記為缺測。③如果日值全部為缺測，則月極值記為缺測。

1.2.3 特殊規(guī)則。參與國際交換的站點中，存在16個站點資料不足30整年或由于遷站等原因?qū)е?0年整編資料存在分段的情況，因此需要進行特殊的處理。處理方法為：對于資料不足30整年的站點，若實有資料已達到或超過20整年，則按實有資料統(tǒng)計；若實有資料不足20整年，相應(yīng)段相應(yīng)要素不編。針對某些30年整編資料存在分段統(tǒng)計的臺站，統(tǒng)計每一段覆蓋的統(tǒng)計年數(shù)，在進行資料應(yīng)用時，選擇時間區(qū)間靠前的數(shù)據(jù)集。

由于“天氣現(xiàn)象”段中包含當(dāng)日全部天氣現(xiàn)象信息，該段數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用，需要對其進行解析以進一步得到能見度、冰雹數(shù)據(jù)，具體解析規(guī)則為：①能見度。分號后面如果是3個數(shù)字和1個逗號，則取分號后面的3個數(shù)字作為最小能見度；一個“天氣現(xiàn)象”中，可能存在多個能見度，需要逐一進行提取，對多個能見度進行比較，取其最小者。②冰雹?！疤鞖猬F(xiàn)象”段中，白天段如果包含89，且其后是空格，即“89 ”，說明該天有冰雹；夜間記錄用()表示，如果夜間記錄中包含“89，”，也說明該天有冰雹。

1.3 軟件框架

根據(jù)編報算法，地面氣候月報編報流程如圖1所示，具體為：①根據(jù)區(qū)域基本氣候網(wǎng)絡(luò)站點清單，獲取中國區(qū)域參與國際交換站點信息；②根據(jù)編報規(guī)定，地面氣象觀測站通過編報軟件編發(fā)地面自動站氣象要素資料、地面氣象要素日值資料、地面日照資料及重要天氣報等資料，并實時上行傳輸至國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)。經(jīng)解碼處理后，以要素形式存儲于數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)[6]。每個月4日，地面氣候月報編報系統(tǒng)通過API方式檢索國際交換站上一個月觀測數(shù)據(jù)，供編報使用；③從《中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)集》中提取各站累年月日照時數(shù)，供編報使用；④對各站上報的降水量五分級數(shù)據(jù)進行歸一化整理，供編報使用。

以地面氣候月報編報算法為支撐，地面氣候月報編報系統(tǒng)共包含站點提取、歷史數(shù)據(jù)處理、實時數(shù)據(jù)處理和地面氣候月報編報四部分功能模塊。具體軟件框圖如圖2所示。程序?qū)崿F(xiàn)時，不同模塊之間采用內(nèi)存鏡像文件來進行數(shù)據(jù)的共享。通過mmap函數(shù)，將文件內(nèi)容直接映射到程序地址空間，而不必再調(diào)用讀(read)等操作，有效地提高了模塊間的通信效率[6]。軟件框架具體說明如下：

(1)站點提取模塊。從WMO下載站表，從中提取中國區(qū)域參與國際交換站點信息，根據(jù)不同省份進行站點分組，并按照特定格式形成站點配置文件，供其他模塊使用。站點配置文件格式如下：

[CCCC1]

站號1

[CCCC2]

站號2

其中，CCCC為相應(yīng)省份編報中心代碼；不同省份段之間以空行分隔。

(2)歷史數(shù)據(jù)處理模塊。對《中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)集》及臺站降水量五分級進行處理，處理后的數(shù)據(jù)采用內(nèi)存鏡像文件進行存儲，供其他模塊使用。

(3)原始觀測數(shù)據(jù)處理。依托國家級數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)，采用API接口獲取各臺站一個月的原始觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)編報算法以及數(shù)據(jù)存儲規(guī)則對數(shù)據(jù)進行再組織和處理。處理后的數(shù)據(jù)采用內(nèi)存鏡像文件存儲。同時，為了提高業(yè)務(wù)魯棒性，設(shè)計異常處理及故障恢復(fù)機制。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)定義的返回碼進行錯誤識別，當(dāng)API訪問出現(xiàn)故障時，根據(jù)出故障的查詢站號和查詢時間按照配置的時間間隔和重試次數(shù)進行重試[7]。

(4)地面氣候月報編報。根據(jù)地面氣候月報的電碼格式逐段逐組進行數(shù)據(jù)處理及編發(fā)。通過設(shè)計配置文件來提高應(yīng)用的靈活性，并兼容當(dāng)數(shù)據(jù)源錯誤時更正報的編發(fā)以及當(dāng)數(shù)據(jù)不可用時空報的編發(fā)。

2 軟件應(yīng)用

目前，地面氣候月報編報軟件已經(jīng)完成開發(fā)、測試、部署并投入業(yè)務(wù)運行。每個月4日，由編報軟件完成國際交換地 面氣象觀測站的地面氣候月報編報，編發(fā)數(shù)據(jù)接入國際通信系統(tǒng)，國際通信系統(tǒng)處理完該公報后通過GTS線路發(fā)出進行國際交換。

德國氣象局和日本氣象局作為全球氣候觀測系統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測中心，在每個月對接收到的全球地面氣候月報進行監(jiān)測，并給出監(jiān)測報告，如圖3以空間分布的方式展示了各區(qū)域地面氣候月報接收量百分比，綠色代表接收量為100%，根據(jù)圖3可以看到，對中國區(qū)域的數(shù)據(jù)接收情況良好。同時，德國利用收到的地面氣候月報進行全球氣溫監(jiān)測，形成全球天氣氣溫偏差分析產(chǎn)品(與1961～1990年對比)，產(chǎn)品每月生成1個(圖4)。

3 結(jié)語

觀測站取消編報業(yè)務(wù)后，為了保障地面氣候月報國際交換業(yè)務(wù)，依托現(xiàn)有業(yè)務(wù)資源，并根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范，設(shè)計了編報流程，提出了編報算法，并在此基礎(chǔ)上完成了應(yīng)用軟件的開發(fā)，該軟件已完成部署，并發(fā)揮了實際效益。

[1] 王卷樂,孫九林.世界數(shù)據(jù)中心(WDC)回顧、變革與展望[J].地球科學(xué)進展,2009,24(6):11-12.

[2] 李湘.氣象通信系統(tǒng)發(fā)展與展望[J].氣象，2010,36(7)：56-61.

[3] 徐杰芙.第3代國際通信系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)[J].氣象科技，2006,34(S1)：10-12.

[4] 高華云，應(yīng)顯勛，高峰，等.氣象觀測報告的解碼規(guī)則與算法[M].北京：氣象出版社，2006.

[5] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003.

[6] 劉學(xué)勇，陳建偉.精通Linux C編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[7] 高峰，趙芳.元數(shù)據(jù)技術(shù)在MDSS實時氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用[J].氣象科技，2006，34(Z1):68-70.

Design and Implementation of Meteorological CLIMAT Report Editing Software

HAN Shu-li, TAN Xiao-hua, HAN Xin-qiang et al

(National Meteorological Information Centre, Beijing 100081)

CLIMAT is a code required by World Meteorological Organization (WMO) and should be exchanged via the Global Telecommunication System (GTS). CLIMAT-coded messages contain information on several meteorological variables that are important to meteorological and climatological applications. According to the reform and development plan of China Meteorological Administration, the observatory will cancel the edit of CLIMAT report. To monitor the characteristics, changes, and variability of climate, we should establish a new business process and edit the CLIMAT report in national level. The article discusses the edit algorithm of CLIMAT report, the design of software framework, also introduces the development and deployment of the software.

CLIMAT; Format; Algorithm; Design; Implementation

韓書麗(1986- )，女，海南文昌人，工程師，碩士，從事氣象信息系統(tǒng)維護與開發(fā)工作。

2015-11-11

S 16

A

0517-6611(2015)35-270-02