對流天氣預(yù)報系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

胡麗川

摘要：強對流天氣內(nèi)部蘊藏著巨大的能量，它具有突發(fā)性、強度大、持續(xù)時間短的特點。強對流天氣發(fā)生時，常伴隨有強雷暴、大風(fēng)（風(fēng)切變）、下?lián)舯┝鳌⒈?、龍卷等惡劣天氣現(xiàn)象，嚴(yán)重影響航空的飛行安全。本研發(fā)計劃旨在研制和集成國內(nèi)外先進的強流天氣分析預(yù)報方法，設(shè)計并建設(shè)終端區(qū)對流天氣監(jiān)測分析預(yù)報系統(tǒng)，以提升終端區(qū)強對流天氣預(yù)報能力，適應(yīng)我國民航事業(yè)快速發(fā)展的緊迫需求。系統(tǒng)功能主要包括終端區(qū)對流天氣臨近預(yù)報，終端區(qū)對流天氣短時預(yù)報，起降條件與航路預(yù)報，預(yù)報產(chǎn)品檢驗與評估。

關(guān)鍵詞：預(yù)報系統(tǒng)；臨近預(yù)報；短時預(yù)報；leaflet

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0063-02

Abstract：Strong convective weather internal contains a huge amount of energy， it has a sudden， the intensity is big， the characteristics of short duration. Strong convective weather occurs， usually accompanied by a strong thunderstorm， strong wind （wind shear）， the critical flow， hail， tornado weather phenomenon， seriously affect the aviation flight safety. This research aims to develop and integrate advanced strong current weather analysis and prediction methods both at home and abroad， the design and construction monitoring analysis of convective weather forecast system， terminal area strong convective weather forecasting ability in the terminal area to enhance the adapt to the rapid development of civil aviation industry in China urgent demand. System function mainly includes the meteorological data analysis and quality control， terminal area near the convective weather forecasting， convective weather nowcasting， terminal area % E landing conditions and route.

Key words： nowcasting； forecasting system； shortterm forecast； leaflet

機場常年對流天氣頻發(fā)，強對流天氣強度強、次數(shù)多，嚴(yán)重威脅航班的正常與安全。為了在對流天氣發(fā)生時有效利用有限的空域資源、合理安排飛行流量及高效安全地實施空中交通管理，航空用戶需要掌握終端區(qū)對流天氣的發(fā)生、發(fā)展和變化情況。而目前的機場預(yù)報僅覆蓋機場周圍半徑8公里范圍內(nèi)，無法滿足用戶的需求，所以必須針對終端區(qū)建立對流天氣預(yù)報系統(tǒng)，填補機場與航路之間天氣預(yù)報的空白。

系統(tǒng)主要針對終端區(qū)的雷達、衛(wèi)星、自動氣象站、閃電定位儀、AMDAR、GPS/MET資料以及中尺度數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品等多源資料進行融合處理，使用國內(nèi)領(lǐng)先的短時、臨近預(yù)報技術(shù)，建立終端區(qū)短臨客觀預(yù)報系統(tǒng)算法方案。該方案具備實時檢驗評分功能，擬定強對流天氣的預(yù)報準(zhǔn)確率達到60%，提前40分鐘發(fā)布預(yù)報；可為建立終端區(qū)對流天氣信息服務(wù)系統(tǒng)提供科學(xué)與技術(shù)支撐。系統(tǒng)建設(shè)基于現(xiàn)有中南區(qū)域常規(guī)、非常規(guī)氣象資料及民航氣象部門收集的航空氣象觀測資料，內(nèi)容主要包括：終端區(qū)對流天氣臨近預(yù)報、終端區(qū)對流天氣短時預(yù)報、終端區(qū)域?qū)α魈鞖飧拍钅Ｐ团c中尺度分析、預(yù)報產(chǎn)品檢驗與評估、業(yè)務(wù)產(chǎn)品制作與展示、產(chǎn)品分發(fā)與共享。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的核心功能，將本系統(tǒng)劃分為業(yè)務(wù)處理平臺和基礎(chǔ)支撐平臺。業(yè)務(wù)處理平臺負責(zé)強對流天氣預(yù)報核心業(yè)務(wù)的運算，主要由各類氣象數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制、終端區(qū)對流天氣臨近預(yù)報、終端區(qū)對流天氣短時預(yù)報、終端區(qū)域?qū)α魈鞖飧拍钅Ｐ团c中尺度分析以及臨近、短時預(yù)報實時檢驗評分等5個子系統(tǒng)組成。基礎(chǔ)支撐平臺是為5大核心業(yè)務(wù)子系統(tǒng)提供軟件支撐和相應(yīng)的產(chǎn)品服務(wù)，主要由數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理、產(chǎn)品制作與顯示、數(shù)據(jù)共享與發(fā)布，以及綜合業(yè)務(wù)監(jiān)控等5個子系統(tǒng)組成。

1.1數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心涉及存儲和管理相關(guān)的全部原始數(shù)據(jù)、中間產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)和圖形等，并且數(shù)據(jù)中心為子系統(tǒng)提供一致的數(shù)據(jù)訪問接口。其具體功能及處理流程主要有：

1）根據(jù)預(yù)先設(shè)定的計劃任務(wù)時間，通過FTP、Internet HTTPGet、DBMSAPI以及網(wǎng)絡(luò)共享等多種方式，定時主動獲取或被動接收氣象數(shù)據(jù)（文件），并將氣象數(shù)據(jù)（文件）分類存放到臨時存儲區(qū)中。

2）對獲取的文件大小、命名方式等進行初步檢驗。

3）對初驗合格的文件進行各種預(yù)處理操作，包括命名規(guī)范化、文件格式規(guī)范化等，按照統(tǒng)一的命名規(guī)則對氣象數(shù)據(jù)進行檢查。

4）對預(yù)處理后的文件進行質(zhì)量檢驗，包括時間格式和有效性檢查、數(shù)據(jù)完整性檢查、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性檢查、文件名與數(shù)據(jù)內(nèi)容檢查、數(shù)據(jù)內(nèi)容格式檢查等。

5）根據(jù)預(yù)設(shè)置的策略，依據(jù)文件名和數(shù)據(jù)內(nèi)容，提取相應(yīng)的元數(shù)據(jù)信息，并存儲到元數(shù)據(jù)庫中，用以提供其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)使用。

6）根據(jù)預(yù)設(shè)置的策略，系統(tǒng)可自動或者手動從數(shù)據(jù)庫中提取指定時間段、指定區(qū)域的若干種氣象數(shù)據(jù)，按照輸出格式模板或用戶自定義格式，重新組織生成文件，形成個例集合，用于特定業(yè)務(wù)分析或?qū)ν膺M行發(fā)布。

7）提供功能多樣且操作簡便的數(shù)據(jù)備份計劃，可自動將本系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料（包括各類文件和數(shù)據(jù)庫）進行備份，其中數(shù)據(jù)庫備份支持完全備份和增量備份。同時，還提供用戶手動備份與恢復(fù)功能。

8）根據(jù)不同數(shù)據(jù)的不同保存時限（該時限可由管理員用戶設(shè)定），定時啟動數(shù)據(jù)自動清理功能，將超過存儲時限的數(shù)據(jù)進行清理操作，并記錄清理日志；在數(shù)據(jù)清理之前，將數(shù)據(jù)歸檔至指定位置，并提供歸檔之前的數(shù)據(jù)不能清理的設(shè)置，以保障數(shù)據(jù)的安全性。

1.2業(yè)務(wù)中心

該部分是本系統(tǒng)的核心，由終端區(qū)對流天氣臨近預(yù)報、終端區(qū)對流天氣短時預(yù)報、臨近/短時預(yù)報實時檢驗評分、氣象數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制、終端區(qū)域?qū)α魈鞖飧拍钅Ｐ?個子系統(tǒng)構(gòu)成，這里重點介紹前三種。

1） 終端區(qū)對流天氣臨近預(yù)報子系統(tǒng)。0-1小時的臨近預(yù)報技術(shù)主要以主觀預(yù)報為主，結(jié)合客觀算法，同時參考高分辨率數(shù)值預(yù)報模式在臨近預(yù)報中的應(yīng)用。主觀臨近預(yù)報技術(shù)包括基于多普勒天氣雷達觀測數(shù)據(jù)并結(jié)合其他資料（常規(guī)高空和地面觀測、氣象衛(wèi)星云圖、快速同化循環(huán)的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品等）對雷暴生成、發(fā)展和衰減，特別是對強對流天氣（包括強冰雹、龍卷、雷暴大風(fēng)和對流性暴雨）的臨近預(yù)報。

2）終端區(qū)對流天氣短時預(yù)報子系統(tǒng)。1-6小時的對流天氣短時預(yù)報技術(shù)，主要基于各種觀測資料集成融合和中尺度數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，利用動力-統(tǒng)計或數(shù)值模式所做的預(yù)報。包括數(shù)值模式預(yù)報方法、概念模型預(yù)報方法、統(tǒng)計預(yù)報方法和Blending技術(shù)。其中利用高分辨率數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品作為背景場，與雷達回波外推融合，延長對流天氣短時預(yù)報的時效，與各種觀測資料融合得到快速更新的三維格點資料為雷暴和強對流風(fēng)暴環(huán)境的判斷提供重要參考。

3）臨近、短時預(yù)報實時檢驗評分子系統(tǒng)。該模塊主要對臨近及短時預(yù)報產(chǎn)品進行檢驗，主要評估相關(guān)預(yù)報算法的準(zhǔn)確性，為后期預(yù)報方法優(yōu)化及臨近短時預(yù)報質(zhì)量的提高奠定基礎(chǔ)。

1.3管理中心

該部分主要由綜合業(yè)務(wù)監(jiān)控、作業(yè)調(diào)度管理，以及系統(tǒng)管理系統(tǒng)組成。綜合業(yè)務(wù)監(jiān)控子系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)控本系統(tǒng)各業(yè)務(wù)進程的啟動與運行，監(jiān)控的內(nèi)容主要包括系統(tǒng)守護進程運行狀態(tài)、各計劃任務(wù)執(zhí)行完成情況、當(dāng)前正在運行或準(zhǔn)備運行的業(yè)務(wù)（進程）、系統(tǒng)CPU、Memory、Hard Disk等硬件消耗情況，以及已運行程序的運行狀態(tài)記錄等。系統(tǒng)管理子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)用以實現(xiàn)功能豐富的系統(tǒng)管理功能，包括文件策略管理、目錄管理、基礎(chǔ)信息管理、基數(shù)據(jù)管理、日志管理、主機配置管理以及在線幫助等功能。

2 系統(tǒng)特點

1）基于WebGIS顯示技術(shù)。顯示區(qū)域靈活可變，可粗可細；具有國際水準(zhǔn)的精細化臨近、短時預(yù)報技術(shù)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，強對流天氣預(yù)報能力國內(nèi)領(lǐng)先，特別是1-6小時短時預(yù)報預(yù)警技術(shù)具有特色；

2）智能化可配置的核心。該平臺負責(zé)系統(tǒng)中氣象核心業(yè)務(wù)的管理與配置算法程序的調(diào)度與監(jiān)視，以及對遠程主機狀態(tài)、系統(tǒng)運行狀態(tài)、作業(yè)及產(chǎn)品輸出狀態(tài)的監(jiān)控等。監(jiān)控對象主要包括系統(tǒng)守護進程運行狀態(tài)、各計劃任務(wù)執(zhí)行情況、當(dāng)前正在運行或準(zhǔn)備運行的業(yè)務(wù)（進程）、系統(tǒng)CPU、Memory、Hard Disk等硬件消耗情況，以及已運行程序的運行狀態(tài)記錄等。對于運行異常的程序做出警告，并根據(jù)策略配置，自動嘗試重新激活相關(guān)程序。對死鎖、死循環(huán)、持續(xù)占用CPU 資源等情況進行智能糾錯，并根據(jù)策略配置決定是否終止進程或重新激活。該平臺采用雙守護進程技術(shù)，最大程度地保障整個系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。

3）氣象大數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)特色。本系統(tǒng)運用氣象算法將采集到的數(shù)據(jù)（自動站數(shù)據(jù)，雷達數(shù)據(jù)等）根據(jù)業(yè)務(wù)需求形成不同的氣象產(chǎn)品，并采用B/S模式來發(fā)布處理數(shù)據(jù)。由于航空氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)混雜，且對系統(tǒng)實時性、精細化要求較高，這對服務(wù)器端處理數(shù)據(jù)速度提出了很高的要求。因此本系統(tǒng)在氣象數(shù)據(jù)處理過程中采用了C++語言作為處理數(shù)據(jù)語言，生成dll動態(tài)鏈接庫，服務(wù)器端采用JNI技術(shù)調(diào)用生成的dll，將處理后的數(shù)據(jù)返回服務(wù)器端，服務(wù)器端接受處理完數(shù)據(jù)信息后采用WebSoket技術(shù)將接收信息發(fā)送到WEB端，從而形成整個氣象大數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)的整體銜接。

4）采用高效實用的計算機新技術(shù)。首先是HTML5 + CSS3的運用，最新的Web標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，代表了下一代HTML和CSS技術(shù)。其次是Qt的運用，Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，繼承了C++的速度快、易使用、可移植性好的優(yōu)點。Qt是開源的，它有著優(yōu)良的跨平臺性。Qt Creator降低了開源程序的開發(fā)門檻。同時Qt有著豐富的API，支持2D/3D圖形渲染，支持OpenGL，對Webkit 引擎也有很好的集成，可以實現(xiàn)本地界面與Web內(nèi)容的無縫集成。使用Qt庫來編寫氣象算法，不但節(jié)約大量的時間，還可以直接輸出圖像產(chǎn)品。第三是Leaflet地圖的運用，Leafle是為移動設(shè)備設(shè)計的一款交互式地圖，它最大的特點就是簡單、性能強大、可用性強。Leaflet的js庫只有33k大小，有著數(shù)以百計的擴展插件，可定制性很高。它支持最新的HTML5和CSS3技術(shù)，能有效的在主流的桌面和移動平臺使用。在氣象平臺和氣象預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用Leaflet，不但界面美觀直接，體積輕巧，還可以通過廣泛的插件來適應(yīng)各式各樣氣象產(chǎn)品。

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