基于IDEA數(shù)據(jù)平臺的海珠城市生態(tài)氣象綜合系統(tǒng)建設(shè)

王剛， 孫周軍， 吳映， 徐穗珊， 董靈英， 楊子濤

(1.廣州市海珠區(qū)氣象局，廣東廣州　510240；2.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州　510080)

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基于IDEA數(shù)據(jù)平臺的海珠城市生態(tài)氣象綜合系統(tǒng)建設(shè)

王剛1， 孫周軍2， 吳映1， 徐穗珊1， 董靈英1， 楊子濤1

(1.廣州市海珠區(qū)氣象局，廣東廣州510240；2.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州510080)

摘要：廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心提供的歷史一體化數(shù)據(jù)訪問平臺(IDEA)高度整合了海量氣象數(shù)據(jù)，通過3種標(biāo)準的數(shù)據(jù)訪問接口向省、市、縣級氣象部門提供氣象類數(shù)據(jù)支撐?；贗DEA數(shù)據(jù)訪問平臺，開發(fā)了面向區(qū)縣級、具有特色業(yè)務(wù)功能的海珠城市生態(tài)氣象綜合業(yè)務(wù)顯示系統(tǒng)(H_VIEW)，該系統(tǒng)采用WEBGIS、動態(tài)切圖和單頁面顯示技術(shù)，實現(xiàn)了省、市、區(qū)的氣象觀測、數(shù)值預(yù)報與指導(dǎo)產(chǎn)品、GIS多圖層信息的自由組合，重點設(shè)計與實現(xiàn)了海珠區(qū)的生態(tài)氣象觀測、城市氣象服務(wù)、街道預(yù)報檢驗和實況預(yù)警提醒等特色功能。

關(guān)鍵詞：計算機技術(shù)與應(yīng)用； 網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)；歷史實時一體化數(shù)據(jù)訪問系統(tǒng)； 廣州市海珠區(qū)

環(huán)境氣象是研究與人類環(huán)境有關(guān)的氣象問題，其研究意義十分廣泛，包括氣象條件對大氣環(huán)境、居民健康、生態(tài)系統(tǒng)等的影響[1]。隨著城市經(jīng)濟的高速發(fā)展，使得城市通過下墊面、大氣成分、人工熱源等方面對大氣環(huán)境產(chǎn)生了一定程度的影響。一方面城鎮(zhèn)人口的急劇增長和城市規(guī)模的不斷擴大，改變了城市區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)、大氣層下墊面特性和熱源的分布，進而導(dǎo)致極大地改變了城市大氣的熱力和動力狀況。另一方面城市工業(yè)排放的大量煙塵、氣溶膠、顆粒物以及城市道路上汽車尾氣和揚塵等對于城市的氣溫、濕度、能見度、風(fēng)和降水都有影響。這些因素帶來了一系列的城市大氣環(huán)境特有的現(xiàn)象和問題，如熱島效應(yīng)日益加劇、城市整體風(fēng)速的減小、城市灰霾天氣增加、極端(或異常)降水事件開始增多、酸雨頻率逐年增加[2]。海珠區(qū)作為廣州中心城區(qū)之一，城市環(huán)境氣象問題不容忽視。

為配合建設(shè)海珠生態(tài)氣象綜合觀測基地需要，提升海珠城市環(huán)境氣象監(jiān)測能力，提高環(huán)境氣象預(yù)報預(yù)警精細化水平，按照海珠“生態(tài)氣象，城市服務(wù)”定位，基于廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心提供的歷史實時一體化數(shù)據(jù)訪問系統(tǒng)(Integrated Database for Easy Acess，IDEA)，研發(fā)了海珠城市生態(tài)氣象綜合業(yè)務(wù)顯示系統(tǒng)(H_WIEW，http：//10.153.184.8：8080/gdhhnew/)。該系統(tǒng)的建成明顯提升了海珠區(qū)城市生態(tài)氣象服務(wù)水平，可為其它區(qū)縣級氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。

1歷史實時一體化數(shù)據(jù)訪問系統(tǒng)

以往省氣象資源數(shù)據(jù)因技術(shù)、部門、通信等方面原因，使得數(shù)據(jù)在傳遞、共享等問題上存在較大的現(xiàn)實困難，造成了“孤島信息”現(xiàn)象，氣象類數(shù)據(jù)不能發(fā)揮最大效益，氣象數(shù)據(jù)共享成為制約各級業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的瓶頸[3]。IDEA高度整合了海量氣象數(shù)據(jù)，通過3種標(biāo)準的數(shù)據(jù)訪問接口向各級氣象部門提供各類氣象數(shù)據(jù)，這使得區(qū)縣級H-VIEW的實現(xiàn)成為可能。IDEA數(shù)據(jù)訪問接口的基礎(chǔ)架構(gòu)是面向服務(wù)體系架構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的企業(yè)服務(wù)總線(ESB：Enterprise Service Bus)，所有數(shù)據(jù)、功能、應(yīng)用部署在服務(wù)總線，將這些細粒度單元有效連接，消除不同應(yīng)用之間的技術(shù)差異，實現(xiàn)不同服務(wù)的通信和整合，改善用戶接口跨系統(tǒng)的可移植性和系統(tǒng)的可伸縮性，重點是通過分離用戶接口和數(shù)據(jù)存儲，使得省、市、縣3級用戶終端享受到統(tǒng)一標(biāo)準的數(shù)據(jù)源。

1.1通用數(shù)據(jù)訪問接口

通用數(shù)據(jù)訪問接口提供了歷史數(shù)據(jù)、地面資料、高空資料、大氣成分、雷達衛(wèi)星、數(shù)值產(chǎn)品、服務(wù)產(chǎn)品等方面的接口ID[4]。實現(xiàn)原理的技術(shù)路線如圖1所示，考慮到系統(tǒng)提供規(guī)范化調(diào)用方式、規(guī)范化輸出結(jié)果和接口易維護與易擴展的需求，將系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分為調(diào)用層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層3個層次，業(yè)務(wù)層從邏輯劃分為5個模塊：解析單元、訪問身份認證、業(yè)務(wù)規(guī)則管理、請求執(zhí)行、服務(wù)定位。

圖1　通用數(shù)據(jù)訪問技術(shù)路線流程

1.2格點數(shù)據(jù)訪問接口

格點數(shù)據(jù)訪問接口主要提供了針對NetCdf特殊結(jié)構(gòu)的氣象和環(huán)境類數(shù)值預(yù)報模式數(shù)據(jù)。廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求，分別將JMA、T639、GRAPES、gracenc、tramsnc等氣象和環(huán)境數(shù)值預(yù)報模式數(shù)據(jù)和giftdaily、giftzd、graces等氣象和環(huán)境指導(dǎo)預(yù)報數(shù)據(jù)進行解碼并按照NC格式進行存儲[5]。在NC數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上提供點、線、面數(shù)據(jù)讀取、平面數(shù)據(jù)寫入和指定格點數(shù)據(jù)寫入的數(shù)據(jù)訪問操作服務(wù)接口,如圖2所示。

圖2　格點數(shù)值預(yù)報數(shù)據(jù)訪問接口流程

該接口采用C/S架構(gòu)。其中Server端基于Linux操作系統(tǒng)平臺，利用C++語言開發(fā)的ServerSocket服務(wù)進程，負責(zé)對客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)操作請求命令格式進行解析并執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，將運算結(jié)果返回給客戶端?？蛻舳朔謩e采用C++、Java、C#和Web Service技術(shù)編寫了獲取模式平面數(shù)據(jù)、單點與多點時間序列數(shù)據(jù)、寫入平面數(shù)據(jù)、寫入指定格點數(shù)據(jù)的方法，給最終用戶使用。

1.3圖形數(shù)據(jù)訪問接口

圖形數(shù)據(jù)訪問接口提供了預(yù)報圖、觀測實況圖、雷達圖、地質(zhì)災(zāi)害圖、高空形勢和地面天氣圖等多種圖形接口[6](圖略)。該接口定義圖形接口屬性，包括接口ID、接口名稱、接口類型、條件參數(shù)、圖片命名規(guī)則、圖片數(shù)據(jù)源、圖片保存路徑、備注等。后臺圖片服務(wù)器部署一臺Tomcat Server，創(chuàng)建一個圖片工程，并將圖片工程部署在Tomcat Server中，負責(zé)接收業(yè)務(wù)請求，根據(jù)接口ID提供的圖片路徑獲取篩選符合用戶需求的圖片數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會校驗該圖片名稱是否符合圖片命名規(guī)則，校驗通過后，將圖片全名的時間部分截取出來，判斷該時間是否在用戶查詢的時間段范圍，如是，則根據(jù)用戶提供的輸出的參數(shù)，返回相應(yīng)的圖片信息，包括圖片名稱、大小、格式、路徑及經(jīng)Base64加密后的圖片數(shù)據(jù)等。

2系統(tǒng)功能

根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求，參考SWAN和SAFEGUARD兩大省級業(yè)務(wù)系統(tǒng)[7-8]，H_VIEW系統(tǒng)通過WEBGIS技術(shù)實現(xiàn)省、市、區(qū)3級氣象觀測、數(shù)值預(yù)報和地理信息的綜合顯示，即多種觀測、模式要素與地理信息的自由疊加，重點實現(xiàn)了海珠區(qū)的生態(tài)氣象觀測、城市服務(wù)、街道預(yù)報檢驗與預(yù)警閾值等模塊。

2.1生態(tài)氣象

除了常規(guī)中尺度區(qū)域自動氣象站的降水、氣壓、溫度、相對濕度等要素以外，實現(xiàn)了區(qū)縣級基于特種環(huán)境類要素的生態(tài)氣象綜合觀測顯示，比如廣州塔、霧霾、回南天、生物舒適度、散射濁度、天氣實景等的觀測。

1)廣州塔垂直觀測。

目前國內(nèi)最高的北京鐵架氣象塔為325 m，而位于海珠區(qū)的廣州塔高度為526 m，比北京氣象塔[9]高出許多。H_VIEW實現(xiàn)了廣州塔在121、454、526 m垂直高度上風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、濕度、氣溶膠顆粒物濃度等要素的綜合顯示。研究和預(yù)報城市霧、霾起因離不開垂直觀測的支撐，廣州塔可為大氣污染垂直變化規(guī)律和輸送提供寶貴數(shù)據(jù)。

2)霧霾與回南天觀測。

在H_VIEW系統(tǒng)中，增加了有利于霧霾判識的氣溶膠顆粒物濃度(PM10、PM2.5、PM1，來自環(huán)保局與氣象局)和氣溶膠散射系數(shù)(氣象局)等觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合能見度和溫、壓、濕等常規(guī)氣象要素，可判別霧霾天氣[10]。當(dāng)室外空氣露點高于室內(nèi)物體表面溫度時就出現(xiàn)“回南天”現(xiàn)象，露點溫度高于室內(nèi)物體溫度是“回南天”出現(xiàn)的必要條件[11]。從H_VIEW系統(tǒng)獲知，目前廣東省共建設(shè)有4個“回南天”觀測站點，自北向南分別位于花都區(qū)、越秀區(qū)、番禺區(qū)和南沙區(qū)，一般選用越秀區(qū)的省大氣探測中心一樓的觀測站來分析海珠區(qū)的“回南天”現(xiàn)象。

2.2城市服務(wù)

WEBGIS模塊[12]是H_VIEW系統(tǒng)的重要模塊，為氣象觀測與數(shù)值模式模塊提供地理信息服務(wù)，實現(xiàn)了氣象的可視化與空間再分析能力。海量的氣象數(shù)據(jù)利用WEBGIS強大的可視化表達能力形象直觀地呈現(xiàn)給預(yù)報業(yè)務(wù)人員。面向城市服務(wù)的WEBGIS疊加模塊提供了海珠轄區(qū)內(nèi)的十八街道、地鐵軌道、中小河流、主要交通干線、綠地公園、重要場館等多種地理圖層，任一輔助圖層與氣象數(shù)據(jù)組合都可以快速實現(xiàn)面向城市專題的氣象服務(wù)[13-14]。WEBGIS信息與氣象數(shù)據(jù)自由組合，不僅可以大大提高預(yù)報的精細化水平，還可以提高城市的氣象防災(zāi)減災(zāi)和公共氣象服務(wù)水平。

2.3街道預(yù)報檢驗與預(yù)警閾值

1)海珠單點指導(dǎo)預(yù)報與實況對比。

IDEA數(shù)據(jù)訪問平臺已經(jīng)提供了基于精細化網(wǎng)格預(yù)報系統(tǒng)(GIFT)的省、市網(wǎng)格化指導(dǎo)產(chǎn)品，包括常規(guī)氣象數(shù)值預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品(giftd、giftdaily)和環(huán)境氣象數(shù)值預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品(graces、trams)。

海珠區(qū)以濕地公園站為評分站點，以該點為中心找周圍4個預(yù)報網(wǎng)格點數(shù)值，通過雙線性插值計算出海珠區(qū)的單點預(yù)報結(jié)果。根據(jù)長期業(yè)務(wù)對比，經(jīng)過訂正的省、市指導(dǎo)預(yù)報結(jié)果要普遍優(yōu)于數(shù)值模式直接給出的結(jié)果。

2)街道指導(dǎo)預(yù)報檢驗。

海珠區(qū)18條街道評分站點的指導(dǎo)預(yù)報結(jié)果檢驗，如圖3所示。

圖3　街道評分站點(黃埔初級中學(xué)，琶洲街)的指導(dǎo)預(yù)報檢驗

綠色和橙色曲線分別表示省級、市級指導(dǎo)預(yù)報的氣溫隨時間變化，綠色曲線表示實況氣溫隨時間變化，藍色和橙色立方體分別為省、市指導(dǎo)預(yù)報的氣溫與實況氣溫的差值，偏差越小，表示預(yù)報結(jié)果越接近實況真值。2015年3月16日琶洲街道的黃埔初級中學(xué)站的廣州市指導(dǎo)預(yù)報氣溫曲線比省級指導(dǎo)預(yù)報氣溫曲線更接近真實氣溫曲線，表明該日的市級指導(dǎo)預(yù)報優(yōu)于省級指導(dǎo)預(yù)報。

3)街道實況預(yù)警閥值。

設(shè)計了海珠十八條街道自動站實況預(yù)警提醒，除PM2.5、能見度2個要素以區(qū)為單位啟動實況預(yù)警提醒以外，雨量(6 、3 、1 h雨量)、溫度(最高最低氣溫)、大風(fēng)3個要素以街道為單位啟動實況預(yù)警，即當(dāng)某街道實況要素達到制定的不同等級的預(yù)警閾值，就對該街道進行預(yù)警提醒，各要素閾值(表1)可通過在線預(yù)警閥值模塊更改。

表1　在線預(yù)警閥值設(shè)定標(biāo)準

3單頁面顯示和動態(tài)切圖技術(shù)

主流的SWAN、SAFEGURAD系統(tǒng)采用Google Map的靜態(tài)瓦片技術(shù)，按縮放要求將地圖分成14個等級存在后臺，用戶訪問時通過讀取磁盤靜態(tài)文件方式獲取。如圖4所示，H_VIEW采用先進的動態(tài)切圖方式，基于Memcached服務(wù)搭建地圖切片存儲服務(wù)器，采用Shape地理信息數(shù)據(jù)文件動態(tài)的倒金字塔結(jié)構(gòu)生成地圖切片，存儲在Mecached服務(wù)器中。在多次訪問時，動態(tài)切圖+Memcached的優(yōu)勢就會體現(xiàn)出來。在多圖層組合顯示時，動態(tài)切圖只提供用戶需要的地圖切片并存儲到緩存，節(jié)省了服務(wù)器的存儲空間，而且再次讀取時緩存的讀取速度比磁盤靜態(tài)文件讀取的速度快，提高了時間效率。主流的SWAN與SAFEGUARD系統(tǒng)采取模塊分頁面的顯示方式，SAFEGUARD系統(tǒng)中的站點資料、模式產(chǎn)品、臺風(fēng)路徑模塊和SWAN系統(tǒng)中的短臨產(chǎn)品、PUP產(chǎn)品、預(yù)警信息等功能模塊是各自獨立頁面顯示，獨立功能模塊數(shù)據(jù)無法相互疊加，數(shù)據(jù)交叉再分析能力受到限制。H_VIEW系統(tǒng)采用了單頁面顯示技術(shù)，放棄了功能模塊分頁的形式，突破了功能模塊數(shù)據(jù)不能在同一地理信息圖層顯示的局限性，多種功能模塊數(shù)據(jù)可以自由匹配，相互疊加，極大提高了氣象工作者對各種資料的綜合分析能力。

圖4H_VIEW系統(tǒng)顯示界面

4結(jié)語

1)省探測數(shù)據(jù)中心的IDEA數(shù)據(jù)訪問平臺高度整合了海量氣象數(shù)據(jù)，通過通用、格點和圖形三大數(shù)據(jù)訪問接口向各級氣象部門提供各類氣象數(shù)據(jù)，基于IDEA訪問平臺，完成了面向區(qū)縣級的海珠城市生態(tài)氣象綜合業(yè)務(wù)顯示系統(tǒng)(H_WIEW)的研發(fā)。

2)根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求，通過WEBGIS、動態(tài)切圖和單頁面顯示技術(shù)實現(xiàn)了省、市、區(qū)3級氣象觀測、數(shù)值預(yù)報和地理信息的綜合顯示，高度整合了海珠區(qū)的生態(tài)氣象觀測、城市氣象服務(wù)、街道預(yù)報檢驗與預(yù)警閾值等功能模塊，可為區(qū)縣級業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)做參考。

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收稿日期：2015-07-20

基金項目：廣東省氣象局科技創(chuàng)新團隊計劃項目(201103)和廣州市氣象局科學(xué)技術(shù)研究項目(201522)共同資助

作者簡介：王剛(1983年生)，男，工程師，碩士，主要從事衛(wèi)星大氣遙感與天氣預(yù)報業(yè)務(wù)工作。E-mail：441206664@qq.com

中圖分類號：TP39

文獻標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.019

王剛， 孫周軍， 吳映， 等.基于IDEA數(shù)據(jù)平臺的海珠城市生態(tài)氣象綜合系統(tǒng)建設(shè)[J].廣東氣象，2016,38(2)：77-80.