青島市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

畢瑋　趙文雪　時(shí)曉曚　孫萌　張濤　王建林

摘 要：通過(guò)整理匯總2013—2015年青島地區(qū)霾污染天氣的一系列研究成果，利用多種計(jì)算機(jī)圖形顯示和交互技術(shù)，設(shè)計(jì)搭建了青島市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅將研究成果進(jìn)行了可視化顯示，還實(shí)現(xiàn)了青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的人機(jī)交互功能，成為了第一個(gè)青島地區(qū)環(huán)保部門和氣象部門聯(lián)合制作發(fā)布青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)的綜合性業(yè)務(wù)平臺(tái)，大大提高了當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)的工作效率。本文對(duì)該平臺(tái)的設(shè)計(jì)構(gòu)建及各項(xiàng)模塊的功能作用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以期為其他地區(qū)開(kāi)展相關(guān)開(kāi)發(fā)工作提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞：環(huán)境空氣質(zhì)量 平臺(tái)設(shè)計(jì) asp.net

中圖分類號(hào)：X32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（c）-0164-07

Abstract：According to summarizethe results of hazepollution daysresearch in 2013-2015 in Qingdao， Qingdao Environmental Air Quality Forecast Service System （EAQFS） is designed by using a variety of computer graphics and interactive techniques. EAQFSnot only displaysfigures and tables， but also completes human-computer interaction of the Qingdao environmental air quality statistical forecasting.EAQFS is the first online system to support communication between meteorological and environmental departments in Qingdao. It improves greatlyefficiency of the local environmental air quality forecast. This paper introduces design-points and functions of each modulein detail， so as to provide reference for other areas to carry out the similarworks.

Key Words：Environmental； Air quality； System Design； Asp.net

青島地處山東半島南部沿海，多受大霧天氣影響，相關(guān)研究頗多，而對(duì)霾天氣的機(jī)理知之甚少。由于常年海、陸風(fēng)交替，與內(nèi)陸地區(qū)相比，青島霾天氣的發(fā)生發(fā)展也更加復(fù)雜。隨著近年來(lái)我國(guó)大城市霾天氣頻發(fā)，引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題引起廣泛關(guān)注，中國(guó)氣象局在2013年初出臺(tái)了我國(guó)新的霾天氣預(yù)警信號(hào)發(fā)布規(guī)范。以此為契機(jī)，青島市氣象局從2013年開(kāi)始將霾天氣的相關(guān)研究作為重點(diǎn)科研方向之一，給予了大力的支持，先后向上級(jí)申報(bào)和自行設(shè)立了多個(gè)研究項(xiàng)目，取得了大量的研究成果。

為切實(shí)有效地將研究成果應(yīng)用于業(yè)務(wù)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的快速轉(zhuǎn)化，開(kāi)發(fā)建設(shè)了青島市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)將前期的研究成果進(jìn)行了可視化顯示，實(shí)現(xiàn)了青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的人機(jī)交互功能，成為制作發(fā)布青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)的綜合性業(yè)務(wù)平臺(tái)。

1 編程語(yǔ)言與數(shù)據(jù)庫(kù)

本業(yè)務(wù)平臺(tái)采用B/S和C/S結(jié)合的開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)，以asp.net為主，結(jié)合多種web開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行平臺(tái)開(kāi)發(fā)。前臺(tái)頁(yè)面程序使用html、java script等語(yǔ)言，后臺(tái)代碼開(kāi)發(fā)采用C#語(yǔ)言。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL server和Oracle 10G 兩種數(shù)據(jù)庫(kù)，其中Oracle10G存儲(chǔ)業(yè)務(wù)資料，SQL server存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)表和臨時(shí)表。控制臺(tái)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)采用了C#和java兩種語(yǔ)言，主要完成一些輔助性的功能，如資料的定時(shí)獲取、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的計(jì)算等。控制臺(tái)應(yīng)用程序通過(guò)數(shù)據(jù)表同前臺(tái)asp.net程序進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

對(duì)于常規(guī)性需求，采用了.net經(jīng)典三層模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。對(duì)于一些特殊需求，則采用了多種技術(shù)進(jìn)行綜合處理，其中包括了web程序和控制臺(tái)程序的交互調(diào)用方式。在項(xiàng)目的建設(shè)中為了增強(qiáng)表現(xiàn)效果，本次開(kāi)發(fā)還引用了一些功能性控件，如Dunds Chart；還有一些公共API接口，如百度地圖API等。

2 平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)人員的工作習(xí)慣，青島市環(huán)境空氣質(zhì)量氣象預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)了九大功能模塊，包括青島空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控、空氣污染氣象條件分析、數(shù)值預(yù)報(bào)、各級(jí)指導(dǎo)預(yù)報(bào)、青島環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)產(chǎn)品制作發(fā)布、環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)、歷史資料查詢、研究成果展示和相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)范下載等。實(shí)況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于青島市氣象局與青島市環(huán)境監(jiān)測(cè)站共享的實(shí)時(shí)資料，氣象要素圖表由web應(yīng)用程序定時(shí)生成，預(yù)報(bào)產(chǎn)品通過(guò)人機(jī)交互完成制作和顯示。

2.1 實(shí)況監(jiān)測(cè)

該模塊包括大氣污染監(jiān)測(cè)、氣象要素監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)三部分內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)等空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及各類衛(wèi)星圖像的實(shí)時(shí)顯示?？諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)源于青島市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站推送至Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于青島全市氣象自動(dòng)站10 min觀測(cè)資料，衛(wèi)星圖像以中央氣象臺(tái)提供的風(fēng)云3A、3B和韓國(guó)COMS提供的各通道云圖為主。

本模塊在開(kāi)發(fā)中采用了百度Map API公共接口，利用百度地圖投影，采用經(jīng)緯度定位各個(gè)站點(diǎn)，形象直接地展示了各區(qū)域空氣質(zhì)量信息。根據(jù)各個(gè)空氣污染要素濃度，利用數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)計(jì)算實(shí)時(shí)AQI，并采用Dundas Chart控件來(lái)顯示實(shí)況資料的時(shí)序變化曲線。endprint

2.2 空氣污染氣象條件

該模塊包括水平擴(kuò)散條件、垂直擴(kuò)散條件和大氣濕度條件三部分內(nèi)容，主要以ArcGIS為后臺(tái)輔助，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣水平和垂直風(fēng)場(chǎng)變化、大氣層結(jié)狀態(tài)和濕度條件的分析顯示。數(shù)據(jù)來(lái)源于每天兩次（08、20時(shí)）的高空探測(cè)資料和青島自動(dòng)站逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)資料。

2.3 數(shù)值預(yù)報(bào)

該模塊綜合顯示了部分?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，主要選擇了一些業(yè)務(wù)人員常用的、對(duì)判斷未來(lái)空氣污染氣象條件有較好指示意義的數(shù)值模式，包括EC細(xì)網(wǎng)格、T639、本地WRF和模式TlogP四部分內(nèi)容，其中模式TlogP部分是把本地WRF 9km、3km分辨率和T639的青島本站（54857）TlogP預(yù)報(bào)圖單獨(dú)顯示，方便業(yè)務(wù)人員快速調(diào)取查看。

2.4 指導(dǎo)預(yù)報(bào)

該模塊包括了中國(guó)氣象局霧霾指導(dǎo)預(yù)報(bào)產(chǎn)品、上海環(huán)境氣象數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和山東省氣象臺(tái)空氣污染氣象條件指導(dǎo)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。主要目的是為了業(yè)務(wù)人員方便快速地了解各級(jí)指導(dǎo)預(yù)報(bào)，為本地化服務(wù)提供預(yù)報(bào)依據(jù)。

本模塊中涉及到的產(chǎn)品均有相關(guān)的web路徑，為了項(xiàng)目的獨(dú)立性和完整性，開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)了一套控制臺(tái)應(yīng)用程序，定時(shí)去指定位置獲取業(yè)務(wù)產(chǎn)品和資料，并分類存儲(chǔ)于服務(wù)器上，方便本平臺(tái)自行使用。

2.5 預(yù)報(bào)產(chǎn)品

該模塊主要供業(yè)務(wù)人員制作發(fā)布青島空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)產(chǎn)品，與青島市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站進(jìn)行預(yù)報(bào)意見(jiàn)交流，內(nèi)容包括了市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、未來(lái)24h市區(qū)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、未來(lái)一周市區(qū)空氣污染氣象條件分級(jí)預(yù)報(bào)和霧霾預(yù)警信息。每天，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)后臺(tái)程序定時(shí)自動(dòng)調(diào)取當(dāng)日實(shí)況，業(yè)務(wù)人員根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)論，輸入次日氣象要素具體預(yù)報(bào)值，程序反饋統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)結(jié)果。業(yè)務(wù)人員參考多種資料，結(jié)合統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)結(jié)果給出未來(lái)24h市區(qū)空氣質(zhì)量主觀預(yù)報(bào)。市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站人員結(jié)合業(yè)務(wù)人員預(yù)報(bào)意見(jiàn)，給出最終空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)結(jié)論，并通過(guò)平臺(tái)發(fā)布顯示。

在制作市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)時(shí)，由于業(yè)務(wù)流程的設(shè)計(jì)，需要實(shí)現(xiàn)根據(jù)獲得參數(shù)及輸入各要素預(yù)報(bào)值，通過(guò)web程序調(diào)用控制臺(tái)應(yīng)用程序，完成AQI計(jì)算。由于windows平臺(tái)安全機(jī)制的問(wèn)題，windows系統(tǒng)和.net framework存在共同的公共運(yùn)行庫(kù)。通過(guò)對(duì)公共運(yùn)行庫(kù)的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)用和處理，再對(duì)瀏覽器的intranet功能匹配，實(shí)現(xiàn)web頁(yè)面調(diào)用服務(wù)器控制臺(tái)程序的功能。通過(guò)System.Diagnostics.Process的參數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)應(yīng)用程序的參數(shù)獲取，并對(duì)控制臺(tái)應(yīng)用程序生成的文本文件結(jié)果進(jìn)行訪問(wèn)，獲得運(yùn)行結(jié)果。經(jīng)過(guò)這一系列的數(shù)據(jù)處理，可以完成預(yù)計(jì)的功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.6 預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

本模塊主要是對(duì)中國(guó)氣象局下發(fā)的模式指導(dǎo)預(yù)報(bào)和青島本地主觀預(yù)報(bào)進(jìn)行每日自動(dòng)化檢驗(yàn)。檢驗(yàn)內(nèi)容包括模式AQI等級(jí)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、6種污染物濃度預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、青島AQI等級(jí)主觀預(yù)報(bào)檢驗(yàn)、首要污染物檢驗(yàn)。預(yù)報(bào)檢驗(yàn)通過(guò)模式預(yù)報(bào)的結(jié)論同AQI實(shí)況進(jìn)行對(duì)比生成對(duì)比圖表。由于數(shù)據(jù)庫(kù)基本資料只存有小時(shí)數(shù)據(jù)，所以設(shè)計(jì)控制臺(tái)應(yīng)用程序生成逐日AQI值，然后再和預(yù)報(bào)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)生成并顯示對(duì)比圖表。

2.7 歷史資料查詢、研究成果與文件規(guī)范

這三個(gè)模塊分別提供了從2003年—2013年青島中度污染以上的霾污染天氣的氣象資料和AQI分布情況的查詢功能、2013——2015年研究成果的展示，以及與空氣質(zhì)量技術(shù)規(guī)定和預(yù)報(bào)發(fā)布相關(guān)的文件規(guī)范下載，供業(yè)務(wù)人員隨時(shí)查詢和參考使用。

3 結(jié)語(yǔ)

青島市環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)平臺(tái)是針對(duì)2013—2015年青島地區(qū)霾污染天氣取得的一系列研究成果的綜合展示和業(yè)務(wù)應(yīng)用。該平臺(tái)利用多種計(jì)算機(jī)圖形顯示和交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氣象資料和環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的可視化顯示，以及青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的人機(jī)交互功能，是青島地區(qū)環(huán)保部門和氣象部門聯(lián)合制作發(fā)布青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)的第一個(gè)綜合性業(yè)務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)已經(jīng)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行近兩年時(shí)間，大大提高了青島環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)服務(wù)的工作效率，極大地方便了青島地區(qū)氣象和環(huán)保兩部門間的信息共享和交流。

目前平臺(tái)性能比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)運(yùn)行通暢，維護(hù)量低，效果反饋良好。隨著研究的不斷深入，后期還將對(duì)該平臺(tái)的功能進(jìn)行不斷擴(kuò)充和完善，并在顯示效果和數(shù)據(jù)時(shí)效性上做進(jìn)一步的優(yōu)化增強(qiáng)，以提高平臺(tái)服務(wù)效果和性能。

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