安徽省決策氣象服務(wù)支撐系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

趙青松 安晶晶 葉金印 劉雨平

摘要：準(zhǔn)確、及時(shí)、高效的氣象信息是地方黨政領(lǐng)導(dǎo)和決策指揮部門指揮工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防汛抗旱和防災(zāi)減災(zāi)等工作的重要科學(xué)依據(jù)。以提高決策氣象服務(wù)中氣象資料查詢檢索與分析能力為目的，研發(fā)了安徽省決策氣象服務(wù)支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)接入、Web網(wǎng)頁(yè)客戶端和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等4個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)快速檢索查詢與繪圖、氣候資料極值分析、氣象災(zāi)害查詢以及歷史災(zāi)害性天氣個(gè)例資料查詢等功能。該系統(tǒng)已業(yè)務(wù)應(yīng)用兩年，在決策氣象服務(wù)工作中發(fā)揮了重要的支撐作用。

關(guān)鍵詞：決策氣象服務(wù)；支撐系統(tǒng)；氣象資料；氣象產(chǎn)品

中圖分類號(hào)：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2017.08.013

本文著錄格式：趙青松，安晶晶，葉金印，等.安徽省決策氣象服務(wù)支撐系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].軟件，2017，38（8）：68-72

引言

決策氣象服務(wù)是面向地方黨政領(lǐng)導(dǎo)和決策指揮部門指揮工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防汛抗旱和防災(zāi)減災(zāi)工作需求，在第一時(shí)間提供準(zhǔn)確、及時(shí)、高效的氣象服務(wù)信息。在決策氣象服務(wù)工作中，需要處理的氣象數(shù)據(jù)種類繁多，服務(wù)材料制作時(shí)間緊張，如何快速地從歷史和實(shí)時(shí)氣象資料中查找氣象信息并進(jìn)行分析，提供有針對(duì)性的服務(wù)產(chǎn)品是決策氣象服務(wù)工作中亟待解決的問(wèn)題。以提高決策氣象服務(wù)中氣象資料查詢分析能力為目的，采用等計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了安徽省決策氣象服務(wù)支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)接入、Web網(wǎng)頁(yè)客戶端和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等4個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)快速檢索查詢與繪圖、氣候資料極值分析、氣象災(zāi)害查詢以及歷史災(zāi)害性天氣個(gè)例資料查詢等功能。本文主要介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣象數(shù)據(jù)采集與處理方法以及系統(tǒng)在暴雨洪澇、高溫干旱及災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)與氣候分析等決策氣象服務(wù)丁作中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)功能模塊

安徽省決策氣象服務(wù)支撐系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)接入、Web網(wǎng)頁(yè)客戶端和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等4個(gè)部分組成（圖1），實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)快速檢索查詢與繪圖、氣候資料極值分析、氣象災(zāi)害查詢以及歷史災(zāi)害性天氣個(gè)例資料查詢等功能。

數(shù)據(jù)庫(kù)主要提供氣象數(shù)據(jù)支持，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)包括實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)資料、歷史氣候資料整編數(shù)據(jù)、歷史氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)以及災(zāi)害性天氣歷史個(gè)例庫(kù)。

數(shù)據(jù)接入是從全國(guó)綜合氣象信息數(shù)據(jù)共享平臺(tái)（ChinaIntegrated Meteorological Information Sharing System，簡(jiǎn)稱CIMISS）采集歷史氣象資料、實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)資料（以Z開(kāi)頭的長(zhǎng)文件名實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)文件，簡(jiǎn)稱長(zhǎng)文件）、重要天氣報(bào)（報(bào)）和其他類型的氣象數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行解碼輸入到相應(yīng)數(shù)據(jù)表。

Web網(wǎng)頁(yè)客戶端是通過(guò)網(wǎng)站服務(wù)向決策氣象服務(wù)用戶提供氣象信息服務(wù)的主要途徑。Web網(wǎng)頁(yè)包括實(shí)況氣象資料查詢與繪圖、氣候資料查詢、實(shí)時(shí)氣象災(zāi)害查詢、氣象災(zāi)情數(shù)以及災(zāi)害性天氣歷史個(gè)例檢索查詢等功能。

后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是由網(wǎng)站后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)入庫(kù)、自動(dòng)制圖和網(wǎng)頁(yè)更新等一系列子程序組成。

基于MS-SQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)池，采用C#語(yǔ)言編寫數(shù)據(jù)接入模塊，利用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)后臺(tái)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析算法，Web客戶端采用目前比較流行的HTML5+CSS3+Java Script技術(shù)開(kāi)發(fā)。

2 氣象數(shù)據(jù)采集與處理方法

2.1 氣象數(shù)據(jù)采集

全國(guó)綜合氣象信息共享系統(tǒng)（CIMISS）為氣象業(yè)務(wù)和相關(guān)科研用戶獲取氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)使用環(huán)境和數(shù)據(jù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口（API）。氣象數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從CIMISS系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、雷達(dá)觀測(cè)資料、衛(wèi)星云圖資料以及預(yù)報(bào)預(yù)警數(shù)據(jù)等

實(shí)時(shí)氣象信息。獲取CIMISS中的氣象數(shù)據(jù)主要代碼如下：

//實(shí)例化客戶端類，并根據(jù)所在位置指定登錄的CIMISS分布服務(wù)器IP、端口號(hào)Cimiss客戶端Cimiss Client=new Cimiss客戶端（xxx.xxx.xxx.xxxxxxx）；

//初始化客戶端，并且與分布式服務(wù)器產(chǎn)生連接

Cimiss Client.init Resources（）；

//根據(jù)數(shù)據(jù)需求選擇查詢的數(shù)據(jù)表，如自動(dòng)站資料數(shù)據(jù)庫(kù)，雷達(dá)資料數(shù)據(jù)庫(kù)，主觀預(yù)報(bào)服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)等查詢相關(guān)參數(shù)列表.Add（ndata Code，”SURF_CHN_MUL_DAYn）；

//選取查詢對(duì)象表的查詢要素如站名、日期、位置、觀測(cè)值等

查詢相關(guān)參數(shù)列表.Add（nelementsf，nStation_Name，Station—Id，Lon，Lat，PREO808…；

//添加其他查詢約束條件如查詢時(shí)間、查詢站點(diǎn)、查詢經(jīng)緯度范圍等查詢約束信息

查詢相關(guān)參數(shù)列表.Add（timeRange，查詢時(shí)間段）；

//根據(jù)用戶名、密碼、查詢接口、查詢條件從CIMISS查詢相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并返回查詢結(jié)果

Cimiss ClientxallAPI_to_array2D（n用戶名密碼”，”查詢接口名稱”，查詢相關(guān)參數(shù)列表，返回結(jié)果集）；

//中斷客戶端連接，結(jié)束查詢

2.2 氣象數(shù)據(jù)插值方法

本系統(tǒng)采用Kngmg插值法對(duì)降水、氣溫等離散站點(diǎn)氣象要素進(jìn)行插值和格點(diǎn)化處理，并生成平滑曲線的等值面圖形。

Kriging插值法根據(jù)一個(gè)區(qū)域內(nèi)氣象要素的特征數(shù)據(jù)值，對(duì)該區(qū)域氣象要素作出一種線性無(wú)偏和最小估計(jì)方差的估計(jì)方法，其表達(dá)式為：

式中，為未知樣點(diǎn)的數(shù)值，為未知樣點(diǎn)周圍的已知樣本點(diǎn)的數(shù)值，為第個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知樣點(diǎn)的權(quán)重值，為樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2.3 氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法（1）平均值計(jì)算

氣象要素平均值由定時(shí)氣象觀測(cè)值求得，計(jì)算公式為：

式中：某要素某日的日平均值；該要素第時(shí)次的定時(shí)值（缺測(cè)和錯(cuò)誤記錄不參加統(tǒng)計(jì)），

該要素該日參與統(tǒng)計(jì)的記錄次數(shù)，即個(gè)數(shù)。

（2）氣候極值分析

極值是一個(gè)氣象資料序列的極大值或極小值。由于氣象觀測(cè)存在較大隨機(jī)性，從要素中挑取的極值受到觀測(cè)偶然性的很大影響，可能存在較大的波動(dòng)幅度，使得不同區(qū)域之間的可比較性大為減弱。

為了減少這種影響，采用1%和99%的百分位數(shù)來(lái)反映要素的極大值和極小值。具體計(jì)算方法如下：

如果將一組數(shù)據(jù)從小到大排序，并計(jì)算相應(yīng)的累計(jì)百分位，則某一百分位所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的值就稱為這一百分位的百分位數(shù)。百分位數(shù)計(jì)算公式為：

式中：百分位數(shù)，為分位數(shù)序號(hào)；指

數(shù)據(jù)序列中的順序號(hào)，取整數(shù)，指

某要素由小到大順序排列的數(shù)據(jù)序列中第個(gè)值；

偏移量，數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

3 系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.1 暴雨洪澇檢索查詢

暴雨洪澇是安徽省主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，地方黨政領(lǐng)導(dǎo)和防汛抗旱指揮部門需要及時(shí)掌握降水實(shí)況。該系統(tǒng)實(shí)況氣象資料查詢與在線繪圖功能可實(shí)現(xiàn)整點(diǎn)15分鐘內(nèi)任意時(shí)段逐小時(shí)降水分布圖和任意時(shí)段累計(jì)降水分布圖以及降水統(tǒng)計(jì)信息。

（1）雨量圖快速制作。快速制圖是決策氣象服務(wù)中面臨的主要問(wèn)題，系統(tǒng)提供兩種快速方案：一是利用長(zhǎng)文件時(shí)效快的特點(diǎn)，快速檢索生成臨時(shí)數(shù)據(jù)文件，二是利用后臺(tái)快速制圖，即后臺(tái)監(jiān)控程序檢測(cè)到臨時(shí)文件有新數(shù)據(jù)生成，及時(shí)啟動(dòng)后圖出圖程序，快速生成1小時(shí)、3小時(shí)、6小時(shí)、12小時(shí)和24小時(shí)雨量圖，并給出相應(yīng)雨量統(tǒng)計(jì)信息，包括各量級(jí)站點(diǎn)數(shù)、面積覆蓋范圍和雨量排序等信息（圖2（a））。除固定時(shí)段自動(dòng)制圖外，網(wǎng)頁(yè)還提供了任意在線查詢和繪圖功能。

（2）極值歷史排序。運(yùn)用降水極值法和歷史同期降水進(jìn)行對(duì)比分析，氣候資料查詢功能可進(jìn)行逐日降水量統(tǒng)計(jì)、過(guò)程降水量統(tǒng)計(jì)。選擇相應(yīng)極值站點(diǎn)即可生成實(shí)況極值在歷史同期極值排序（圖2（b））。

（3）暴雨洪澇災(zāi)害查詢。短時(shí)強(qiáng)降水是暴雨洪澇重要誘發(fā)因素，也是決策氣象服務(wù)需要提供的重要信息。系統(tǒng)提供了災(zāi)害性天氣過(guò)程中1小時(shí)雨強(qiáng)實(shí)時(shí)查詢統(tǒng)計(jì)功能，提供全省范圍1小時(shí)雨強(qiáng)分布圖（圖2（c）），以及最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)站點(diǎn)和強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

（4）歷史災(zāi)情查詢。暴雨洪澇災(zāi)害是常見(jiàn)的氣象災(zāi)情，歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)可以為決策指揮部門提供重要的參考信息。系統(tǒng)建立了1984年以來(lái)氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)庫(kù)，災(zāi)情數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置受災(zāi)區(qū)域、災(zāi)情種類、時(shí)間段和受災(zāi)情況等關(guān)鍵字段，可以根據(jù)關(guān)鍵字段進(jìn)行組合，查詢暴雨洪澇區(qū)域歷史受災(zāi)情況，從而更好地提供有針對(duì)性的決策氣象服務(wù)產(chǎn)品（圖2（d））。

3.2 高溫干旱檢索查詢

（1）溫度區(qū)域與排序查詢。溫度統(tǒng)計(jì)功能可在后臺(tái)自動(dòng)輸出逐小時(shí)整點(diǎn)、近3小時(shí)、近6小時(shí)、近12小時(shí)和近24小時(shí)的逐小時(shí)滾動(dòng)更新的全省最高溫度和最溫度分布圖以及溫度不同級(jí)別站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)和站點(diǎn)溫度排序統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)還可提供溫度自定義統(tǒng)計(jì)功能，通過(guò)頁(yè)面可以選擇站點(diǎn)類型（國(guó)家級(jí)氣象站、區(qū)域級(jí)氣象站）、任意時(shí)段、溫度范圍進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)（圖3a）。

氣候查詢可以對(duì)出現(xiàn)當(dāng)年出現(xiàn)極值的站點(diǎn)進(jìn)行歷史排位查詢。如在2017年7月23日霍山站出現(xiàn)41.7T的高溫為當(dāng)天全省最高氣溫，系統(tǒng)氣候查詢功能可以查詢檢索出霍山站2017年7月23日最高溫度在逐年最高溫度中的歷史排位為第3位，低于1966年和1967年（圖3b）。

（2）高溫干旱歷史災(zāi)情查詢?？梢愿鶕?jù)災(zāi)情類型選擇夏季干旱和高溫?zé)岷M(jìn)行組合查詢，得到歷史高溫干旱災(zāi)情信息。結(jié)合其它監(jiān)測(cè)產(chǎn)品和氣象分析得出干旱與高溫日數(shù)之間關(guān)系，從而對(duì)高溫干旱決策服務(wù)提供有針對(duì)性的氣象服務(wù)產(chǎn)品。

3.3 歷史災(zāi)害性天氣過(guò)程資料查詢

該系統(tǒng)建立了氣候資料數(shù)據(jù)庫(kù)和災(zāi)害性天氣歷史個(gè)例庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)氣候資料和災(zāi)害性天氣的在線查詢功能。氣候資料庫(kù)建立了安徽全省82個(gè)國(guó)家站降水和氣溫的歷史資料數(shù)據(jù)庫(kù)，包括1951年以來(lái)全省陸續(xù)建立的氣象臺(tái)站歷年20-20時(shí)逐日雨量。歷史氣溫資料包括各臺(tái)站歷年日平均值、日最氣溫、日最低氣溫等。為保證歷史資料的持續(xù)性，系統(tǒng)設(shè)置日值自動(dòng)添加功肯泛，利用后臺(tái)程序?qū)IMISS數(shù)據(jù)庫(kù)中最新的日值數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

在收集整理安徽歷史重大災(zāi)害性天氣過(guò)程資料的基礎(chǔ)上建立了災(zāi)害性天氣個(gè)例資料庫(kù)。個(gè)例資料庫(kù)數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)了災(zāi)害類型、影響時(shí)段和范圍、天氣背景、天氣實(shí)況、天氣圖、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖等關(guān)鍵字段，通過(guò)關(guān)鍵字段進(jìn)行查詢。歷史個(gè)例庫(kù)也設(shè)置了資料添加功能，利用網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)添加功能，可及時(shí)在線添加重大災(zāi)害性天氣個(gè)例和氣象災(zāi)害資料。天氣個(gè)例庫(kù)查詢功能可以幫助我們了解歷史同類天氣過(guò)程出現(xiàn)災(zāi)害程度，災(zāi)情狀況，從而為決策指揮部門提供指揮調(diào)度參考依據(jù)。

4 結(jié)論與討論

（1）安徽省決策氣象服務(wù)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)接入、Web網(wǎng)頁(yè)客戶端和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)資料查詢統(tǒng)計(jì)與繪圖、氣候資料查詢分析、實(shí)時(shí)災(zāi)害性天氣查詢、歷史災(zāi)害性天氣個(gè)例庫(kù)和氣象災(zāi)情的快速檢索與查詢功能。

（2）本文主要介紹了系統(tǒng)在暴雨洪澇、高溫干旱、災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)與氣候分析等幾個(gè)方面的應(yīng)用，氣象資料查詢統(tǒng)計(jì)和氣象資料制圖功能提高了氣象服務(wù)資料制作效率，氣候資料查詢對(duì)比分析、氣象災(zāi)情和災(zāi)害性天氣查詢有效提高了決策氣象服務(wù)的科學(xué)性和針對(duì)性。

（3）系統(tǒng)為決策氣象服務(wù)提供了便捷的氣象數(shù)據(jù)支撐功能，現(xiàn)已穩(wěn)定業(yè)務(wù)運(yùn)行兩年，取得了較好的決策氣象服務(wù)支撐效果。今后還需進(jìn)一步豐富決策氣象服務(wù)信息和系統(tǒng)功能，如增加精細(xì)化的氣象預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害預(yù)警以及決策氣象服務(wù)知識(shí)庫(kù)，進(jìn)一步提高決策氣象服務(wù)能力。