國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

韋 青 李 偉 彭 頌 薛 峰 趙聲蓉 張金艷 齊 丹

1)(國家氣象中心， 北京 100081) 2)(北京聚創(chuàng)高科技術(shù)有限公司， 北京 100160)

為了適應(yīng)精細(xì)化預(yù)報和業(yè)務(wù)管理的發(fā)展需求，國家氣象中心建設(shè)開發(fā)了基于Web的國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)分為預(yù)報檢驗(yàn)、檢驗(yàn)文件解析處理、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢分析與檢驗(yàn)平臺管理4個功能模塊，關(guān)鍵技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)管理、開放式的算法模塊管理與調(diào)度和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化分析。系統(tǒng)建立了規(guī)范高效的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程，兼容處理預(yù)報分析制作系統(tǒng)(MICAPS)數(shù)據(jù)、GRIB2數(shù)據(jù)、城鎮(zhèn)報數(shù)據(jù)、自動氣象站數(shù)據(jù)等其他專業(yè)氣象數(shù)據(jù)，涵蓋了國家級省級智能網(wǎng)格預(yù)報、全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報、定量降水預(yù)報、大城市空氣質(zhì)量預(yù)報等數(shù)十項(xiàng)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)產(chǎn)品，給出了空間分布、柱狀圖及數(shù)據(jù)表格等展現(xiàn)形式。系統(tǒng)為全國各級預(yù)報員、模式開發(fā)人員和管理人員提供預(yù)報檢驗(yàn)反饋信息，為各省以及國家級預(yù)報業(yè)務(wù)考核提供了信息支撐；同時系統(tǒng)提供逐旬、月、年度的智能網(wǎng)格預(yù)報以及城鎮(zhèn)天氣預(yù)報的檢驗(yàn)結(jié)果對比，有力支撐了智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品業(yè)務(wù)研發(fā)和業(yè)務(wù)試驗(yàn)。

引 言

隨著氣象事業(yè)的不斷發(fā)展，對業(yè)務(wù)預(yù)報水平的考核要求也越來越高，預(yù)報產(chǎn)品質(zhì)量是衡量天氣預(yù)報業(yè)務(wù)水平的重要指標(biāo)，也是業(yè)務(wù)體系中重要一環(huán)。對于管理者，檢驗(yàn)工作對客觀衡量主客觀預(yù)報產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)有效的管理起到重要的作用；公眾則可以通過檢驗(yàn)結(jié)果了解預(yù)報產(chǎn)品的性能，有利于其使用時作出決策；對于預(yù)報員，通過對其預(yù)報產(chǎn)品和各類數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的檢驗(yàn)以及檢驗(yàn)結(jié)果的比對評估，使預(yù)報員清楚了解預(yù)報的不足與成功之處，提升預(yù)報員的預(yù)報能力和信心。因此，產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)工作在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。

1884年Finley[1]對美國落基山脈東部龍卷預(yù)報進(jìn)行了檢驗(yàn)評估，目前檢驗(yàn)方法得到長足發(fā)展，檢驗(yàn)理論在20世紀(jì)80年代后期發(fā)展迅速[2]。檢驗(yàn)方法在預(yù)報業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，各國有不同嘗試。世界氣象組織(WMO)WWRP/WGNE(World Weather Research Program/Working Group on Numerical Experimentation)聯(lián)合檢驗(yàn)工作小組專門立項(xiàng)支持澳大利亞建立了WMO的檢驗(yàn)網(wǎng)站，廣泛宣傳檢驗(yàn)基本知識，促進(jìn)各國檢驗(yàn)理論的發(fā)展和創(chuàng)新[3]。目前歐洲中期天氣預(yù)報中心及其成員國、美國、澳大利亞和加拿大等均建立了自己的檢驗(yàn)系統(tǒng)。這些檢驗(yàn)系統(tǒng)在數(shù)值天氣預(yù)報改進(jìn)、預(yù)報準(zhǔn)確率提高、面向公眾的宣傳等方面發(fā)揮了重要作用。其中，美國國家天氣服務(wù)中心創(chuàng)建了一個針對所有預(yù)警和預(yù)報產(chǎn)品(如火險天氣、航線、公共預(yù)報等)的在線檢驗(yàn)評估工具，該工具可以制作包括均方根誤差在內(nèi)的一套統(tǒng)計(jì)方法和評分[3]。芬蘭氣象局從2003年開始對格點(diǎn)、站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行月、季節(jié)、年的檢驗(yàn)，包括預(yù)報員和模式以及模式和模式之間的檢驗(yàn)對比，并建成基于Web的菜單驅(qū)動交互的實(shí)時檢驗(yàn)系統(tǒng)[4]。印度氣象局對城市、旅游天氣及季風(fēng)爆發(fā)日期等預(yù)報業(yè)務(wù)均開展了檢驗(yàn)[5]。

在國內(nèi)，對天氣預(yù)報產(chǎn)品，我國較早開展的短期預(yù)報業(yè)務(wù)檢驗(yàn)開始于1987年，當(dāng)年5月起每月公布短、中、長期預(yù)報檢驗(yàn)評分結(jié)果，1988年起正式對中央氣象臺主觀綜合降水預(yù)報業(yè)務(wù)開展每年的預(yù)報客觀檢驗(yàn)[6-7]。20世紀(jì)80年代束家鑫等[8]、董克勤等[9]對中央氣象臺的熱帶氣旋路徑主觀綜合預(yù)報進(jìn)行預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)分析,從1991年起中央氣象臺開展了熱帶氣旋路徑主觀業(yè)務(wù)預(yù)報同美國、日本國家業(yè)務(wù)中心的主觀業(yè)務(wù)預(yù)報客觀檢驗(yàn)的對比分析工作[10]。中國氣象局自2005年起開始業(yè)務(wù)化的中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)辦法建立了主要天氣預(yù)報產(chǎn)品的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)軟件，但對檢驗(yàn)結(jié)果的綜合分析能力，以及對智能網(wǎng)格預(yù)報等新業(yè)務(wù)檢驗(yàn)支持等方面存在不足。

1 系統(tǒng)建設(shè)需求和業(yè)務(wù)定位

在國家級預(yù)報業(yè)務(wù)部門，針對各項(xiàng)預(yù)報業(yè)務(wù)的檢驗(yàn)雖然都已開展，但檢驗(yàn)業(yè)務(wù)仍然分散在不同的二級預(yù)報業(yè)務(wù)部門且各項(xiàng)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)的運(yùn)行環(huán)境參差不齊，編寫語言有Fortran或MATLAB等，使用的實(shí)況和預(yù)報、站點(diǎn)等數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，流程不優(yōu)化，不利于程序的移植和準(zhǔn)確地評價預(yù)報產(chǎn)品的質(zhì)量。由于缺乏規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)產(chǎn)品檢驗(yàn)工作流程和定常的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)及定期制作的檢驗(yàn)報告，無法及時全面了解各項(xiàng)預(yù)報產(chǎn)品的整體質(zhì)量。最重要的是缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)，無法對于實(shí)況和預(yù)報數(shù)據(jù)進(jìn)行溯源管理，不能直觀簡便地獲取檢驗(yàn)結(jié)果，也無法對預(yù)報檢驗(yàn)進(jìn)行深度分析和評估。

為了解決上述問題，國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)構(gòu)建了統(tǒng)一的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)環(huán)境以實(shí)現(xiàn)實(shí)況、預(yù)報和檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和服務(wù)；研發(fā)了開放式的檢驗(yàn)算法調(diào)用框架和算法集，支持TS和ETS評分、準(zhǔn)確率、命中率、空報率、預(yù)報偏差(Bias)、相關(guān)系數(shù)、空間時間模糊、SEEPS(stable equitable error in probability space,概率空間中的穩(wěn)定公平誤差)等面向不同要素預(yù)報近30類檢驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算；同時建設(shè)預(yù)報員和管理人員以及模式開發(fā)人員等可以實(shí)時查詢檢驗(yàn)結(jié)果的平臺，從而實(shí)現(xiàn)了智能網(wǎng)格預(yù)報、定量降水預(yù)報、中期延伸期預(yù)報、臺風(fēng)預(yù)報、強(qiáng)對流天氣預(yù)報、氣象災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)害性天氣落區(qū)、精細(xì)化客觀要素等和各省發(fā)布的城鎮(zhèn)天氣預(yù)報、大城市精細(xì)化預(yù)報、大城市空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)等天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的檢驗(yàn)評估，并提升各項(xiàng)業(yè)務(wù)產(chǎn)品檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性及合理性，進(jìn)一步確立國家級檢驗(yàn)結(jié)果的權(quán)威性。

檢驗(yàn)結(jié)果一方面提供給管理部門，對各級預(yù)報員進(jìn)行考核評估以管理調(diào)控優(yōu)化配置資源投入；另一方面給預(yù)報員提供對未來預(yù)報有參考價值的、歷史天氣過程的不同空間時間尺度各要素的預(yù)報水平評估，以改善預(yù)報，同時也可以給模式開發(fā)人員提供不同模式的預(yù)報水平的對比以改進(jìn)模式。官方發(fā)布的定常的月、季度、年檢驗(yàn)報告、臨時的檢驗(yàn)服務(wù)材料以及針對預(yù)報員的考核評估所需數(shù)據(jù)均由檢驗(yàn)系統(tǒng)提供。國家級和省級預(yù)報員可以通過檢驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時查詢到各項(xiàng)業(yè)務(wù)產(chǎn)品的檢驗(yàn)評分，各級管理部門及各省檢驗(yàn)業(yè)務(wù)人員也可以通過檢驗(yàn)系統(tǒng)獲悉標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威的各省市縣級臺站的考核結(jié)果。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化為建設(shè)基礎(chǔ)，在系統(tǒng)建設(shè)中強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一接口，從而規(guī)范系統(tǒng)建設(shè)的基本功能、業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)編碼等信息標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，既要滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)需求，也需要考慮到業(yè)務(wù)長期發(fā)展，為不斷增加新的檢驗(yàn)產(chǎn)品模塊提供較為靈活的可擴(kuò)展應(yīng)用框架和二次開發(fā)接口。

2.1.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)遵循規(guī)范化、開放性、模塊化、易擴(kuò)展等設(shè)計(jì)原則采用分層架構(gòu)，自下而上依次是數(shù)據(jù)層、平臺層、服務(wù)層、表現(xiàn)層，安全規(guī)范體系及開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范貫穿每一層。各部分之間獨(dú)立統(tǒng)一，形成相互依賴但又可單獨(dú)運(yùn)行的模式，不僅有利于系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，降低各功能模塊之間的耦合度，同時有利于系統(tǒng)的維護(hù)和管理。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

數(shù)據(jù)層主要為平臺層提供源數(shù)據(jù)包括預(yù)報和實(shí)況數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)持久化存儲服務(wù)。平臺層是整個系統(tǒng)的核心組成部分，包括檢驗(yàn)?zāi)K和文件解析模塊。檢驗(yàn)?zāi)K采用多線程并發(fā)工作模式對采用動態(tài)函數(shù)庫封裝的檢驗(yàn)算法進(jìn)行調(diào)度，處理預(yù)報和實(shí)況數(shù)據(jù)。文件解析模塊通過配置化方案，對預(yù)報檢驗(yàn)?zāi)K生成的評分統(tǒng)計(jì)文件進(jìn)行解析處理，將解析后的文件數(shù)據(jù)錄入到Oracle數(shù)據(jù)庫中持久化保存，同時實(shí)現(xiàn)文件型數(shù)據(jù)的歸檔轉(zhuǎn)存，轉(zhuǎn)存過程保存原有目錄層級結(jié)構(gòu)。

服務(wù)層主要為表現(xiàn)層提供統(tǒng)一通用的Rest接口服務(wù)，以及系統(tǒng)的后臺管理維護(hù)功能，包括對評分統(tǒng)計(jì)文件的目錄配置、站點(diǎn)管理、欄目管理、產(chǎn)品配置等。通過檢驗(yàn)平臺管理，可以方便靈活地管理配置檢驗(yàn)平臺，在遵循規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，可通過數(shù)據(jù)字典不斷增加新的預(yù)報檢驗(yàn)產(chǎn)品模塊。表現(xiàn)層主要通過調(diào)用Rest服務(wù)請求接口將解析入庫后的檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)通過網(wǎng)頁進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)，提供豐富多樣的圖表統(tǒng)計(jì)分析報表，包括柱狀圖、折線圖、熱力圖、箱線圖、空間分布圖等。

圖1 國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of National Verification System in CMA

2.1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程中，實(shí)況數(shù)據(jù)和預(yù)報數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件形式存放，實(shí)況包括人工觀測、自動氣象站數(shù)據(jù)，以及各項(xiàng)專業(yè)氣象業(yè)務(wù)實(shí)況數(shù)據(jù)。預(yù)報數(shù)據(jù)包括MICAPS數(shù)據(jù)、城鎮(zhèn)報數(shù)據(jù)、大城市預(yù)報以及其他專業(yè)預(yù)報產(chǎn)品數(shù)據(jù)。隨著智能網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)的發(fā)展，檢驗(yàn)系統(tǒng)處理的預(yù)報數(shù)據(jù)量有很大幅度增長，為了最大限度減少數(shù)據(jù)存儲空間，系統(tǒng)增加了GRIB2格式的預(yù)報文件，格點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果也采用GRIB2文件形式。經(jīng)過預(yù)報檢驗(yàn)?zāi)K生成站點(diǎn)與格點(diǎn)的檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，并對之進(jìn)行不同指標(biāo)的時空維度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)降水、溫度、風(fēng)等要素的相應(yīng)指標(biāo)的時間(日、旬、月、季度、年等)和空間(省、氣象區(qū)劃、站點(diǎn)、格點(diǎn)等)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最終的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以文件的方式進(jìn)行存儲。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

在計(jì)算量較少而用戶需求較大的模擬，如定量降水檢驗(yàn)?zāi)K以連接掛載盤形式實(shí)現(xiàn)了更新升級前平臺的動態(tài)評分查詢功能，可以提供任意起止時間、任意省區(qū)范圍及任意站點(diǎn)檢驗(yàn)評分的查詢，該功能通過網(wǎng)站與數(shù)據(jù)庫交互實(shí)現(xiàn)。如果計(jì)算時間段跨月、跨季度或跨年，則在月、季度、年表的基礎(chǔ)上計(jì)算以提高計(jì)算效率。

圖2 國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程Fig.2 Data flow of National Verification System in CMA

2.1.3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)部署在3臺Linux服務(wù)器上，分別為Web服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，具體架構(gòu)如圖3所示。其中數(shù)據(jù)處理服務(wù)器負(fù)責(zé)預(yù)報檢驗(yàn)和檢驗(yàn)結(jié)果解析；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器部署有Oracle12c數(shù)據(jù)庫與Redis數(shù)據(jù)庫，承擔(dān)數(shù)據(jù)的存儲任務(wù)。Web服務(wù)器則為用戶提供網(wǎng)絡(luò)查詢檢索請求服務(wù)。預(yù)報與實(shí)況數(shù)據(jù)以掛載方式實(shí)現(xiàn)，將其他服務(wù)器(Windows或者Linux)上的共享目錄，掛載到預(yù)報檢驗(yàn)服務(wù)器上，檢驗(yàn)?zāi)K也在預(yù)報檢驗(yàn)服務(wù)器上運(yùn)行。

圖3 國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Deployment structure of National Verification System in CMA

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

通過對全國天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)平臺的更新升級，很好地解決了由于智能網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展引起的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)量驟增導(dǎo)致的數(shù)據(jù)庫冗余問題，將各檢驗(yàn)?zāi)K重新整合，對檢驗(yàn)所需預(yù)報及實(shí)況產(chǎn)品到報情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，集約相同預(yù)報要素檢驗(yàn)?zāi)K以避免重復(fù)建設(shè)，規(guī)范了算法及檢驗(yàn)結(jié)果文件，提高了統(tǒng)計(jì)查詢結(jié)果效率，檢驗(yàn)系統(tǒng)的交互響應(yīng)更加快速，業(yè)務(wù)化流程更加完整規(guī)范。以全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報檢驗(yàn)?zāi)K中晴雨(雪)預(yù)報的技巧評分為例，全國天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)平臺查詢1個月檢驗(yàn)結(jié)果需要5 s，而更新升級后少于2 s即能出結(jié)果圖表。

系統(tǒng)將種類繁多的源頭數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了有效地組織管理；統(tǒng)一調(diào)度了針對不同物理量的檢驗(yàn)算法，也可以開放地兼容將來新的檢驗(yàn)方法；最終實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)結(jié)果的直觀可視化。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)管理

標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)管理主要包括兩方面:①數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化。針對站點(diǎn)數(shù)據(jù)，將實(shí)況進(jìn)行對應(yīng)站號轉(zhuǎn)換，對預(yù)報數(shù)據(jù)取極值或累加合并；針對格點(diǎn)數(shù)據(jù)，調(diào)整格點(diǎn)經(jīng)緯度方向與范圍，并且進(jìn)行插值處理，從而將數(shù)據(jù)處理為檢驗(yàn)算法所需要的格式。②存儲結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化。輸出的檢驗(yàn)結(jié)果文件按照統(tǒng)一規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)生成到指定目錄下,其中降水站點(diǎn)結(jié)果文件1個站點(diǎn)(省/區(qū)域)1行檢驗(yàn)結(jié)果，分19列代表19個降水量級(分級降水6列，累加降水4列，降雪6列，一般性降水、暴雨(雪)以上、晴雨(雪));溫度結(jié)果文件輸出1列預(yù)報實(shí)況的差值;而格點(diǎn)結(jié)果文件使用MICAPS第4類格式規(guī)范，同一量級輸出1個文件。

2.2.2 開放式的算法模塊管理與調(diào)度

對不同的檢驗(yàn)算法定義標(biāo)準(zhǔn)接口編譯為動態(tài)庫從而形成系統(tǒng)的檢驗(yàn)算法庫，分為檢驗(yàn)算法庫及統(tǒng)計(jì)算法庫。檢驗(yàn)算法為服務(wù)程序(默認(rèn)在Linux系統(tǒng)中運(yùn)行/支持Windows)，根據(jù)配置進(jìn)行自動執(zhí)行(可以按時間間隔/定時執(zhí)行)，主要功能是根據(jù)實(shí)況數(shù)據(jù)對預(yù)報數(shù)據(jù)進(jìn)行日常檢驗(yàn)；統(tǒng)計(jì)計(jì)算程序可以自動執(zhí)行也可以單獨(dú)使用命令行執(zhí)行，主要功能是根據(jù)逐日檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一段時間檢驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。目前檢驗(yàn)動態(tài)庫涵蓋了降水、氣溫、風(fēng)等基礎(chǔ)要素以及空氣質(zhì)量、水文氣象、災(zāi)害預(yù)警等專業(yè)氣象的檢驗(yàn)。針對不同的檢驗(yàn)對象又分別細(xì)分出站點(diǎn)實(shí)況對站點(diǎn)預(yù)報；格點(diǎn)實(shí)況對格點(diǎn)預(yù)報；站點(diǎn)實(shí)況對格點(diǎn)預(yù)報3類接口。系統(tǒng)通過混合編程調(diào)用檢驗(yàn)動態(tài)庫，并能進(jìn)行自定義配置，同一檢驗(yàn)算法庫可以被重復(fù)調(diào)度使用。

2.2.3 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化

數(shù)據(jù)可視化是將各類預(yù)報檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)以更加直觀的圖形圖像進(jìn)行表示，使數(shù)據(jù)更加客觀，更具說服力。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化功能主要包括GIS地圖可視化、格點(diǎn)數(shù)據(jù)可視化、柱狀圖、折線圖、熱力圖、箱線圖、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表等。

分省、分區(qū)域、分站點(diǎn)以及格點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)采用WebGIS方式進(jìn)行展現(xiàn)，根據(jù)檢驗(yàn)指標(biāo)的評分高低采用不同顏色在地圖上進(jìn)行標(biāo)注顯示，對于分省、分區(qū)域、分站點(diǎn)的檢驗(yàn)可以在地圖上點(diǎn)擊標(biāo)注點(diǎn)彈窗顯示該點(diǎn)的檢驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果時序圖表，同時在地圖展示頁面也提供了對所有數(shù)據(jù)的排行統(tǒng)計(jì)分析功能。在頁面上提供多種條件組合查詢功能，組合查詢條件包括時間選擇、時次選擇、時效選擇、檢驗(yàn)對象、檢驗(yàn)指標(biāo)、省份選擇、站點(diǎn)類型選擇。

格點(diǎn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為GRIB2格式的文件，范圍為0°～60°N,70°E～140°E，格距為0.05°。格點(diǎn)數(shù)據(jù)可視化使用最新的html5前端WebGL顯示引擎結(jié)合Leaflet框架實(shí)現(xiàn)。整個數(shù)據(jù)流程為前端發(fā)送http請求至后端服務(wù)器，后端服務(wù)根據(jù)請求數(shù)據(jù)類型調(diào)用歐洲中期天氣預(yù)報中心提供的GRIB API讀取相應(yīng)的GRIB2格點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果文件數(shù)據(jù)返回至前端，前端通過Leaflet框架的Leaflet.CanvasLayer.Field插件功能實(shí)現(xiàn)。同時提供滑動取值功能，鼠標(biāo)在地圖上任意點(diǎn)滑動即可顯示該格點(diǎn)的檢驗(yàn)指標(biāo)值，在地圖上點(diǎn)擊任意點(diǎn)將彈窗顯示該經(jīng)緯度在一段日期范圍內(nèi)的時間序列圖。格點(diǎn)數(shù)據(jù)展示頁見圖4。

柱狀圖、折線圖、熱力圖、箱線圖則是采用百度開源的Echarts圖表庫實(shí)現(xiàn)，可提供豐富的圖表類型。 同時支持將圖表下載為PNG格式的圖片保存到本地。

圖4 格點(diǎn)數(shù)據(jù)展示頁Fig.4 Display page of grid data

3 系統(tǒng)對實(shí)時業(yè)務(wù)的支持

國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)的主要目標(biāo)用戶有國家級、省級預(yù)報員。各級預(yù)報員可以從系統(tǒng)中查詢到空間分布、柱狀圖及數(shù)據(jù)表格等形式展現(xiàn)的TS評分、ETS評分、空報率、漏報率、預(yù)報準(zhǔn)確率等按日、月、季度及年的檢驗(yàn)量結(jié)果。歷年的質(zhì)檢報告以及檢驗(yàn)相關(guān)的發(fā)文和說明也可以從系統(tǒng)查詢。系統(tǒng)對中國氣象局核心實(shí)時業(yè)務(wù)的支持主要包括以下業(yè)務(wù)產(chǎn)品的檢驗(yàn)。

3.1 智能網(wǎng)格預(yù)報檢驗(yàn)

針對智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品的檢驗(yàn)方法，其中降水預(yù)報的檢驗(yàn)包括傳統(tǒng)的基于站點(diǎn)實(shí)況的站點(diǎn)對站點(diǎn)與鄰域檢驗(yàn)，以及基于網(wǎng)格實(shí)況的格點(diǎn)對格點(diǎn)檢驗(yàn)?；谡军c(diǎn)實(shí)況的檢驗(yàn)，選用臨近點(diǎn)插值方案，有多個距離相等的格點(diǎn)取東北角格點(diǎn)的預(yù)報值；鄰域方法不對預(yù)報和實(shí)況空間嚴(yán)格匹配，而是依據(jù)預(yù)報格點(diǎn)為中心的一定范圍內(nèi)是否出現(xiàn)評定事件的站點(diǎn)評定該格點(diǎn)預(yù)報正確。劃定10 km為最小掃描半徑范圍，如果掃描半徑內(nèi)鄰站數(shù)少于3個則加大掃描半徑，直到半徑范圍內(nèi)有3個鄰站為止，最大掃描半徑不超過50 km，預(yù)報格點(diǎn)半徑范圍內(nèi)出現(xiàn)匹配實(shí)況站點(diǎn)即判定預(yù)報準(zhǔn)確?；诰W(wǎng)格實(shí)況的檢驗(yàn)實(shí)況選用國家信息中心發(fā)布的CMPAS(CMA Multisource merged Precipitation Analysis System,中國氣象局多源融合降水分析系統(tǒng))三源融合降水實(shí)況。氣溫、風(fēng)等氣象要素預(yù)報的檢驗(yàn)包括傳統(tǒng)的基于站點(diǎn)實(shí)況的站點(diǎn)對站點(diǎn)檢驗(yàn)與基于網(wǎng)格實(shí)況的格點(diǎn)對格點(diǎn)檢驗(yàn)。氣象要素網(wǎng)格實(shí)況為信息中心發(fā)布的CLDAS(CMA Land Data Assimiltation System,中國氣象局陸面數(shù)據(jù))陸面同化實(shí)況。試驗(yàn)性質(zhì)的檢驗(yàn)方法還包括模糊檢驗(yàn)的升尺度[11]檢驗(yàn)方法。

3.2 全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報檢驗(yàn)

該模塊對各省上傳的地市縣級城市降水及最高、最低氣溫進(jìn)行檢驗(yàn)。對各省考核側(cè)重晴雨(雪)、一般性和暴雨(雪)以上降水量級及最高、最低氣溫相對于國家氣象中心發(fā)布精細(xì)化氣象要素客觀預(yù)報[12]的技巧檢驗(yàn)。2018年晴雨預(yù)報的技巧評分如圖5所示。對于跨降水量級的天氣現(xiàn)象預(yù)報，一律取大量級降水。出現(xiàn)降水時的雨雪實(shí)況結(jié)合逐3 h的天氣現(xiàn)象、08：00(北京時，下同)的過去天氣以及加密觀測進(jìn)行判定。其中08：00—20：00根據(jù)4次天氣現(xiàn)象觀測，如果4次天氣現(xiàn)象均為降雪，則該時段實(shí)況為降雪，4次天氣現(xiàn)象均為降雨則為降雨，其余情況定為雨雪混合。2014年地面氣象觀測業(yè)務(wù)調(diào)整，取消了夜間觀測。因此，20：00—次日08：00的雨雪實(shí)況首先根據(jù)不定時啟動的加密觀測判定，判定方法與白天時段一致。假如夜間沒有加密觀測，則采用08：00的過去天氣觀測。然后將預(yù)報和實(shí)況根據(jù)檢驗(yàn)表(表略)中的對應(yīng)關(guān)系得到檢驗(yàn)結(jié)果。溫度實(shí)況數(shù)據(jù)為與預(yù)報時段對應(yīng)的逐小時最高、最低氣溫中取得的24 h最高、最低氣溫數(shù)據(jù)。降水實(shí)況數(shù)據(jù)優(yōu)先取08：00，20：00人工觀測數(shù)據(jù)，若缺測，則取自動氣象站逐小時降水?dāng)?shù)據(jù)累加得到24 h 降水量。

圖5 全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報2018年晴雨預(yù)報檢驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The rain/no-rain forecast verification result of SPCC in 2018

3.3 集合降水預(yù)報檢驗(yàn)

集合降水預(yù)報檢驗(yàn)包括兩個方面：一是與一般單一確定性預(yù)報比較，檢驗(yàn)集合預(yù)報系統(tǒng)是否具有優(yōu)勢[13]；二是對來自中國氣象局、歐洲中期天氣預(yù)報中心、美國國家環(huán)境預(yù)報中心的3個集合預(yù)報系統(tǒng)針對同一區(qū)域的預(yù)報能力。該模塊同時滿足了這兩個層面的要求，對預(yù)報員及3家集合預(yù)報系統(tǒng)的降水的融合預(yù)報，平均值及概率匹配平均產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn)。將網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品用雙線性方法插值到實(shí)況站點(diǎn)，并進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算。同時對分級降水計(jì)算BRIER評分，并進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)，繪制了相對作用特征曲線[14-15]。

3.4 班下定量降水預(yù)報檢驗(yàn)

為了推進(jìn)國家氣象中心的預(yù)報業(yè)務(wù)能力，客觀地評估預(yù)報員的預(yù)報技術(shù)水平，開發(fā)了班下定量降水預(yù)報[16]檢驗(yàn)?zāi)K。預(yù)報員通過這個模塊上傳預(yù)報文件，查看逐日、逐月及任意時間段的動態(tài)評分，各項(xiàng)排名及最高、最低分。管理人員可以查看所有參與考核的人員的評分及排名。評分辦法是各降水量級的TS評分[17-18]按權(quán)重得到TS總分及歐洲中期天氣預(yù)報中心TS總分，通過兩者計(jì)算得到技巧評分，最終分?jǐn)?shù)技巧評分占70%，TS評分占30%。根據(jù)總分進(jìn)行獎勵評定。

圖6給出了上傳預(yù)報文件及查看評分結(jié)果的模塊界面。預(yù)報經(jīng)驗(yàn)少于3年的年輕預(yù)報員，參與北京站、西寧站、成山頭站、成都站和廣州站的城市預(yù)報，預(yù)報內(nèi)容為最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速及災(zāi)害性天氣，預(yù)報員直接在網(wǎng)站上填寫預(yù)報內(nèi)容，根據(jù)正確預(yù)報項(xiàng)的多少得相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。

圖6 班下定量降水預(yù)報檢驗(yàn)?zāi)K界面Fig.6 Main interface layout of off duty quantitative precipitation forecast competition module

3.5 大城市精細(xì)化預(yù)報檢驗(yàn)

城市天氣預(yù)報預(yù)報的精細(xì)化水平不高，不能滿足氣象服務(wù)需求的問題仍然突出。因此,在直轄市、省會城市和計(jì)劃單列市開展逐6 h精細(xì)化氣象要素預(yù)報業(yè)務(wù)，提高24 h時效內(nèi)的預(yù)報時間分辨率和預(yù)報要素的定量化水平。該模塊檢驗(yàn)的區(qū)域便是開展這項(xiàng)預(yù)報業(yè)務(wù)的全國36個大城市。除了傳統(tǒng)的最高、最低氣溫和晴雨(雪)的檢驗(yàn)，針對定量化的降水預(yù)報，增加降水量檢驗(yàn)。這一項(xiàng)在預(yù)報或?qū)崨r都出現(xiàn)降水時進(jìn)行評分，將降水量預(yù)報和實(shí)況都轉(zhuǎn)換成降水量區(qū)間，根據(jù)預(yù)報實(shí)況的區(qū)間對應(yīng)關(guān)系得相應(yīng)分值，然后結(jié)合晴雨雪結(jié)果得到降水檢驗(yàn)結(jié)果。

3.6 全國暴雨預(yù)報檢驗(yàn)

針對當(dāng)前暴雨檢驗(yàn)方法采用二分類事件檢驗(yàn)方法存在的評分過低，未考慮我國暴雨可預(yù)報性及時空分布不均的問題，不便于對比分析不同區(qū)域暴雨預(yù)報能力等問題，開發(fā)了基于可預(yù)報性的暴雨評分方法。通過引入e指數(shù)函數(shù)構(gòu)建暴雨預(yù)報評分基函數(shù)，預(yù)報檢驗(yàn)點(diǎn)與觀測站進(jìn)行30 km半徑范圍的鄰域匹配，同時利用e指數(shù)函數(shù)計(jì)算了鄰域半徑范圍內(nèi)不同觀測站點(diǎn)的距離權(quán)重。如圖7顯示，該方法的逐日演變特征與傳統(tǒng)暴雨TS評分相似，與預(yù)報員和公眾的心理預(yù)期更加吻合。

3.7 大城市空氣質(zhì)量預(yù)報檢驗(yàn)

隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活條件的改善，大中城市迅速發(fā)展的同時面臨環(huán)境保護(hù)等重大科學(xué)問題[19]。為了提高重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù)水平，各省會城市、計(jì)劃單列市(深圳除外)氣象部門空氣質(zhì)量預(yù)報檢驗(yàn)考核內(nèi)容分空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)等級考核和首要污染物考核兩種。對這兩個預(yù)報量的數(shù)據(jù)傳輸時效、首要污染物正確性評分、AQI預(yù)報級別正確性評分、首要污染物預(yù)報技巧評分、AQI等級預(yù)報技巧評分、AQI預(yù)報數(shù)值誤差評分按照權(quán)重進(jìn)行綜合評定排名。

圖7 2016年7—10月全國公眾暴雨預(yù)報評分和TS評分Fig.7 Daily heavy rainfall forecast score and TS score of heavy rainfall location forecast in China from Jul to Oct in 2016

4 應(yīng)用情況和業(yè)務(wù)效益

國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)自2012年8月正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，為全國各省以及國家級預(yù)報業(yè)務(wù)考核提供了權(quán)威的客觀依據(jù),在系統(tǒng)檢驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上向各職能司及管理部門提交了《智能網(wǎng)格預(yù)報檢驗(yàn)報告》、《全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)報告》、《中央氣象臺天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗(yàn)報告》、《班下定量降水預(yù)報考核檢驗(yàn)報告》、《全國大城市空氣質(zhì)量預(yù)報檢驗(yàn)報告》等,管理部門根據(jù)實(shí)時檢驗(yàn)結(jié)果判斷相關(guān)工作的改變對預(yù)報質(zhì)量的影響，調(diào)控設(shè)備資源、預(yù)報員培訓(xùn)及獎勵、預(yù)報模式改進(jìn)等，助力改進(jìn)預(yù)報效果。

預(yù)報員通過對檢驗(yàn)結(jié)果監(jiān)控反饋得以隨時掌握預(yù)報質(zhì)量，對以往天氣過程的預(yù)報檢驗(yàn)總結(jié)可為今后預(yù)報提供參考。追蹤連續(xù)一段時間檢驗(yàn)效果較好的站點(diǎn)以及效果不理想的站點(diǎn)，分析原因，提煉造成預(yù)報結(jié)果差距的經(jīng)驗(yàn)，為預(yù)報準(zhǔn)確率的提升提供參考。另外，也增加了對預(yù)報模式、集合預(yù)報等客觀預(yù)報中優(yōu)勢弱勢的進(jìn)一步理解，提供模式研究者及開發(fā)人員更多的信息參考以提升模式水平。圖8以全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報檢驗(yàn)結(jié)果為例，顯示檢驗(yàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行以來預(yù)報水平穩(wěn)步提升，檢驗(yàn)系統(tǒng)對提高預(yù)報準(zhǔn)確率起到了促進(jìn)作用。

國家氣象中心按照中國氣象局精細(xì)化預(yù)報業(yè)務(wù)建設(shè)總體要求，為推進(jìn)精細(xì)化氣象格點(diǎn)預(yù)報業(yè)務(wù)與技術(shù)發(fā)展，從2014年開始研發(fā)格點(diǎn)化氣象要素預(yù)報技術(shù)方法，并建立了相應(yīng)的格點(diǎn)化氣象要素預(yù)報系統(tǒng)，最初預(yù)報系統(tǒng)水平分辨率為10 km，2015年5月開始實(shí)現(xiàn)5 km分辨率，并于2016年4月通過業(yè)務(wù)化評審。從智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品研發(fā)到業(yè)務(wù)運(yùn)行，格點(diǎn)化氣象要素預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)人員通過國家氣象中心業(yè)務(wù)產(chǎn)品檢驗(yàn)系統(tǒng)獲取其各氣象要素不同分辨率的預(yù)報產(chǎn)品的檢驗(yàn)評估，進(jìn)而改進(jìn)預(yù)報方法以改善檢驗(yàn)結(jié)果，從而達(dá)到其業(yè)務(wù)化運(yùn)行的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)智能網(wǎng)格預(yù)報準(zhǔn)確率提高。

圖8 2013—2017年全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報逐年檢驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Verification of weather forecast in China during 2013-2017

為了保證城鎮(zhèn)天氣預(yù)報服務(wù)效果，需要實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)格預(yù)報和城鎮(zhèn)天氣預(yù)報單軌運(yùn)行，建立全國預(yù)報和服務(wù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的智能網(wǎng)格氣象預(yù)報“一張網(wǎng)”業(yè)務(wù)流程，根據(jù)站點(diǎn)與格點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，形成融合站點(diǎn)的國家級、省級網(wǎng)格預(yù)報訂正產(chǎn)品，提高智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品預(yù)報準(zhǔn)確率。各省氣象部門通過國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)查詢到逐日、逐旬、逐月以及季度、年度智能網(wǎng)格預(yù)報以及城鎮(zhèn)天氣預(yù)報的檢驗(yàn)結(jié)果對比，并根據(jù)結(jié)果改進(jìn)預(yù)報方法及業(yè)務(wù)流程。由圖9可以看到，2017年7月—2018年3月兩者差距逐月縮小，智能網(wǎng)格預(yù)報效果逐月得到提升，對智能網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)單軌運(yùn)行起到了業(yè)務(wù)支撐作用。

圖9 2017年7月—2018年3月智能網(wǎng)格最高氣溫預(yù)報與城鎮(zhèn)天氣最高氣溫預(yù)報逐月檢驗(yàn)結(jié)果對比Fig.9 Monthly forecast accuracy of maximum temperature of gridded forecast and weather forecast in China from Jul 2017 to Mar 2018

5 小 結(jié)

從檢驗(yàn)業(yè)務(wù)現(xiàn)狀及發(fā)展需求出發(fā)，研制了國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下應(yīng)用優(yōu)勢和技術(shù)先進(jìn)性：

1) 系統(tǒng)建立了規(guī)范高效的檢驗(yàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程，兼容處理MICAPS數(shù)據(jù)、GRIB2數(shù)據(jù)、城鎮(zhèn)報數(shù)據(jù)、自動氣象站數(shù)據(jù)等其他專業(yè)氣象數(shù)據(jù)，涵蓋了國家級省級智能網(wǎng)格預(yù)報、全國天氣預(yù)報、定量降水預(yù)報、大城市空氣質(zhì)量預(yù)報等數(shù)十項(xiàng)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)產(chǎn)品。系統(tǒng)給出了空間分布、柱狀圖及數(shù)據(jù)表格等展現(xiàn)形式。

2) 檢驗(yàn)系統(tǒng)共由4個部分組成，包括預(yù)報檢驗(yàn)、檢驗(yàn)文件解析處理、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢分析與檢驗(yàn)平臺管理。系統(tǒng)對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效地組織管理；統(tǒng)一調(diào)度了檢驗(yàn)算法，兼容未來新的檢驗(yàn)方法；實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果的直觀可視化，關(guān)鍵性技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)管理，開放式的算法模塊管理與調(diào)度，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化分析。本檢驗(yàn)系統(tǒng)是國家級的集約化程度最高的實(shí)時化檢驗(yàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，具有檢驗(yàn)權(quán)威性和實(shí)時業(yè)務(wù)流程高度融合、自動化程度高、數(shù)據(jù)分析比對能力強(qiáng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度開放等特點(diǎn)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要定制組合自動化檢驗(yàn)流程。

3) 國家級天氣預(yù)報檢驗(yàn)分析系統(tǒng)對中國氣象局核心實(shí)時業(yè)務(wù)的支持部分詳細(xì)描述了各項(xiàng)檢驗(yàn)業(yè)務(wù)包括智能網(wǎng)格預(yù)報檢驗(yàn)、全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報檢驗(yàn)、集合降水預(yù)報檢驗(yàn)、班下定量降水預(yù)報檢驗(yàn)、大城市精細(xì)化預(yù)報檢驗(yàn)、全國暴雨預(yù)報檢驗(yàn)、大城市空氣質(zhì)量預(yù)報檢驗(yàn)等模塊包括的具體的檢驗(yàn)方法及實(shí)時運(yùn)行中的細(xì)節(jié)處理，為省級開發(fā)相關(guān)檢驗(yàn)系統(tǒng)提供參考。

4) 系統(tǒng)為全國各省以及國家級預(yù)報業(yè)務(wù)提供了客觀支撐，向各職能司及管理部門提交了各項(xiàng)檢驗(yàn)報告，助力預(yù)報效果的改進(jìn)。從智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品研發(fā)達(dá)到業(yè)務(wù)運(yùn)行檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對智能網(wǎng)格預(yù)報各氣象要素不同分辨率的預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)評估。逐旬、月、年度的智能網(wǎng)格預(yù)報以及城鎮(zhèn)天氣預(yù)報的檢驗(yàn)結(jié)果對比促進(jìn)單軌業(yè)務(wù)運(yùn)行進(jìn)展，兩者差距逐月縮小，智能網(wǎng)格預(yù)報效果逐月得到提升。

今后工作將重點(diǎn)針對新的預(yù)報產(chǎn)品開發(fā)相應(yīng)的檢驗(yàn)方法并融合進(jìn)檢驗(yàn)系統(tǒng)，包括能見度、云量、天氣現(xiàn)象等要素的檢驗(yàn)。將現(xiàn)有先進(jìn)的檢驗(yàn)方法集成入檢驗(yàn)系統(tǒng)，如SEEPS檢驗(yàn)評分，基于目標(biāo)的空間檢驗(yàn)等方法。另外，重點(diǎn)圍繞智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品研發(fā)能給出更多時空信息，能夠更準(zhǔn)確把握智能網(wǎng)格預(yù)報優(yōu)缺點(diǎn)的檢驗(yàn)方法。同時也致力于挖掘?qū)︻A(yù)報員更具參考性的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，在預(yù)報員制作預(yù)報時給出直觀實(shí)用更有參考價值的統(tǒng)計(jì)信息。