城市運管氣象風險預警系統(tǒng)的設計與研制

張偉鋒 黃波 李飛

摘要：城市運行風險預警涉及到多個方面，本研究在氣象災害風險預警基礎上，結(jié)合城市的網(wǎng)格化管理，把氣象災害的風險預警落實到管理網(wǎng)格。本文研究氣象在城市運行風險預警中的應用，針對城市運行管理中心需求，以暴雨內(nèi)澇、低溫寒潮、高溫熱浪等災害影響為切入點，將氣象大數(shù)據(jù)與交通、網(wǎng)格、熱線等城市綜合治理大數(shù)據(jù)共融互通，將風險預警嵌入到城市運行綜合管理平臺，為精細化城市運行管理提供支撐。最后以徐匯區(qū)為試點，說明了本研究的可行性及其應用效果。

關鍵詞：氣象災害;風險預警;城市運行;網(wǎng)格化

中圖分類號：P429 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0128-04

0 引言

城市氣象災害是指發(fā)生在城市區(qū)域，由于氣象要素或其組合的異常，對城市運行帶來很大影響的各類事件，包括暴雨內(nèi)澇、低溫寒潮、高溫熱浪等。由于城市人口集中、財產(chǎn)密集，一旦發(fā)生氣象災害，其受災的影響和損失就會很大，如2005年，受“麥莎”臺風影響，上海市區(qū)200余路段馬路積水，因電線被風掛斷以及暴雨積水觸電死亡4人，受傷149人，直接經(jīng)濟損失約13.4億元[1];2008年春運期間，上海出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪天氣，大量旅客的出行受阻，因路面結(jié)冰和積雪，造成跌傷骨折、車禍的急救病人成倍增加[2]。

氣象災害風險預警是城市防御氣象災害中重要的非工程措施之一，通過對城市氣象災害風險進行預警，制定應對災害的防治措施，能減少或避免災害帶來的損失[3]。目前，已有許多城市開發(fā)了不同類型的城市氣象災害風險預警系統(tǒng)，如2000年天津市建立了城區(qū)內(nèi)澇仿真系統(tǒng)，將雨量信息和氣象預報數(shù)據(jù)帶入模型進行模擬計算，實現(xiàn)城市內(nèi)澇的預報預警，此后，武漢、西安、南寧、鄭州等城市也相繼建立了城市內(nèi)澇預警系統(tǒng)[4];上海市建立了多災種風險分析與研判三維輔助決策系統(tǒng)，系統(tǒng)能根據(jù)當前天氣監(jiān)測數(shù)據(jù)與高影響天氣落區(qū)預報信息，智能地分析暴雨、大風、雷電等災害風險等級與影響范圍[5]。

基于氣象的城市運行風險預警系統(tǒng)是在氣象災害風險預警基礎上，結(jié)合城市的網(wǎng)格化管理，把氣象災害的風險預警落實到管理網(wǎng)格，為城市的精細化管理提供支撐。本論文以上海市徐匯區(qū)為例，介紹氣象在城市運行風險預警中的應用。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)針對徐匯區(qū)城市運行管理中心需求，以暴雨內(nèi)澇、低溫寒潮、高溫熱浪等災害影響為切入點，將氣象大數(shù)據(jù)與交通、網(wǎng)格、熱線等城市綜合治理大數(shù)據(jù)共融互通，將風險預警嵌入到徐匯區(qū)城市運行綜合管理平臺，為精細化城市運行管理提供支撐。

系統(tǒng)總體設計如圖1所示。系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、判斷、展現(xiàn)、制作、發(fā)布于一體，主體采用BS構(gòu)架，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲和云平臺管理。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、云平臺、后臺服務程序、客戶端Web系統(tǒng)組成，關系型數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012 R2，通過虛擬化技術搭建數(shù)據(jù)管理和共享云平臺，后臺服務采用C#語言基于多線程技術開發(fā)，通過ArcGIS集成暴雨內(nèi)澇、雷電災害影響評估模型和用戶風險矩陣與影響閾值分析，完成數(shù)據(jù)的實時轉(zhuǎn)換和服務產(chǎn)品的加工，客戶端Web系統(tǒng)采用Javascript For ArcGIS Server開發(fā)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、災害監(jiān)測數(shù)據(jù)、預報數(shù)據(jù)的展現(xiàn)和融合顯示，通過平臺的人機交互功能，實現(xiàn)影響預報和風險預警的制作和發(fā)布，也實現(xiàn)氣象實況、氣象預報和風險預警信息與網(wǎng)格化管理單元的疊加顯示和預警的實時顯示與城市運行管理支撐。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 基于網(wǎng)格的城市運行氣象風險普查

結(jié)合徐匯區(qū)災害性天氣過程，分析歷年來造成人員傷亡、較大經(jīng)濟損失、城市運行不暢等的各類氣象災害出現(xiàn)的時間、網(wǎng)格、災害損失等情況，了解徐匯區(qū)城市運行氣象風險隱患網(wǎng)格基本信息，掌握隱患網(wǎng)格主要氣象災害類型、氣象致災因子及相關要素和城市運行氣象服務用戶需求情況等，了解隱患網(wǎng)格氣象監(jiān)測預警設施建設情況，采集基于網(wǎng)格的各類城市運行氣象風險信息數(shù)據(jù)，為氣象風險預警服務提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 數(shù)據(jù)庫建設

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)多樣，且實時更新，為達到數(shù)據(jù)的存儲擴展和高效訪問，數(shù)據(jù)庫采用關系型數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)化文件夾結(jié)合的方式。關系型數(shù)據(jù)庫主要用于存儲雨量站、氣象水文預報數(shù)據(jù)、氣象水文歷史資料、社會經(jīng)濟屬性資料、系統(tǒng)監(jiān)控等數(shù)據(jù);結(jié)構(gòu)化文件夾用于存儲基礎地理數(shù)據(jù)、雷達與衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、監(jiān)測插值分析結(jié)果、數(shù)值模式結(jié)果文件、監(jiān)控視頻片段、切片地圖數(shù)據(jù)等，按照規(guī)范標準進行命名，并把元數(shù)據(jù)存儲到二維數(shù)據(jù)庫中。如表1所示列出了系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)及存儲方式。

2.3 氣象與城市綜合治理大數(shù)據(jù)分析建模

基于大數(shù)據(jù)的城市綜合治理，就是利用城市中的大數(shù)據(jù)來解決城市本身所面臨的挑戰(zhàn)，通過大數(shù)據(jù)分析手段，結(jié)合氣象觀測數(shù)據(jù)和交通、網(wǎng)格、熱線等城市綜合治理大數(shù)據(jù)，建立城市運行態(tài)勢與氣象之間的大數(shù)據(jù)分析模型，為實現(xiàn)風險預警、精準治理和智慧服務提供關鍵技術支撐，如提前預警在什么天氣條件下該地會出現(xiàn)洪澇災害，雨要下到多大才會成災，暴雨洪澇的時間多久，下那么大的雨會預計有多少區(qū)域面積受災，哪些小區(qū)受災，市民會在暴雨洪澇多久后通過12345熱線不斷投訴、什么樣類型的案件會集中爆發(fā)式的投訴等。

根據(jù)氣象局記錄的徐匯區(qū)歷史重大氣候數(shù)據(jù)和天氣災害數(shù)據(jù)、發(fā)生時長以及該地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、市民熱線投訴數(shù)據(jù)等進行分析建模，對模型進行樣本訓練、測試，建立算法模型知識訓練庫，最后再根據(jù)氣象局的天氣預報情況，對徐匯區(qū)城市區(qū)域管理做預警預測。

大數(shù)據(jù)分析算法包括分類分析、描述統(tǒng)計、相關分析、因子分析、關聯(lián)分析、貝葉斯網(wǎng)絡、決策樹模型、神經(jīng)網(wǎng)絡、聚類分析、時序模式分析、時間序列算法、偏差分析。具體的建模流程如圖2所示。

2.4 基于影響模型（暴雨內(nèi)澇、寒潮、高溫）的城市運行管理風險評估

暴雨內(nèi)澇影響評估模型以暴雨積澇模擬為基礎，通過接入實時預報數(shù)據(jù)并結(jié)合城市暴雨內(nèi)澇評估概化模型（SUM）和暴雨內(nèi)澇水動力模型方法構(gòu)建積澇的實時計算系統(tǒng)，以得到對應小區(qū)和道路的積水深度、積水時長和積水范圍等模擬結(jié)果，模擬評估暴雨內(nèi)澇對交通、網(wǎng)格的影響，建立暴雨內(nèi)澇交通及網(wǎng)格影響的風險矩陣，為實現(xiàn)風險預警、精準治理和智慧服務提供關鍵技術支撐。

寒潮和高溫影響評估模型是基于城市運行態(tài)勢與氣象之間的大數(shù)據(jù)分析模型，針對不同氣象條件情景和歷史個例，模擬評估高溫熱浪、低溫寒潮對徐匯城市運行各網(wǎng)格的影響和風險，進而對大數(shù)據(jù)分析模型進行反饋、調(diào)整和優(yōu)化，使模型適用于徐匯城市運行風險預警業(yè)務服務。

根據(jù)氣象局紀錄的整個徐匯地區(qū)的歷史重大氣候數(shù)據(jù)和天氣災害數(shù)據(jù)，發(fā)生時長，以及該地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、市民熱線投訴數(shù)據(jù)等進行分析建模，對模型進行樣本訓練、測試，建立算法模型知識訓練庫，最后再根據(jù)氣象局的天氣預報情況，對徐匯區(qū)城市區(qū)域管理做預警預測。

2.5 城市暴雨內(nèi)澇情景模擬與影響分析

基于歷年氣象實況、內(nèi)澇災情實況、網(wǎng)格熱線數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)，通過暴雨內(nèi)澇評估模型開展徐匯城市運行暴雨內(nèi)澇情景模擬分析。暴雨內(nèi)澇風險情景評估是以城市暴雨內(nèi)澇模擬為基礎，通過接入歷史降雨實況數(shù)據(jù)，模擬計算得到對應網(wǎng)格和道路分塊的積水深度、積水時長和積水范圍等模擬結(jié)果。在內(nèi)澇積水模擬計算基礎上，疊加分網(wǎng)格的內(nèi)澇災情、網(wǎng)格熱點事件、交通路況信息等數(shù)據(jù)，分析在不同降雨、內(nèi)澇積水情景下徐匯城市運行影響。

在徐匯城市運行暴雨內(nèi)澇情景模擬基礎上，對徐匯城市運行各網(wǎng)格進行暴雨內(nèi)澇影響分級，建立暴雨內(nèi)澇交通及網(wǎng)格影響的風險矩陣，評估評估暴雨內(nèi)澇對交通、網(wǎng)格的影響，為實現(xiàn)風險預警、精準治理和智慧服務提供關鍵技術支撐。

3 風險預警系統(tǒng)研制

系統(tǒng)接入上海市氣象局分區(qū)預警、中心臺天氣預警等產(chǎn)品。暴雨風險預警產(chǎn)品可結(jié)合閾值指標和風險評估方法，根據(jù)預警發(fā)布或其他觸發(fā)條件不定時制作四級風險預警產(chǎn)品，并可根據(jù)實際情況進行人工修訂。當天氣影響結(jié)束時，撤銷風險預警產(chǎn)品。

氣象風險預警產(chǎn)品接入后，可通過與服務產(chǎn)品對應對象列表實現(xiàn)一鍵式發(fā)布，通過短信終端發(fā)布并跟蹤短信產(chǎn)品;通過與微信端口對接實現(xiàn)產(chǎn)品在微信菜單中的發(fā)布或主動推送;通過與大屏發(fā)布統(tǒng)對接，實現(xiàn)產(chǎn)品在顯示大屏上顯示;通過與其他信息發(fā)布平臺對接，實現(xiàn)產(chǎn)品在信息發(fā)布平臺中顯示。系統(tǒng)后臺顯示產(chǎn)品送達狀態(tài)。

3.1 基于智能網(wǎng)格的預報實現(xiàn)

面向徐匯城市運行氣象風險預警的時效和空間格網(wǎng)精度需求，改進智能網(wǎng)格預報技術，提高0-24小時智能網(wǎng)格預報準確率，提供上海地區(qū)0～24小時內(nèi)逐3小時、水平分辨率5km的降水、溫度、大風等預報產(chǎn)品，同時風險預警與網(wǎng)格管理實現(xiàn)聯(lián)動。

3.2 城市氣象體征感知及可視化。

根據(jù)風險普查結(jié)果和徐匯區(qū)監(jiān)測覆蓋情況，在探測空白區(qū)域、重點場所和高風險區(qū)域合理增加布設城市氣象體征感知設備，實現(xiàn)所在區(qū)域氣象數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、質(zhì)控、存儲、監(jiān)測警戒和可視化。系統(tǒng)實現(xiàn)基于站點的多要素實時數(shù)據(jù)顯示和1小時逐分鐘時序、24小時逐小時時序、月逐日時序圖?；诩用艿某鞘袣庀筇卣鞲兄獢?shù)據(jù)，通過可視化手段，實現(xiàn)徐匯區(qū)城市氣象特征多維度實時展示。

4 結(jié)語

基于氣象觀測、預報、預警等數(shù)據(jù)和城市運行精細化治理數(shù)據(jù)，建立城市運行精細化治理氣象大數(shù)據(jù)分析預測模型，并開發(fā)城市運行精細化治理氣象風險預警系統(tǒng)，在智能網(wǎng)格預報技術產(chǎn)品支撐下，將大數(shù)據(jù)分析預測模型和氣象風險預警服務嵌入城市運行管理指揮平臺，為實現(xiàn)氣象對城市運行影響和風險的早期發(fā)現(xiàn)、及時預警和快速響提供支撐，從而有效提高示范區(qū)域應對氣象災害的風險管理能力和城市精細化管理水平。

徐匯區(qū)基于氣象的城市運行風險預警系統(tǒng)目前已在徐匯區(qū)城市運行中心正式使用，系統(tǒng)實現(xiàn)氣象部門的影響預報和風險預警的制作和推送，同時在徐匯區(qū)城市運行中心實現(xiàn)基礎普查數(shù)據(jù)、氣象大數(shù)據(jù)分析結(jié)果、城市氣象體征感知及氣象影響預報預警相關內(nèi)容的實時展示，實現(xiàn)7×24小時氣象—網(wǎng)格—徐匯城市運行管理的無縫服務銜接，已在氣象風險預警運營服務中發(fā)揮了重要作用。

參考文獻

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