基于智慧氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)的氣象數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù)研究

孫玫玲 左曉辰 楊昱 蘭輝

近年來(lái)，隨著氣象探測(cè)與預(yù)報(bào)服務(wù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類氣象數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用量急劇膨脹。在當(dāng)前相關(guān)氣象服務(wù)平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理與應(yīng)用方式已經(jīng)不能滿足需要，如何將不同類型、格式與來(lái)源的龐大數(shù)據(jù)有機(jī)整合高效利用，是構(gòu)建集約化智慧氣象服務(wù)體系的重中之重。

天津市氣象服務(wù)中心依托智慧氣象公共服務(wù)惠民系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)，在構(gòu)建精細(xì)化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境、數(shù)值模式產(chǎn)品釋用和數(shù)據(jù)產(chǎn)品交互式訂正等方面進(jìn)行了有益的探索與研究，本文主要針對(duì)上述三方面內(nèi)容的原理與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行闡述。

一、精細(xì)化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境構(gòu)建

（一）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

實(shí)時(shí)質(zhì)量控制是利用簡(jiǎn)單有效的方法，在保證時(shí)效的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)檢查解碼后氣象要素的質(zhì)量，設(shè)置質(zhì)量控制碼，使數(shù)據(jù)有基本的質(zhì)量保證。實(shí)時(shí)質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)源為從解碼模塊傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)組，生成的數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)入庫(kù)。

定時(shí)質(zhì)量控制是在整點(diǎn)后啟動(dòng)，對(duì)本時(shí)次的實(shí)時(shí)資料進(jìn)行更加嚴(yán)格的質(zhì)量控制，修訂質(zhì)量控制碼。定時(shí)質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)源首選從存儲(chǔ)系統(tǒng)基礎(chǔ)庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)表檢索數(shù)據(jù)。

非實(shí)時(shí)質(zhì)量控制是在本地的月報(bào)數(shù)據(jù)文件到齊后啟動(dòng)，從庫(kù)中獲取月報(bào)數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行非實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，按照月報(bào)數(shù)據(jù)格式重新生成帶有國(guó)家級(jí)或省級(jí)質(zhì)量控制碼的月報(bào)數(shù)據(jù)文件。

（二）數(shù)據(jù)解碼

數(shù)據(jù)解碼是根據(jù)業(yè)務(wù)配置，對(duì)實(shí)時(shí)資料進(jìn)行解碼和格式轉(zhuǎn)換，生成報(bào)告級(jí)和要素級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)產(chǎn)品。根據(jù)資料的種類和解碼策略的不同，分為TAC解碼、BUFR解碼、GRIB解碼和自定義格式解碼。

（三）數(shù)據(jù)預(yù)處理

氣象觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量多、分布廣，數(shù)據(jù)自動(dòng)觀測(cè)。在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)測(cè)、漏測(cè)的現(xiàn)象，這就需要對(duì)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括極值檢查、內(nèi)部一致性檢查和時(shí)間序列檢查等。各項(xiàng)控制檢查內(nèi)容如下：

1、極值檢查

氣象資料要素值是否超出氣候統(tǒng)計(jì)最大值和最小值的檢查為極值檢查。對(duì)超出測(cè)站要素極值的觀測(cè)資料，須做進(jìn)一步檢查，以判斷資料是否正確。主要統(tǒng)計(jì)全市各地區(qū)逐月的降雨量最大值，逐月的最高氣溫、最低氣溫最大值和最小值，逐月風(fēng)速最大值，然后形成極值判斷條件，加入系統(tǒng)進(jìn)行極值檢查。

2、內(nèi)部一致性檢查

對(duì)固定觀測(cè)站在同一時(shí)間觀測(cè)的氣象要素記錄之間的關(guān)系必須符合一定規(guī)律的檢查稱為內(nèi)部一致性檢查。例如：氣壓和露點(diǎn)溫度與氣溫和相對(duì)濕度的一致性，海平面氣壓與本站氣壓、氣溫的一致性。 雨量和風(fēng)速不能出現(xiàn)負(fù)值；當(dāng)日各時(shí)風(fēng)速≤日最大風(fēng)速；當(dāng)日各時(shí)雨量≤日小時(shí)最大雨量≤日總降雨量。

3、時(shí)間序列檢查

根據(jù)氣候要素的自然變化規(guī)律，在相鄰的時(shí)間段內(nèi)，要素變化幅度必然在一定的波動(dòng)范圍內(nèi)，因此設(shè)定閥值進(jìn)行時(shí)間序列檢查，主要考慮：不同時(shí)間段內(nèi)降雨量差值、溫度升幅和溫度降幅。

（三）數(shù)據(jù)分類入庫(kù)

1、氣候背景資料庫(kù)

自動(dòng)站月報(bào)包括近五年國(guó)家自動(dòng)站與區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)的：降水、溫度、能見(jiàn)度、風(fēng)場(chǎng)、氣壓、濕度、地溫、積雪、天氣現(xiàn)象等所有要素，上述資料均可包括分鐘、小時(shí)數(shù)據(jù)。

重要天氣報(bào)文包括霧、雷暴、大風(fēng)、冰雹、暴雨、浮塵、霾、沙塵暴、凍雨、霜凍、龍卷風(fēng)、積雪、短時(shí)強(qiáng)降水等。

2、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品庫(kù)

日常業(yè)務(wù)中所有數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和要素?cái)?shù)據(jù)。模式可包括：T639細(xì)網(wǎng)格、T639粗網(wǎng)格、GRAPES細(xì)網(wǎng)格、GRAPES粗網(wǎng)格、DOGRAFS、EC細(xì)網(wǎng)格、EC粗網(wǎng)格、NCEP在分析細(xì)網(wǎng)格資料、集合預(yù)報(bào)、CUACE、中尺度模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品等。

數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和要素?cái)?shù)據(jù)如：降水要素?cái)?shù)據(jù)（3小時(shí)降水量、6小時(shí)降水量、12小時(shí)降水量、24小時(shí)降水量等）、高空環(huán)流形式場(chǎng)數(shù)據(jù)（高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等）、地面要素?cái)?shù)據(jù)（海平面氣壓、2m溫度、露點(diǎn)溫度、海平面溫度、表層溫度、10m風(fēng)場(chǎng)等）、水汽要素?cái)?shù)據(jù)（比濕、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、水汽通量散度等）、動(dòng)力要素?cái)?shù)據(jù)（渦度、散度、垂直速度等）、能量要素?cái)?shù)據(jù)（850-500溫差、K指數(shù)、總云量、低云量等）、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)（逆溫厚度、逆溫差、混合層厚度等）。

3、精細(xì)化網(wǎng)格產(chǎn)品庫(kù)

1公里及3公里精細(xì)化網(wǎng)格產(chǎn)品。

4、實(shí)況資料庫(kù)

自動(dòng)站實(shí)況數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)提供國(guó)家自動(dòng)站與區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)的實(shí)況信息；高空、地面氣象觀測(cè)，包括地面天氣圖、高空天氣圖、常用物理量場(chǎng)等資料；雷達(dá)數(shù)據(jù)，包括單站雷達(dá)資料、拼圖產(chǎn)品、反演產(chǎn)品等；衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星類型（FY-2D、FY-2E、FY-2F、FY-2G、日本葵花、風(fēng)云三、風(fēng)云四、NOAA衛(wèi)星）、產(chǎn)品類型（可見(jiàn)光、紅外、水汽、近紅外）查看云圖。

5、短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)品庫(kù)

包括雷達(dá)外推產(chǎn)品，Swan雷達(dá)外推短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)品；閃電定位，默認(rèn)顯示最近3小時(shí)的數(shù)據(jù)，以填圖的方式顯示閃電定位信息。

6、客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品庫(kù)

存放通過(guò)計(jì)算機(jī)程序辨識(shí)的各類專業(yè)預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品、格點(diǎn)預(yù)報(bào)解析規(guī)則及模版，解析后的客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品、并分類建庫(kù)。

7、精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品庫(kù)（主觀訂正產(chǎn)品庫(kù)）

存放最終確認(rèn)發(fā)布的精細(xì)化格點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品、站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并建庫(kù)。

8、訂正參考資料

地理信息數(shù)據(jù)：主要是本地的地形特征，特別是河流分布、海陸特征、海拔高度。

訂正特征量：氣象要素分布特征（特別是平均值、歷史極值、概率等）、氣象災(zāi)害類型和分布、移動(dòng)路徑和隨時(shí)間變化特點(diǎn)等。

（四）數(shù)據(jù)提取

1、指導(dǎo)預(yù)報(bào)模塊提取

獲取中央臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)的主觀預(yù)報(bào)模塊提取，包括天氣預(yù)報(bào)（降水量預(yù)報(bào)、1～3天氣溫、水文地質(zhì)、短期公報(bào)、中期公報(bào)）。全國(guó)城鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)指導(dǎo)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，5X5公里格點(diǎn)產(chǎn)品包括實(shí)況和預(yù)報(bào)，全國(guó)城鎮(zhèn)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

2、短臨落區(qū)提取

關(guān)注雷達(dá)實(shí)況和外推短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)品，人工畫落區(qū)，同時(shí)生成圖像產(chǎn)品和文字產(chǎn)品。文字產(chǎn)品自動(dòng)識(shí)別圖像產(chǎn)品落區(qū)，默認(rèn)精確到區(qū)。手動(dòng)干預(yù)精確范圍（默認(rèn)到區(qū)）。

二、數(shù)值模式產(chǎn)品釋用開(kāi)發(fā)

（一）數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用

通過(guò)比較多種數(shù)值預(yù)報(bào)模式，選擇有一定的時(shí)空精度、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度較高的模式作為建立精細(xì)指導(dǎo)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式資料。定義常規(guī)要素的精細(xì)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)，將時(shí)間精度、空間精度、量級(jí)精度和預(yù)報(bào)要素的要求客觀明確地規(guī)定下來(lái)。同時(shí)，通過(guò)新技術(shù)、新方法的研究，將數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度和時(shí)空精度很好地解釋應(yīng)用出來(lái)。建立具有實(shí)際應(yīng)用效果、性能穩(wěn)定的客觀精細(xì)化指導(dǎo)預(yù)報(bào)方法，為基層臺(tái)站提供客觀、定量的精細(xì)化指導(dǎo)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。分類型的數(shù)值模式物理量診斷（EC、NC、T639、GEEPAS、集合預(yù)報(bào)等），包括加工分析基于本地指標(biāo)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品；可根據(jù)不同預(yù)報(bào)要素或天氣現(xiàn)象來(lái)選擇相關(guān)物理量診斷產(chǎn)品。

（二）精細(xì)化產(chǎn)品逐小時(shí)插值

將原有的精細(xì)化格點(diǎn)預(yù)報(bào)分辨率為3公里逐3小時(shí)的產(chǎn)品，通過(guò)時(shí)空插值為逐小時(shí)的精細(xì)化格點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

1、溫度時(shí)間內(nèi)插（溫度日變化曲線擬合法）

建立每個(gè)小時(shí)的溫度預(yù)報(bào)方程。但利用溫度日變化曲線特征，完全可以用少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)溫度計(jì)算出任意點(diǎn)的溫度，關(guān)鍵是要先計(jì)算出擬合曲線的系數(shù)。根據(jù)正常溫度日變化類似正弦波（可用高斯曲線擬合）特征，我們只要得到每天4個(gè)點(diǎn)的溫度值。就可通過(guò)曲線擬合內(nèi)插出任何時(shí)刻的溫度。

2、相對(duì)濕度時(shí)間內(nèi)插（水汽含量守恒法）

相對(duì)濕度插值原理是：在一定時(shí)間段內(nèi)（比如6小時(shí)）認(rèn)為沒(méi)有新的水汽增加和減少（水汽含量守恒）。這時(shí)的相對(duì)濕度是溫度的函數(shù)，應(yīng)用內(nèi)插的溫度值即可算出內(nèi)插的相對(duì)濕度。

（三）高度訂正

通過(guò)分析各站溫度遞減率，根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式具有預(yù)報(bào)要素完整垂直分布的特點(diǎn)，利用數(shù)值預(yù)報(bào)的要素垂直分布變化率來(lái)訂正。

溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等要素預(yù)報(bào)值的海拔高度訂正是困惑業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一個(gè)難題，我們根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)模式具有預(yù)報(bào)要素完整垂直分布的特點(diǎn)，找到一個(gè)海拔高度的訂正方法，就是利用數(shù)值預(yù)報(bào)的要素垂直分布變化率來(lái)訂正。例如溫度隨高度的變化非常敏感，所以對(duì)于溫度場(chǎng)資料的插值方案將考慮觀測(cè)場(chǎng)地理高度 DEM 信息，考慮了海拔高度對(duì)溫度的影響。

（四）站點(diǎn)預(yù)報(bào)建模

對(duì)多個(gè)模式的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合歷史資料提供的氣候特征量，對(duì)不同站點(diǎn)、不同時(shí)間、不同要素的敏感模式和敏感特征量進(jìn)行提取，建立站點(diǎn)預(yù)報(bào)模型，選擇適合的數(shù)值模式釋用產(chǎn)品結(jié)合特征量進(jìn)行預(yù)報(bào)。

（五）格點(diǎn)/站點(diǎn)插值計(jì)算

數(shù)值預(yù)報(bào)在一定區(qū)域范圍內(nèi)的預(yù)報(bào)水平和能力可以認(rèn)為是相同的，那么用測(cè)站要素建立的預(yù)報(bào)模型，在一定范圍內(nèi)（25km或50km）是可以平移慮用的；通過(guò)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)點(diǎn)（格點(diǎn)或任意服務(wù)點(diǎn)）掃描一定范圍內(nèi)的測(cè)站。用這些測(cè)站的頂報(bào)模型來(lái)平移計(jì)算鄉(xiāng)鎮(zhèn)點(diǎn)的值，然后通過(guò)Cressman權(quán)重訂正和海拔高度訂正，就是該點(diǎn)的預(yù)報(bào)。 先建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)（格點(diǎn)預(yù)報(bào)）的掃描參數(shù)（測(cè)站數(shù)和其內(nèi)插權(quán)重參數(shù)）和海拔高度參數(shù)（包括測(cè)站的海拔高度），然后運(yùn)算掃描范圍內(nèi)所有測(cè)站的預(yù)報(bào)方程，再通過(guò)Cressman權(quán)重內(nèi)插訂正和海拔高度訂正，最后可以計(jì)算出責(zé)任區(qū)域范圍內(nèi)的所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)和格點(diǎn)預(yù)報(bào)。該插值技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是，可以任意增加服務(wù)點(diǎn)的預(yù)報(bào)。

三、可視化交互訂正

（一）交互顯示功能

1、二維平面顯示

實(shí)現(xiàn)降水量、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度等氣象單要素或多要素疊加顯示。氣象要素可以人機(jī)交互方式勾選，顯示方式分為格點(diǎn)和填色兩種方式，其中格點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示密度可根據(jù)顯示區(qū)域大小自動(dòng)調(diào)整，分級(jí)顯示確保顯示數(shù)據(jù)清晰。如圖1、2所示。

2、時(shí)間序列圖

可實(shí)現(xiàn)單要素和多要素的一維時(shí)間序列圖形顯示，要素可以人機(jī)交互方式勾選。如圖3所示。

3、時(shí)空剖面圖

能夠以人機(jī)交互方式任意設(shè)置或者選擇單點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多要素時(shí)間-高空垂直剖面序列圖的顯示，要素以人機(jī)交互方式勾選。如圖4所示。

4、空間剖面圖

能夠繪制任意兩點(diǎn)直線或多點(diǎn)折線多要素垂直剖面圖，要素以人機(jī)交互方式勾選，拐點(diǎn)經(jīng)緯度以人機(jī)交互方式任意設(shè)置。

5、對(duì)比分析顯示

能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)段降水預(yù)報(bào)趨勢(shì)分析，將多個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次降水信息進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)分析降水預(yù)報(bào)強(qiáng)度變化趨勢(shì)。如圖5所示。

（二）訂正工具

預(yù)報(bào)員可通過(guò)可視化界面對(duì)客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行主觀訂正，包括對(duì)單點(diǎn)的修正和對(duì)落區(qū)的修正，下級(jí)可對(duì)上級(jí)發(fā)布的客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行修正，并上傳到上一級(jí)部門進(jìn)行協(xié)同訂正。訂正后的最終結(jié)果將作為精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品對(duì)外發(fā)布。

基本交互功能包括：落區(qū)增改、落區(qū)中心、落區(qū)刪除、落區(qū)清空、落區(qū)格點(diǎn)化、格點(diǎn)等值線化、點(diǎn)編輯工具、擦涂工具、圖刷工具、矩形工具、線工具、閾值過(guò)濾、區(qū)域選擇、修改區(qū)域值、移動(dòng)區(qū)域、區(qū)域刪除、鎖定區(qū)域、加權(quán)平均、凹槽凸脊、系統(tǒng)新生、梯度法修改、手繪跟隨流場(chǎng)、差值調(diào)整和中尺度疊加。

格點(diǎn)編輯訂正功能：

對(duì)點(diǎn)的編輯修改：可對(duì)畫刷實(shí)施一定的寬度、數(shù)值或加減值，對(duì)掃過(guò)路徑點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行改變等操作。

對(duì)線的編輯修改：進(jìn)行區(qū)域等值線編輯，可對(duì)等值線進(jìn)行刪除、增加、拉伸等操作。

對(duì)面的編輯修改：建立區(qū)域的概念，可對(duì)區(qū)域內(nèi)或者外的值進(jìn)行修改，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的復(fù)制移動(dòng)，可對(duì)區(qū)域進(jìn)行固定值的修改，也可對(duì)區(qū)域的數(shù)值進(jìn)行加減，也可對(duì)區(qū)域數(shù)值進(jìn)行線性漸變或者非線性漸變修改等操作。

站點(diǎn)編輯訂正功能：

對(duì)單站的編輯修改：進(jìn)行單站要素進(jìn)行數(shù)值修改，可以進(jìn)行加減值修改等操作。

對(duì)多站的編輯修改：選定區(qū)域，可對(duì)區(qū)域內(nèi)多站要素的值進(jìn)行修改，也可對(duì)區(qū)域內(nèi)多站的數(shù)值進(jìn)行加減，也可對(duì)區(qū)域內(nèi)多站的數(shù)值進(jìn)行線性漸變或者非線性漸變修改。

針對(duì)區(qū)地不同需求，可實(shí)現(xiàn)圖表結(jié)合方式的編輯功能。能夠?qū)崿F(xiàn)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的編輯制作。

四、結(jié)論

主要介紹了依托智慧氣象公共服務(wù)惠民系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)，在構(gòu)建精細(xì)化預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)值模式產(chǎn)品釋用和數(shù)據(jù)產(chǎn)品交互式訂正等功能時(shí)采用技術(shù)方法，并對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用效果進(jìn)行了展示。通過(guò)對(duì)各類氣象實(shí)況、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行集合分析處理，進(jìn)一步提升了資源利用率，簡(jiǎn)化了業(yè)務(wù)人員的工作流程，提高工作效率。