地市級災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周運麗

摘? 要：針對目前氣象業(yè)務(wù)對突發(fā)災(zāi)害性天氣監(jiān)測與預(yù)警的需要，探索研發(fā)了以CIMISS平臺為數(shù)據(jù)源的災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警平臺，該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測災(zāi)害性天氣的發(fā)生和發(fā)展情況，有助于提高防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)的能力。本文從系統(tǒng)設(shè)計、功能設(shè)計、運行情況等方面進行了簡要介紹。

關(guān)鍵詞：災(zāi)害天氣;CIMISS;監(jiān)測;預(yù)警

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： In response to current meteorological needs of monitoring and early warning of severe and catastrophic weather， we have explored and developed a catastrophic weather monitoring and early warning platform using the CIMISS （China Integrated Meteorological Information Sharing System） platform as a data source. This system enables real-time monitoring of occurrence and development of severe weather， which is helpful for disaster prevention and mitigation services. This article briefly introduces the aspects of system design， function design， and operation.

Keywords： severe weather; CIMISS; monitor; early warning system

1? ?引言（Introduction）

近年來災(zāi)害性天氣頻發(fā)，對社會生產(chǎn)、人類活動和生命財產(chǎn)造成的危害極大[1]。由于短時強降水、大風等天氣具有很強的突發(fā)性，且時空分布不均勻，很容易造成災(zāi)害，而預(yù)報難度大，監(jiān)測發(fā)布的時效要求高，需要快速將災(zāi)害性天氣實況信息上報，作出準確的監(jiān)測跟蹤服務(wù)是基層臺站氣象業(yè)務(wù)人員所面臨的實際問題，同時也是防災(zāi)減災(zāi)工作關(guān)注的重點。

本文介紹的系統(tǒng)是在全國綜合氣象信息共享系統(tǒng)（CIMISS）的基礎(chǔ)上進行研發(fā)。CIMISS實現(xiàn)規(guī)范各類氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、規(guī)范、高效管理，為各級應(yīng)用系統(tǒng)提供了唯一權(quán)威的數(shù)據(jù)接入服務(wù)。

2? ?系統(tǒng)設(shè)計（System design）

2.1? ?總體需求

山西省運城市位于山西省南端，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，氣候的基本特點是：冬季干燥寒冷，夏季炎熱多雨，春季干燥多風，秋季涼爽連陰。影響我市的主要氣象災(zāi)害有：干旱、陰雨、霜凍、大風、冰雹、干熱風等[2]。常常給運城地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們的生命與財產(chǎn)造成嚴重損失。因此建設(shè)通用型災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警平臺的目的就是為提高氣象部門災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警能力，同時也是提升服務(wù)水平的重要手段和必然要求。

2.2? ?系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)包括災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)頁版與災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警微信端兩個主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警微信端是基于運城微氣象微信公眾號訪問內(nèi)部Web應(yīng)用獲取災(zāi)害性天氣詳細信息，災(zāi)害性天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是以Web方式訪問，界面直觀，可適應(yīng)于局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)及遠程操作。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是通過統(tǒng)一的API接口對接省級CIMISS[3];系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用Sqlserver2008;Web應(yīng)用服務(wù)器使用Apache Tomcat;Web前端使用HTML+JAVASCRIPT實現(xiàn);模塊和部署應(yīng)用使用JAVA語言編程實現(xiàn)[4]。

3? ?功能設(shè)計（Feature design）

3.1? ?災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)頁版

災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測識別災(zāi)害性天氣和自動整理分析氣象災(zāi)害發(fā)生發(fā)展的相關(guān)信息，及時將災(zāi)害性天氣實況信息上報領(lǐng)導和相關(guān)業(yè)務(wù)人員以供參考[5]，災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)如圖2所示。

（1）閾值管理

系統(tǒng)識別判斷各種災(zāi)害性天氣發(fā)生、發(fā)展直到結(jié)束的閾值監(jiān)測，閾值大小可以通過后臺進行修改。警報閾值大小的設(shè)置直接影響系統(tǒng)服務(wù)的效果，不宜太低也不宜過高[6]。該系統(tǒng)的警報規(guī)則主要參考了災(zāi)害性天氣預(yù)警發(fā)布標準，再根據(jù)地域特點、留有提前預(yù)知量等進行完善和優(yōu)化，最后得到最佳的警報閾值、系統(tǒng)掃描時間間隔、警報的時間間隔以及警報信息模板等。

（2）數(shù)據(jù)完整性監(jiān)控

一方面由于該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)完整性要求比較高，區(qū)域氣象站地處偏遠，站點較多，維修人員對數(shù)據(jù)缺測發(fā)現(xiàn)不及時，因此必須對其數(shù)據(jù)完整性進行監(jiān)控。另一方面可以減輕值班人員的監(jiān)測工作壓力，一旦缺測時次數(shù)達到設(shè)定的閾值且當前時次該站點沒有數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動對維修人員發(fā)出該站點的維護維修信息提醒。

（3）實時監(jiān)測、展示

目前選取運城市易發(fā)的十幾種氣象災(zāi)害性天氣，包括短時強降水、高溫、寒潮、連陰雨、冰雹、霜凍、大霧、大風、干旱、暴雪等，后期可以根據(jù)情況進行增加或修改。該版塊利用從CIMISS里獲取氣象觀測資料，實現(xiàn)了災(zāi)害性天氣即將發(fā)生到整個過程結(jié)束，實時監(jiān)測顯示災(zāi)害發(fā)生的時間、地點、過程強度數(shù)值變化、分析圖等，在地圖上直觀的展示出來[7]。

（4）歷史資料查詢

歷史資料查詢分為災(zāi)害天氣資料查詢和氣象數(shù)據(jù)查詢。其中災(zāi)害天氣資料查詢中可以查詢發(fā)生過的災(zāi)害天氣過程，并且能夠詳細的看某一次的災(zāi)害天氣資料。氣象數(shù)據(jù)查詢可以通過時間、氣象要素、站點對相關(guān)氣象數(shù)據(jù)進行查詢，并以excel表形式將數(shù)據(jù)導出，以彌補資料查找不方便、不完整的缺陷，為各種災(zāi)害性天氣的預(yù)報預(yù)警提供數(shù)據(jù)保障。

3.2? ?災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警微信端

由于災(zāi)害性天氣的突發(fā)性，相關(guān)部門的專家和決策領(lǐng)導等除非正好在崗，否則都無法正?？焖仝s到，只能依靠手機來了解和指揮防災(zāi)減災(zāi)工作。本系統(tǒng)通過運城微氣象（微信公眾號）對災(zāi)害性天氣實況進行描述后以模板消息方式將其發(fā)送并已WEBGIS方式詳細展現(xiàn)當前實況災(zāi)情信息，使用戶可以借助智能手機，在任何地方獲得詳細的災(zāi)害性天氣相關(guān)信息。除此之外，除氣象部門外多部門聯(lián)動的加強，氣象專業(yè)服務(wù)定制化，專項化的需求更加強烈，該系統(tǒng)可以針對不同的用戶，設(shè)立不同級別的閾值，建立不同用戶的模板，滿足不同用戶的需求，災(zāi)害性天氣手機微信截圖如圖3所示。

4? ?關(guān)鍵技術(shù)（Key technology）

4.1? ?災(zāi)害性天氣多要素疊加查詢監(jiān)測功能

一般來說，部分災(zāi)害性天氣的識別判斷不能只簡單監(jiān)測一種天氣要素，有時需要同時對多種要素進行疊加分析來判斷。比如干熱風，需要同時滿足四個條件：一是5月中下旬至6月上旬;二是14時風速>=3m/s;三是最小相對濕度<=30%;四是日最高氣溫>=30℃。系統(tǒng)會在5月中下旬至6月上旬這個時間段內(nèi)，每天定時監(jiān)測，一一匹配各項要素能否滿足條件。

4.2? ?災(zāi)害性天氣歷史資料檢索功能

結(jié)合CIMISS底層數(shù)據(jù)接口各項定義，讓用戶能夠按照地區(qū)、時間段、多種氣象要素等從CIMISS庫中檢索出歷史數(shù)據(jù)，并提供檢索結(jié)果文檔導出下載功能[8]。

4.3? ?定時器—任務(wù)調(diào)度技術(shù)

引入Quartz-定時任務(wù)調(diào)度框架，Quartz采用了基于多線程的架構(gòu)，這樣就使Quartz可以同時并發(fā)執(zhí)行成千上萬個任務(wù)。并且Quartz依賴一套松耦合的線程池來管理線程環(huán)境。有效確保各種災(zāi)害性天氣能夠定時完成監(jiān)測識別。

5? ?系統(tǒng)應(yīng)用（System applications）

目前，該系統(tǒng)在山西省運城市氣象局投入業(yè)務(wù)試運行，效果良好。下面以其中的一次大霧過程舉例說明。氣象上定義小于1000米為霧，小于500米為大霧，小于200米為濃霧。大霧、濃霧可使人的視野模糊，容易引發(fā)交通事故、產(chǎn)生空氣污染，直接危害人體健康、影響農(nóng)作物產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。閾值考慮到要有提前量，所以設(shè)為從1000米開始發(fā)出惡劣天氣預(yù)警，使業(yè)務(wù)人員及決策領(lǐng)導有時間上的緩沖和思想上的準備?？紤]到災(zāi)害數(shù)據(jù)的及時性對氣象自動站設(shè)置查詢時間為10分鐘，為了避免推送消息過多，按照當數(shù)值增大時微信消息推送給有關(guān)人員，但是相關(guān)數(shù)值和相關(guān)圖標仍然按照10分鐘去記錄。2020年3月1日6個站發(fā)生大霧天氣，其中以稷山站為例從4時起到10時結(jié)束，系統(tǒng)共查詢了420多條符合閾值記錄，推送消息10余次，全程播報了這次大霧過程。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

本系統(tǒng)以新媒體為載體，設(shè)計出一個集約化的災(zāi)害天氣預(yù)警系統(tǒng)，能夠監(jiān)測多項突發(fā)災(zāi)害天氣的發(fā)展過程，并直接向各類用戶提供定制化的實時災(zāi)害性天氣信息服務(wù)，使用戶能夠隨時隨地通過手機或電腦了解災(zāi)害性天氣的發(fā)生和發(fā)展詳細情況，滿足防災(zāi)減災(zāi)的需求。目前災(zāi)害天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是針對山西省運城市進行的設(shè)計，具有本地特色的災(zāi)害性天氣監(jiān)控，但由于是在CIMISS的基礎(chǔ)上進行的二次開發(fā)，所以可以通過后臺的修改同時適用于其他地市。不過本系統(tǒng)是實時監(jiān)測，雖然有一定的提前量但是不具備預(yù)測功能，這是今后值得研究的方向。

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