基于Surfer平臺(tái)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品制作

王忠云，高 娜，姜茹茵，王 冰

(1.山東省萊州市氣象局，山東 煙臺(tái) 261400；2.山東省煙臺(tái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)氣象局， 山東 煙臺(tái) 264006；3.山東省煙臺(tái)市氣象局，山東 煙臺(tái) 264003)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)氣象服務(wù)的需求越來(lái)越多樣化，對(duì)氣象服務(wù)產(chǎn)品的精細(xì)化程度要求也越來(lái)越高,精細(xì)化的服務(wù)產(chǎn)品可提供更高效的公眾及決策服務(wù)?；鶎託庀笈_(tái)站是氣象防災(zāi)減災(zāi)的第一線，突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警服務(wù)責(zé)任重大，鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化的預(yù)警服務(wù)可為基層政府提出災(zāi)害應(yīng)急防御，有效減少人員傷亡和災(zāi)害損失，有很多研究人員已開展精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的氣象預(yù)報(bào)技術(shù)研究[1-7]，快速制作精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品是提高服務(wù)能力的有效途徑。當(dāng)前氣象上常用的制圖軟件有Grads、NCL、MeteoInfo、Matlab等，上述作圖軟件雖然處理數(shù)據(jù)功能強(qiáng)大, 但是需要有一定編程基礎(chǔ)，難以在基層臺(tái)站推廣使用。MICAPS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單制圖，但出圖質(zhì)量不高、不能同時(shí)滿足數(shù)據(jù)處理的需要。Surfer是美國(guó)Golden Software公司編制的一款畫三維圖的軟件，具有的強(qiáng)大插值功能和繪制圖件能力，可輕松制作基面圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、分類數(shù)據(jù)圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢(shì)圖、矢量圖以及三維表面圖等，軟件提供12種當(dāng)前流行的數(shù)據(jù)計(jì)算方法，提供各種圖形圖像文件格式以及輸入輸出，方便了文件和數(shù)據(jù)的交換。當(dāng)前有不少氣象學(xué)者使Surfer軟件進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)分析和研究[8-13]，取得了很好的效果，本文就該軟件在鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品制作進(jìn)行討論，試圖明確該軟件在鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品制作的流程，期待結(jié)果能夠提高基層氣象部門服務(wù)能力[14]和決策服務(wù)水平[15-19]。本文利用Surfer15版本對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品進(jìn)行演示制作。

1 基本思路

精細(xì)化的圖形服務(wù)產(chǎn)品，可精準(zhǔn)表述氣象災(zāi)害的強(qiáng)度、落區(qū)、影響范圍等要素，讓鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象防災(zāi)減災(zāi)更加清晰，有針對(duì)性。鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)預(yù)報(bào)已逐步開展，如何將氣象數(shù)據(jù)融入到衛(wèi)星遙感影像、地形高程、交通地圖等GIS影像中是值得思考的問(wèn)題，解決上述問(wèn)題可以制作出更加清晰、直觀、專業(yè)、特色的氣象服務(wù)產(chǎn)品[20-21]，廣泛用于決策服務(wù)、專業(yè)服務(wù)、科研論文等(圖1)，一個(gè)好的平臺(tái)方便數(shù)據(jù)交換，可以整體提升基層氣象科技水平。

圖1 產(chǎn)品制作框架Fig.1 Product fabrication framework

2 基本流程

Surfer軟件能夠接受多種文件格式的數(shù)據(jù)，兼容性好，作為產(chǎn)品制作平臺(tái)有良好的基礎(chǔ)。將氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行格式標(biāo)準(zhǔn)化后，通過(guò)Surfer進(jìn)行網(wǎng)格化計(jì)算，再使用地理信息文件對(duì)網(wǎng)格文件白化，最后加載矢量數(shù)據(jù)、地形高程、衛(wèi)星影像等不同的數(shù)據(jù)后，對(duì)各種數(shù)據(jù)組合變換、編輯美化，制作出各種精細(xì)化的氣象服務(wù)產(chǎn)品。具體過(guò)程可參照流程示意圖(圖2)，不同的產(chǎn)品制作過(guò)程略有差別。

圖2 產(chǎn)品制作流程Fig.2 Production process

3 制圖準(zhǔn)備

基底圖文件是制圖基礎(chǔ)，在Surfer中，底圖文件可采用kml、bln等多種地理信息文件，也可使用tif、bmp、jpg等圖像格式，其中tif格式的圖像攜帶經(jīng)緯度信息，無(wú)需進(jìn)行地理配準(zhǔn)。其余大部分圖像格式不包含GIS信息，需要進(jìn)行地理配準(zhǔn)。kml文件是谷歌公司創(chuàng)建的一種地理信息文件，用于描述和保存時(shí)間、地點(diǎn)、經(jīng)緯度、海拔高度等軌跡參數(shù)，可作為基底圖文件首選。交通地圖、衛(wèi)星遙感影像、地形高程等圖像做為基底圖，能夠讓氣象服務(wù)產(chǎn)品豐富內(nèi)涵，氣象數(shù)據(jù)與遙感、地理數(shù)據(jù)的結(jié)合，可以更好的對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)的分析提供參考。制圖過(guò)程需要用到天氣現(xiàn)象符號(hào)庫(kù)進(jìn)行標(biāo)注，比如風(fēng)速、天氣現(xiàn)象等，可以自行收集備用。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)文件

本文全部采用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行圖文處理。數(shù)據(jù)格式采用XYZ三列式結(jié)構(gòu)，其中X、Y為經(jīng)緯度，采用十進(jìn)制，Z列為氣象數(shù)據(jù)，文件格式為xls、dat、txt均可，Excel格式便于數(shù)據(jù)編輯，可優(yōu)先考慮。數(shù)據(jù)文件中可使用多列Z值(Z1、Z2、Z3…)，用于不同氣象要素值，其中Z值數(shù)據(jù)格式采用數(shù)值型、文本型均可，文本型數(shù)據(jù)格式僅能用于標(biāo)注，不能用于網(wǎng)格計(jì)算，數(shù)值型數(shù)據(jù)既可以用于標(biāo)注，也可以進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算。

4.2 網(wǎng)格化計(jì)算

數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是Surfer最基礎(chǔ)的應(yīng)用，就是從XYZ數(shù)據(jù)文件創(chuàng)建一個(gè)基于網(wǎng)格的各類圖形。自Surfer11版本開始，可提供12 種基本算法，常用的主要是反距離加權(quán)插值法和克里金插值法兩種。選擇網(wǎng)格化算法，要根據(jù)客觀環(huán)境特征及自身數(shù)據(jù)特點(diǎn)，特別是考量樣品數(shù)及采樣網(wǎng)格規(guī)則程度這兩個(gè)指標(biāo)，來(lái)選擇最合適的網(wǎng)格化算法。打開XYZ數(shù)據(jù)文件，選取網(wǎng)格算法及幾何范圍，然后生成網(wǎng)格grd文件。從新建等值線圖打開grd文件，即可將網(wǎng)格文件自動(dòng)顯示為等值線。

4.3 白化

白化的目的就是讓網(wǎng)格數(shù)據(jù)與多邊型邊界文件一致，剪除多余數(shù)據(jù)，讓圖像更加清晰、簡(jiǎn)潔。白化需要用到兩個(gè)文件，即grd網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件和多邊型邊界文件，邊界文件采用kml、bln、shp格式均可，進(jìn)行外部白化后(圖3)，即可生成新的等值線。

4.4 后期處理

根據(jù)白化后的格點(diǎn)文件，使用圖形工具中的“按坐標(biāo)疊加圖形”功能，實(shí)現(xiàn)基底圖、等值線圖、散點(diǎn)圖等各種數(shù)據(jù)的疊加組合。再根據(jù)需要，對(duì)圖形進(jìn)行外框線、標(biāo)注字體、線條樣式、圖例、比例尺、經(jīng)緯網(wǎng)、斷面等各種要素的編輯添加，可制作出各種圖形產(chǎn)品。將各圖層保存為srf場(chǎng)景文件，后期使用過(guò)程中，僅對(duì)數(shù)據(jù)文件(xls)的Z值數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，然后在Surfer中‘重載圖形數(shù)據(jù)’即可完成數(shù)據(jù)更新，然后導(dǎo)出圖像。

圖3 網(wǎng)格數(shù)據(jù)白化設(shè)置Fig.3 Grid data whitening Settings

5 產(chǎn)品制作示例

5.1 綜合預(yù)報(bào)

借鑒MICAPS3.0地面綜合填圖模式，使用Surfer可以實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)的綜合預(yù)報(bào)(圖4)，利用多種數(shù)據(jù)疊加，組合顯示最高氣溫、最低氣溫、降水、風(fēng)向風(fēng)力預(yù)報(bào)結(jié)果，可以減少圖像數(shù)量，給公眾節(jié)省閱讀時(shí)間。其中風(fēng)力等級(jí)符號(hào)的顯示，通過(guò)添加分類散點(diǎn)圖，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力符號(hào)的自動(dòng)更新與分級(jí)。

5.2 等值線圖

等值線制作是Surfer最常用的工具之一，直接打開數(shù)據(jù)網(wǎng)格化計(jì)算后的格點(diǎn)文件，即可顯示等值線條，經(jīng)過(guò)編輯加工后，可顯示降水、氣溫、風(fēng)力等要素的等值線預(yù)報(bào)圖。

圖4 萊州市24 h綜合預(yù)報(bào)示意圖Fig.4 Schematic diagram of comprehensive forecast

5.3 格點(diǎn)圖

格點(diǎn)圖是grd網(wǎng)格文件的直觀顯示，可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)定點(diǎn)預(yù)報(bào)，便于查看同緯度或同經(jīng)度預(yù)報(bào)要素分布情況(圖5)，網(wǎng)格大小、密度可以任意調(diào)整。

圖5 氣溫格點(diǎn)預(yù)報(bào)示意圖Fig.5 Schematic diagram of temperature grid forecast

5.4 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品

氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警主要指暴雨誘發(fā)的中小河流洪水、山洪和地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。制作圖形產(chǎn)品是氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的業(yè)務(wù)需要，也是必然趨勢(shì)。基于萊州市DEM高程數(shù)據(jù)，顯示中小河流(小沽河)流域在萊州市區(qū)域位置及流域面積，在此基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)圖層進(jìn)行編輯。

圖6 氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警示意圖Fig.6 Schematic diagram of meteorological risk warning

5.5 短臨預(yù)警產(chǎn)品

對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷雨大風(fēng)等短臨預(yù)警產(chǎn)品的制作，可以借助圖形編輯功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣區(qū)的圖形及符號(hào)顯示；也可以根據(jù)天氣類型特點(diǎn)，對(duì)災(zāi)害性天氣進(jìn)行級(jí)別分類，再進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算，利用等值線顯示天氣區(qū)域。以一次冰雹天氣過(guò)程為例進(jìn)行演示，在天氣過(guò)程中通常包含陣雨、雷暴、冰雹等幾種現(xiàn)象，根據(jù)對(duì)流的強(qiáng)弱，可以分別賦予不同的Z值(表1)，便于進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)格計(jì)算。根據(jù)Z值進(jìn)行網(wǎng)格化計(jì)算，計(jì)算方法應(yīng)采用最小曲率法，可以讓線條更加圓滑，然后進(jìn)行白化，再使用網(wǎng)格編輯器功能對(duì)等值線進(jìn)行修正。通過(guò)等值線屬性設(shè)置顯示陣雨區(qū)、雷暴區(qū)、冰雹區(qū)，再進(jìn)行填色美化，可得到最終產(chǎn)品。

表1 天氣區(qū)與Z值對(duì)應(yīng)表Tab.1 Corresponding table of weather zone and Z value

5.6 實(shí)況分析

在各種影像圖(三維影像、地形高程、交通地圖、衛(wèi)星影像)中疊加降水量等值線(圖7)，可以觀察地形地貌與降水存關(guān)的關(guān)聯(lián)，便于積累預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和分析地方性小氣候，特別是對(duì)分析局地性天氣有很好的輔助作用。

6 結(jié)論

①Surfer軟件操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、成圖速度快，通過(guò)短時(shí)間學(xué)習(xí)就可以做出精美氣象服務(wù)產(chǎn)品，適合在基層臺(tái)站推廣使用。多樣化的氣象服務(wù)產(chǎn)品，使決策氣象服務(wù)材料更加美觀、實(shí)用，讓氣象服務(wù)水平更上一個(gè)臺(tái)階。具有強(qiáng)大的插值功能和繪制圖件能力，可以解決不同狀況氣象要素插值計(jì)算問(wèn)題。

②Surfer與當(dāng)前流行的GIS軟件文件格式通用性好，配合使用可實(shí)現(xiàn)專業(yè)性更強(qiáng)的服務(wù)產(chǎn)品制作，可以隨時(shí)融入最新數(shù)據(jù)處理技術(shù)和圖像文件格式，擴(kuò)展性好。

③將氣象數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行網(wǎng)格化計(jì)算，再使用地理信息文件對(duì)網(wǎng)格文件白化，最后加載矢量數(shù)據(jù)、地形高程、衛(wèi)星影像等不同的影像數(shù)據(jù)后，對(duì)各數(shù)據(jù)組合變換、編輯美化，可制作出各種精細(xì)化的鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象服務(wù)產(chǎn)品。

④使用Surfer平臺(tái)，利用多種數(shù)據(jù)疊加，能夠綜合顯示最高氣溫、最低氣溫、降水、風(fēng)向風(fēng)力預(yù)報(bào)結(jié)果，減少圖像數(shù)量，節(jié)省閱讀時(shí)間。

⑤對(duì)于短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷雨大風(fēng)等短臨預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品的制作，可以根據(jù)天氣類型特點(diǎn)，對(duì)災(zāi)害性天氣進(jìn)行級(jí)別分類，再進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算，利用等值線顯示天氣區(qū)域。計(jì)算方法應(yīng)采用最小曲率法，然后進(jìn)行白化，再使用網(wǎng)格編輯器功能對(duì)等值線進(jìn)行修正。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品的分級(jí)分類顯示。

⑥支持多種影像圖疊加，便于基層業(yè)務(wù)人員積累經(jīng)驗(yàn)，更好地了解、掌握地方性小氣候，也適用于針對(duì)不同行業(yè)開展的專業(yè)氣象服務(wù)產(chǎn)品制作。充分表明，利用 Surfer平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)快速豐富制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品，節(jié)省了自行開發(fā)、維護(hù)平臺(tái)費(fèi)用。

圖7 降水量等值線圖(a.三維影像，b.地形高程，c.交通地圖，d.衛(wèi)星影像)Fig.7 Precipitation contour map (a.3d image, b.Topographic elevation, c.Traffic map, d.Satellite image)