基于SMS的氣象災(zāi)害短時(shí)臨近自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜小云，吳 俞，張永莉

(1.海南省氣象探測(cè)中心，?？?570203； 2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?5702033.海南省氣象臺(tái)，海口 570203； 4.成都信息工程大學(xué)，成都 610225)

0 引言

目前災(zāi)害性天氣現(xiàn)象頻發(fā)，我國(guó)境內(nèi)的氣象災(zāi)害主要有暴雨、冰雹、龍卷、颮線、雷雨大風(fēng)等中小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)。這些氣象災(zāi)害具有局地性強(qiáng)、歷時(shí)短、來(lái)勢(shì)猛、破壞性大等一些特點(diǎn)，并且往往威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全, 經(jīng)常造成國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失。因此預(yù)警信息發(fā)布的時(shí)效要求很高, 需要在第一時(shí)間內(nèi)將預(yù)警信息傳達(dá)到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和災(zāi)害天氣即將發(fā)生的地區(qū)范圍的群眾手中, 以便及時(shí)防范和應(yīng)對(duì)，盡量減少災(zāi)害造成的損失。

隨著手機(jī)短信在天氣預(yù)報(bào)和氣象預(yù)警信息發(fā)布中的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的氣象科技工作者開(kāi)發(fā)了許多基于短信的氣象預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。 如羅保華,童以長(zhǎng),張深壽等人對(duì)地市級(jí)氣象災(zāi)害短信預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了探討[1]，提出了地市級(jí)氣象災(zāi)害短信預(yù)警的方法和思路。王赟,段燕楠,姚愚等人對(duì)基于WebService的氣象預(yù)警短信發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討[2], 提出了基于WebService技術(shù)直接接入電信短信網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了氣象預(yù)警信息的高效發(fā)布，提高了氣象服務(wù)的整體質(zhì)量和效率。徐瓊芳,聶菊榮,馮海旭等人提出了基于微信平臺(tái)的氣象預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)[3]。姜小云等人對(duì)新一代天氣雷達(dá)的運(yùn)行監(jiān)控和報(bào)警等進(jìn)行了探討[5-7]。鄒書(shū)平等對(duì)建立氣象決策短信服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行探討[8-10]。本文針對(duì)目前已經(jīng)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的各種氣象探測(cè)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并根據(jù)災(zāi)害性天氣發(fā)生時(shí)氣象數(shù)據(jù)達(dá)到的閾值通過(guò)手機(jī)短信平臺(tái)發(fā)送到各級(jí)氣象預(yù)報(bào)服務(wù)業(yè)務(wù)人員手機(jī)，以便其在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步分析和處理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，本氣象災(zāi)害短時(shí)臨近自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)主要?dú)庀笥^測(cè)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體包括了新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)、國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站觀測(cè)系統(tǒng)、山洪防治氣象觀測(cè)系統(tǒng)、區(qū)域自動(dòng)氣象站觀測(cè)系統(tǒng)和土壤水分自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備。其中，新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)預(yù)警包括雷達(dá)設(shè)備故障監(jiān)控預(yù)警、雷電預(yù)警、冰雹預(yù)警和龍卷預(yù)警。預(yù)警指標(biāo)為當(dāng)天氣雷達(dá)反射率因子達(dá)到45 dBZ以上或組合反射率因子達(dá)到50 dBZ以上時(shí)立即自動(dòng)發(fā)布雷電預(yù)警給短息平臺(tái)，再由短信平臺(tái)發(fā)送給相關(guān)各級(jí)氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)服務(wù)人員。國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站系統(tǒng)預(yù)警主要有高溫預(yù)警、大風(fēng)預(yù)警、大霧預(yù)警和暴雨預(yù)警等。山洪防治氣象站主要監(jiān)控其降水量。當(dāng)降水量達(dá)到可能誘發(fā)山洪災(zāi)害的閾值指標(biāo)時(shí)立即發(fā)送預(yù)警信息到短信平臺(tái)，再由短信平臺(tái)發(fā)送給相關(guān)各級(jí)氣象決策部門(mén)，以便第一時(shí)間進(jìn)行災(zāi)害防御處置工作。土壤水分自動(dòng)觀測(cè)站系統(tǒng)主要為干旱預(yù)警。當(dāng)土壤水分自動(dòng)觀測(cè)站系統(tǒng)觀測(cè)的體積含水量達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)時(shí)候立即發(fā)送干旱預(yù)警信息到短信平臺(tái)，再由短信平臺(tái)發(fā)送給相關(guān)各級(jí)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)部門(mén)，以便第一時(shí)間進(jìn)行氣象為農(nóng)服務(wù)工作。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 新一代天氣雷達(dá)監(jiān)控預(yù)警

2.1.1 雷達(dá)回波強(qiáng)度預(yù)警值目標(biāo)位置搜索

根據(jù)本地災(zāi)害性天氣在新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)資料中顯示的特征和預(yù)報(bào)預(yù)警經(jīng)驗(yàn)，可以選擇一些新一代天氣雷達(dá)回

波預(yù)警閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)實(shí)時(shí)觀測(cè)資料達(dá)到某些閾值時(shí)立即自動(dòng)發(fā)布相應(yīng)級(jí)別的氣象災(zāi)害預(yù)警信息短信給相關(guān)業(yè)務(wù)人員手機(jī)，以便提醒其進(jìn)一步確認(rèn)和轉(zhuǎn)發(fā)給上級(jí)預(yù)警發(fā)布中心，從而實(shí)現(xiàn)全社會(huì)的氣象災(zāi)害突發(fā)事件及時(shí)預(yù)警。例如，選取當(dāng)基本反射率因子達(dá)到45 dBZ以上時(shí)發(fā)布相應(yīng)級(jí)別的雷電預(yù)警，當(dāng)新一代天氣雷達(dá)垂直液態(tài)含水量(VIL)達(dá)到50時(shí)可以發(fā)布冰雹等災(zāi)害性天氣短時(shí)臨近預(yù)警。圖2為新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)到的一張基本反射率因子回波圖，圖中，在昌江和萬(wàn)寧出現(xiàn)反射率因子大于45 dBZ的地方，那么本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)發(fā)布預(yù)警短信給相關(guān)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)人員。

圖2 ?？谛乱淮鞖饫走_(dá)反射率回波圖(觀測(cè)時(shí)間：2016年5月25日15時(shí)34分)

新一代天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度預(yù)警值目標(biāo)位置搜索的方法是方塊區(qū)域數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均，如圖3所示，從新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件解碼獲得的反射率因子數(shù)據(jù)中當(dāng)沒(méi)有探測(cè)到目標(biāo)時(shí)數(shù)據(jù)解碼為-33 dBZ，根據(jù)新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)產(chǎn)品物理量的連續(xù)性，某一塊回波最大值一般會(huì)出現(xiàn)在回波中心位置，那么當(dāng)搜索到最大值大于預(yù)警閾值時(shí)，還需計(jì)算以最大值為中心上下左右各偏離一定范圍的區(qū)域平均值，當(dāng)該平均值也大于預(yù)警值閾值時(shí)即將發(fā)布?xì)庀鬄?zāi)害預(yù)警信息。在圖3中，行表示新一代天氣雷達(dá)掃描的方位角，列表示新一代天氣雷達(dá)掃描的距離庫(kù)。

圖3 新一代天氣雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)

2.1.2 回波極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地理經(jīng)緯度

當(dāng)識(shí)別出雷電等災(zāi)害級(jí)別的雷達(dá)回波并記錄其坐標(biāo)位置，在新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件里，坐標(biāo)是極坐標(biāo)形式，所以還得把極坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)換為地理經(jīng)緯度坐標(biāo)，從而可以通過(guò)下一步的處理得出其行政區(qū)劃位置以便通過(guò)SMS短信把災(zāi)害天氣出現(xiàn)的地區(qū)等信息發(fā)送給相關(guān)各級(jí)業(yè)務(wù)值班人員手機(jī)里。那么，已知新一代天氣雷達(dá)站的經(jīng)緯度以及災(zāi)害天氣出現(xiàn)地區(qū)的距離和方位角，可以計(jì)算出該位置的經(jīng)緯度信息。

本文假設(shè)A為新一代天氣雷達(dá)站的位置，B為出現(xiàn)的災(zāi)害性天氣的目標(biāo)位置。那么，Aj為A點(diǎn)經(jīng)度，Aw為A點(diǎn)緯度，Bj為B點(diǎn)經(jīng)度，Bw為B點(diǎn)緯度。設(shè)定北緯為正，南緯為負(fù)，東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)。經(jīng)緯度單位使用度，如果是度分秒為單位的經(jīng)緯度要轉(zhuǎn)換成以度為單位的經(jīng)緯度信息。角度單位統(tǒng)一采用角度值，不是弧度值，以避免出錯(cuò)。R為地球平均半徑，Az為方位角，以真北為0度起點(diǎn)，由東向南向西順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正值，如旋轉(zhuǎn)了30度，那Az等于30度。

如圖4所示，A、B和C為地球表面上3個(gè)位置點(diǎn)，O為地球中心點(diǎn)，Lab為A和B的球面距離，a、b和c分別為角BOC、角AOC和角AOB。由于新一代天氣雷達(dá)站的經(jīng)緯度在新建雷達(dá)站時(shí)由測(cè)繪部門(mén)實(shí)地測(cè)量獲得準(zhǔn)確的經(jīng)緯度信息，那么Aj和Aw就是已知的。雷達(dá)探測(cè)到的災(zāi)害天氣位置極坐標(biāo)也是已知的，即，災(zāi)害性天氣回波離新一代天氣雷達(dá)站的距離Lab和方位也是已知的，查找有關(guān)文獻(xiàn)地球平均半徑R等于6 371.004公里。

圖4 極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度計(jì)算示意圖

首先計(jì)算角度c，如公式(1)：

c=(L/R)×(180/π)

(1)

再求解角度a，將已知量代入公式(2)：

a=arcos(cos(90-Aw)×cos(c)+sin(90-Aw)×

sin(c)×cos(Az)

(2)

最后根據(jù)公式(3)求解C：

C=arcsin(sin(c)×sin(Az)/sin(a))

(3)

那么，災(zāi)害性天氣的目標(biāo)位置B的經(jīng)度Bj等于Aj+C，緯度Bw等于90-a。

2.1.3 回波經(jīng)緯度解析成行政區(qū)劃地名

圖5是根據(jù)百度地圖地理信息系統(tǒng)API函數(shù)所做的應(yīng)用軟件，它可以批量將經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的行政區(qū)劃地名。該軟件自動(dòng)讀取上一節(jié)所述的新一代天氣雷達(dá)探測(cè)到的災(zāi)害性天氣目標(biāo)位置的經(jīng)緯度信息文件，然后自動(dòng)批處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的行政區(qū)劃地名并保存為地名信息文件，以便下一步將氣象災(zāi)害信息通過(guò)短信平臺(tái)自動(dòng)發(fā)布給相應(yīng)行政地區(qū)的各級(jí)氣象業(yè)務(wù)人員。

圖5 經(jīng)緯度解析成地名軟件界面 圖6 新一代天氣雷達(dá)故障監(jiān)控軟件界面

2.1.4 雷達(dá)故障監(jiān)控

由于新一代天氣雷達(dá)全天候24小時(shí)不間斷運(yùn)行，本文實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控程序?qū)崟r(shí)監(jiān)視新一代天氣雷達(dá)主程序工作目錄下是否有告警文件生成或修改，如有則讀取該告警文件，提取出故障內(nèi)容代碼，并從故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)中找到與故障代碼相匹配的故障內(nèi)容實(shí)時(shí)發(fā)送到短信平臺(tái)程序，從而將故障告警信息第一時(shí)間內(nèi)發(fā)送給相關(guān)業(yè)務(wù)人員，以便迅速搶修雷達(dá)故障[11]。

2.2 國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站監(jiān)控預(yù)警

根據(jù)國(guó)家地面氣象觀測(cè)規(guī)范[8]，國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站是對(duì)地球表面一定范圍內(nèi)的氣象狀況及其變化過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測(cè)定，為天氣預(yù)報(bào)、氣象情報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要的依據(jù)。目前，國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象觀測(cè)站能自動(dòng)測(cè)量的要素有云、能見(jiàn)度、氣壓、空氣的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、太陽(yáng)輻射、蒸發(fā)、地面溫度和雪深等項(xiàng)目。圖7為自動(dòng)監(jiān)控到國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站高溫、暴雨災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，同時(shí)將這些報(bào)警信息通過(guò)短信平臺(tái)及時(shí)發(fā)送到各級(jí)相關(guān)氣象業(yè)務(wù)人員手機(jī)里，以便業(yè)務(wù)人員及時(shí)發(fā)布相應(yīng)預(yù)警信息。其中報(bào)警級(jí)別根據(jù)中國(guó)氣象局有關(guān)文件定義。本系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 自動(dòng)站實(shí)況監(jiān)測(cè)自動(dòng)預(yù)警軟件界面

2.3 山洪防治氣象站監(jiān)控預(yù)警

山洪災(zāi)害是由于山洪暴發(fā)而所帶來(lái)的危害。山洪災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、危害大，已經(jīng)成為我國(guó)當(dāng)前防災(zāi)減災(zāi)工作中的突出問(wèn)題。暴雨是誘發(fā)山洪發(fā)生的主要因素，這些系統(tǒng)多為中小尺度強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)。山洪防治氣象站主要是數(shù)量眾多的單雨量站。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到有暴雨級(jí)別的降雨時(shí)立即發(fā)布預(yù)警信息給各級(jí)氣象業(yè)務(wù)人員手機(jī)里，以便業(yè)務(wù)人員立即處置，并編發(fā)相應(yīng)預(yù)警信息發(fā)布給各級(jí)決策部門(mén)。

2.4 區(qū)域自動(dòng)氣象站監(jiān)控預(yù)警

區(qū)域自動(dòng)氣象站的大規(guī)模建設(shè)對(duì)提高我國(guó)地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)水平及區(qū)域性災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)能力具有重要作用。區(qū)域自動(dòng)氣象站是國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站的重要補(bǔ)充，大大加密了氣象觀測(cè)空間范圍?？梢詿o(wú)縫隙監(jiān)測(cè)災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束。如圖7所示，區(qū)域氣象站的要素實(shí)時(shí)監(jiān)控類(lèi)似國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站，監(jiān)控時(shí)間間隔為每10分鐘。

2.5 土壤水分自動(dòng)站監(jiān)控預(yù)警

土壤水分對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有重大影響。經(jīng)常對(duì)土壤水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握其變化規(guī)律，對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)實(shí)時(shí)服務(wù)和理論研究都很重要。土壤水分自動(dòng)站可以快速、方便的在同一地點(diǎn)進(jìn)行不同層面的土壤水分進(jìn)行觀測(cè)，獲取具有準(zhǔn)確性、代表性和可比較性的土壤水分連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可大大減輕人工取土式觀測(cè)勞動(dòng)量、并且提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空密度，為農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)、干旱監(jiān)測(cè)和服務(wù)提供了高質(zhì)量的土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其觀測(cè)要素為10、20、30、40和50厘米等深度的土壤單位體積含水量。通過(guò)把干旱災(zāi)害發(fā)生時(shí)的土壤水分觀測(cè)值作為預(yù)警值，及時(shí)發(fā)送該預(yù)警信息給相關(guān)農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)人員手機(jī)，以便及時(shí)為農(nóng)服務(wù)，提高農(nóng)作物效益。

2.6 自動(dòng)短信發(fā)布平臺(tái)

如圖8所示，該界面為短信自動(dòng)發(fā)布平臺(tái)系統(tǒng)，當(dāng)其他模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)到氣象災(zāi)害發(fā)生時(shí)，立即將該氣象災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)送到本短信平臺(tái)，然后短信平臺(tái)立即轉(zhuǎn)發(fā)給各級(jí)相關(guān)取消業(yè)務(wù)人員手機(jī)里，以便第一時(shí)間提醒工作人員。該短信平臺(tái)一般在后臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行，不得關(guān)閉。否則，監(jiān)測(cè)到的預(yù)警信息不能最終發(fā)送到業(yè)務(wù)人員手機(jī)里從而錯(cuò)過(guò)災(zāi)害性天氣發(fā)生時(shí)應(yīng)急處置的時(shí)機(jī)，影響氣象決策服務(wù)的效益。

圖8 自動(dòng)短信發(fā)布平臺(tái)軟件界面

2.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后進(jìn)行了半年的試運(yùn)行。在試運(yùn)行過(guò)程中，統(tǒng)計(jì)了系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)布?xì)庀鬄?zāi)害預(yù)警和沒(méi)采用系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警的方法而是采用人工定時(shí)查看的方法兩者的預(yù)警時(shí)間提前量的差別。結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，采用系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)布?xì)庀鬄?zāi)害預(yù)警的時(shí)間比人工查看的時(shí)間有約1小時(shí)的提前量。而且人工查看的方法耗費(fèi)大量的人工勞動(dòng)，效率低。

表2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本氣象災(zāi)害短時(shí)臨近預(yù)警系統(tǒng)是在目前氣象災(zāi)害多發(fā)的前提下，為了最大可能的不漏發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警信息，依靠計(jì)算機(jī)智能化設(shè)備將各種氣象觀測(cè)資料定時(shí)進(jìn)行自動(dòng)分析和監(jiān)控，如有達(dá)到氣象災(zāi)害閾值時(shí)立即發(fā)送手機(jī)短信給各級(jí)氣象業(yè)務(wù)工作人員手機(jī)，以便第一時(shí)間通知提醒業(yè)務(wù)人員。業(yè)務(wù)人員再根據(jù)氣象災(zāi)害的輕重緩急程度逐級(jí)上報(bào)，從而最大限度的減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，更好發(fā)揮氣象探測(cè)設(shè)備服務(wù)民生、國(guó)防、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)等的作用。本系統(tǒng)自開(kāi)發(fā)完畢并投入業(yè)務(wù)應(yīng)用以來(lái)，多次提醒了我省廣大氣象業(yè)務(wù)人員及時(shí)發(fā)布?xì)庀鬄?zāi)害信息(夜間強(qiáng)雷電、冰雹和龍卷等)，避免了或減少了人們生命財(cái)產(chǎn)損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前已經(jīng)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的各種氣象探測(cè)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并根據(jù)災(zāi)害性天氣發(fā)生時(shí)氣象數(shù)據(jù)達(dá)到的閾值條件通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送相應(yīng)氣象災(zāi)害信息到各級(jí)氣象預(yù)報(bào)服務(wù)業(yè)務(wù)人員手機(jī)，以便其在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步分析和處理。系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)多次提醒了氣象業(yè)務(wù)人員防范各種氣象災(zāi)害，尤其是夜間氣象災(zāi)害如雷雨大風(fēng)、冰雹和龍卷等。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)都是成熟技術(shù)的應(yīng)用，可以為其他地區(qū)的相關(guān)氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)和決策部門(mén)參考，隨著氣象現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，將來(lái)會(huì)有更多更好的氣象觀測(cè)設(shè)備應(yīng)用到氣象災(zāi)害預(yù)警和服務(wù)中來(lái)，因此本系統(tǒng)還會(huì)進(jìn)一步更新和擴(kuò)展以便更好地發(fā)揮這些氣象觀測(cè)設(shè)備的觀測(cè)效益。