精細化暴雨監(jiān)測預報及風險預警系統(tǒng)的開發(fā)與應用

李爽爽

(浙江省氣象信息網(wǎng)絡中心,浙江 杭州 310017)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,人民生活水平提高,與大自然接觸越發(fā)增多,導致氣象災害更為頻繁地影響社會生產(chǎn)、人類活動甚至是生命財產(chǎn),其中暴雨是一種較為常見的災害性天氣,尤其是在東南沿海地區(qū),水網(wǎng)密集,縱橫交錯,加之地處熱帶、亞熱帶季風區(qū),受西南急流、南支槽、切變線、臺風等系統(tǒng)影響,容易造成洪澇災害和嚴重的水土流失,導致工程失事、堤防潰決和農(nóng)作物被淹等重大的經(jīng)濟損失,對經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全構成嚴重威脅[1-2]。面對這些與人們利益息息相關的災害性天氣,氣象部門紛紛開展了災害性天氣預報預警等相關業(yè)務的研究和建設工作,但存在的問題日益突出,如強天氣及時監(jiān)測捕捉能力偏弱,對突發(fā)性、局地性強對流天氣無法監(jiān)測、預報;短時臨近暴雨預報預警能力較弱,尤其是強降水的定時、定點、定量精細化預報水平不足;氣象災害預警信息覆蓋面有限,預警信息發(fā)布尚未做到全天候、無縫隙和全覆蓋,突發(fā)氣象災害預警信息快速全網(wǎng)發(fā)布機制尚未形成;公眾科學應用氣象預警信息的能力不足,預警信息在防災抗災中的作用尚未充分發(fā)揮[3-5]。

為此,近年來浙江省各市、縣(市、區(qū))積極開展當?shù)鼐毣┯瓯O(jiān)測預報預警工程,有力推動精細化暴雨監(jiān)測預報及風險預警系統(tǒng)建設,實現(xiàn)了實況監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)格精度更高、更新更快;氣象預報更精細、體系更完善;風險災害判別更科學,落區(qū)預報更準確;監(jiān)測告警更及時,預警發(fā)布更流暢。為保障經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全發(fā)揮巨大作用[6-9]。

1 系統(tǒng)架構

1.1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)架構設計遵循平臺化、組件化的設計思想,基于B/S的應用模式和靈活模塊應用模式,采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)一的接口標準、統(tǒng)一的安全保障。各種服務按多層模式組織,這種多層架構可以搭建松散耦合、易于復用、可擴展性強的應用,除了方便軟件開發(fā)的組織和實施外,亦便于日后系統(tǒng)的維護和擴展。

如圖1所示,業(yè)務處理模塊、報表模塊、系統(tǒng)自動提醒模塊、系統(tǒng)管理模塊采用基于Web應用程序框架,采用B/S方式運行。Web應用程序框架具有可伸縮、事務處理能力強、可擴展且安全可靠等特點,其應用程序組件分為表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層,這使得系統(tǒng)具有清晰的結構,便于系統(tǒng)的設計、開發(fā)、測試和維護,能夠提高代碼重用率?；赪eb的應用程序可以向用戶提供一致的、及時的、方便的訪問。另外,Web應用程序框架是一種開放、標準、高效、可靠的技術,采用此技術構建的系統(tǒng)容易實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的集成。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.2 技術架構

系統(tǒng)架構設計遵循平臺化、組件化的設計思想,采用SOA(Service-Oriented Architecture,面向服務架構)模型實現(xiàn)靈活應用管理,形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換、統(tǒng)一接口標準及統(tǒng)一安全保障,技術架構如圖2。

圖2 技術架構圖

1.2.1 基于Spring MVC開發(fā)平臺

Spring MVC是一個基于Java實現(xiàn)了MVC設計模式的請求驅動類型的輕量級Web框架,通過把Model、View、Controller分離,將Web層進行職責解耦,把復雜的Web應用分成邏輯清晰的幾部分,簡化開發(fā),減少出錯。

實現(xiàn)快速搭建一個高性能、高可靠性、高擴展性的企業(yè)應用系統(tǒng),降低施工成本和風險。

1.2.2 基于SOA架構

系統(tǒng)建設遵循面向服務體系(SOA)的架構原則,以Web Services技術為支撐,采用XML技術進行集成。

在這種體系結構下,由獨立可復用的服務構成系統(tǒng)功能,此類服務對外公布意義明確的接口,軟件開發(fā)通過接口調用來完成相應的應用功能。

1.2.3 基于3層架構模型

3層架構將整個業(yè)務應用劃分為:表現(xiàn)層(UI)、業(yè)務邏輯層(BLL)、數(shù)據(jù)訪問層(DAL)。區(qū)分層次的目的是為了“高內聚、低耦合”。

1)數(shù)據(jù)訪問層:對原始數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)庫或者文本文件等存放數(shù)據(jù)的形式)的操作層,不是指原始數(shù)據(jù),也就是說,是對數(shù)據(jù)的操作,而不是數(shù)據(jù)庫,具體為業(yè)務邏輯層或表示層提供數(shù)據(jù)服務。

2)業(yè)務邏輯層:針對具體問題的操作,可理解成對數(shù)據(jù)層的操作,對數(shù)據(jù)業(yè)務邏輯處理。

3)表示層:位于最外層(最上層),最接近用戶;用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù),為用戶提供一種交互式操作的界面。

平臺通過3層架構降低層與層之間的依賴,開發(fā)過程中利于各層的邏輯復用，有利于標準化;在后期維護的時候,極大地降低了維護成本和維護時間。

2 系統(tǒng)功能

如圖3所示,以義烏市精細化暴雨監(jiān)測預報及風險預警系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)分成義烏市本地化氣象數(shù)據(jù)支撐子系統(tǒng)、突發(fā)暴雨監(jiān)測子系統(tǒng)、精細化暴雨預報子系統(tǒng)、暴雨次生災害風險預警和評估子系統(tǒng)及暴雨預警服務發(fā)布子系統(tǒng)5大模塊,下文一一闡述。

圖3 精細化暴雨監(jiān)測預報及風險預警系統(tǒng)功能結構

2.1 本地化氣象數(shù)據(jù)支撐子系統(tǒng)

本地化氣象數(shù)據(jù)支撐子系統(tǒng)以省級CIMISS(China Integrated Meteorological Information Service System,全國綜合氣象信息數(shù)據(jù)共享平臺)環(huán)境為基礎,建立本地化的應用加速節(jié)點,對于氣象通用的基礎數(shù)據(jù)和資料,通過MUSIC接口進行數(shù)據(jù)直接訪問,對該地域生成的各類數(shù)據(jù)和產(chǎn)品按照CIMISS的標準和規(guī)范進行文件目錄管理或數(shù)據(jù)庫存儲管理,實現(xiàn)氣象資料和業(yè)務產(chǎn)品的統(tǒng)一、高效和完整的存儲、服務和管理功能,為省級業(yè)務和科研用戶提供各類氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的綜合數(shù)據(jù)共享服務。

數(shù)據(jù)分為自動站監(jiān)測、雷達、衛(wèi)星遙感、閃電定位及水文數(shù)據(jù)等5大類數(shù)據(jù),其中自動站數(shù)據(jù)涵蓋縣(市、區(qū))級國家站和區(qū)域自動站實時數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)每5 min更新,數(shù)據(jù)內容包括氣溫、氣壓、降水量、風向風速及能見度等常規(guī)要素;雷達數(shù)據(jù)包括周邊單站雷達數(shù)據(jù)接入和雷達組網(wǎng)展示,數(shù)據(jù)每10 min更新,展示內容有基本反射率、組合反射率;衛(wèi)星遙感接入FY2F、FY2G和葵花8系列數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)每30 min更新,展示內容為紅外、水汽和可見光數(shù)據(jù);閃電定位數(shù)據(jù)是通過閃電定位儀監(jiān)測到的閃電發(fā)送相關監(jiān)測數(shù)據(jù),通過外推方法進行預警,結合雷達產(chǎn)品計算臨時雷暴概率,數(shù)據(jù)每1 min更新,展示內容包括閃電發(fā)生位置、閃電強度、發(fā)生時間等;水文數(shù)據(jù)每5 min更新,展示內容包括水文站降水量、水位和徑向流速等信息。

2.2 突發(fā)暴雨監(jiān)測子系統(tǒng)

突發(fā)暴雨監(jiān)測子系統(tǒng)充分利用CIMMIS接口以及浙江省、市、縣(市、區(qū))共享數(shù)據(jù)基礎上設計的系統(tǒng)接口實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)資源的實時調用和當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)進一步挖掘處理;實現(xiàn)了以縣(市、區(qū))區(qū)域、小流域、山洪溝、主要水庫庫區(qū)、洪水漬澇以及城鎮(zhèn)積澇災害區(qū)域等為單位,包括面雨量降水產(chǎn)品,雷達降水產(chǎn)品以及衛(wèi)星降水產(chǎn)品的生成與顯示,實現(xiàn)生成降水例子識別產(chǎn)品功能。

系統(tǒng)提供預警類別、閾值設置判斷;各流域、山洪溝、主要水庫庫區(qū)及城鎮(zhèn)積澇區(qū)域等范圍的(面)雨量和過程面雨量分析;預警管理和動畫、聲訊及短信等方式告警展示;同時設計了歷史降水量和報警查詢庫,完成歷史降水過程和告警過程的回溯查詢。

2.3 精細化暴雨預報子系統(tǒng)

精細化暴雨預報子系統(tǒng)建設,實現(xiàn)多時段預報無縫連接、預報和服務統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的智能網(wǎng)格暴雨“一張網(wǎng)”。

1)短臨預報:系統(tǒng)使用QPF逐小時的預報結果,以QPF為初始場進行格點訂正,訂正完成以后,系統(tǒng)自動插值到每個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)代表站和面雨量計算(未來1 h降水累計、未來2 h降水累計、未來3 h降水累計),形成每個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)和全縣(市、區(qū))范圍的面雨量預報產(chǎn)品和每個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)代表站的累計降水預報產(chǎn)品。

2)短期預報:基于ZJWARRS(Zhejiang WRF-ADAS Rapid Refresh System,浙江省快速更新同化數(shù)值天氣預報系統(tǒng))雨量預報產(chǎn)品和模式雷達精細化融合降水預報,同時結合EC、GFS、T639及JMA等模式結果,根據(jù)客觀預報結果分析取最優(yōu)的模式作為初始場,進行格點訂正、系統(tǒng)自動插值到每個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)代表站和面雨量計算(提供未來12 h累計降水量預報),以WebGIS的方式顯示未來12 h暴雨落區(qū)及網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。

3)中長期預報:基于Doswell提出的“基于構成要素的預報方法”,以NCEP歷史再分析資料、高空地面觀測資料等為基礎,建立業(yè)務模型方程,給出12～360 h暴雨預報;基于DERF2.0模式的解釋應用技術,形成逐旬滾動發(fā)布的強降水過程預報、逐候滾動發(fā)布的降水趨勢預報、逐日滾動發(fā)布的降水量預報3種產(chǎn)品有機結合的15～30 d延伸期預報整體業(yè)務體系。

4)診斷預報:針對短時強降水、冰雹、雷雨大風、龍卷、雷電等強對流天氣,系統(tǒng)根據(jù)雷達回波演變和移動趨勢,結合地面站的溫度、濕度、壓強和風等觀測要素,對雙偏振雷達資料識別得到的暴雨、冰雹、軟雹、濕雪和干雪的落區(qū)及發(fā)展演變趨勢進行分析診斷,形成逐10 min更新的高時空分辨率相態(tài)識別產(chǎn)品,應用于預報服務。

2.4 暴雨次生災害風險預警評估子系統(tǒng)

突發(fā)性強降水和持續(xù)性局地暴雨是引發(fā)山洪災害、造成中小河流漫堤潰堤、中小水庫出險的主要因素。通過子系統(tǒng)建設,打通風險點管理、模型搭建、風險評估和預警各個環(huán)節(jié),實現(xiàn)暴雨次生災害全流程氣象服務保障。

1)風險點管理:針對中小河流、山洪溝、地質災害點的普查信息的完善和加工,結合根據(jù)國土等部門的各類地質災害隱患點等山洪地質資料,完善全縣(市、區(qū))6-7級小流域的劃分、命名等基礎信息,建立和完善災害點數(shù)據(jù)庫。

2)風險模型:研究中小河流洪水、山洪、地質災害的預報模型,得到動態(tài)臨界雨量并進行檢驗修正;地質災害點的預報模型主要基于前期災害發(fā)生的歷史資料,統(tǒng)計得到臨界雨量,最終分別建立次生災害風險預警模型。

3)風險評估:通過在代表性強和易發(fā)洪水山洪地質災害的中小流域、山洪溝、地質災害點,加密布點雨量站、自動土壤水分觀測站,動態(tài)開展洪水山洪地質災害評估,完善試驗區(qū)臨界(面)雨量和預警指標評價和確定體系。

4)風險預警:對系統(tǒng)產(chǎn)生的各類報警預警信息進行實時監(jiān)控、系統(tǒng)展示、集中管理,并提供歷史檢索、分類統(tǒng)計、地圖標注等管理功能。

2.5 暴雨預警服務發(fā)布子系統(tǒng)

暴雨預警服務發(fā)布子系統(tǒng)首先通過預警信息采集,將預警信息采集至發(fā)布管理平臺,發(fā)布管理平臺通過預警信息審核等環(huán)節(jié)發(fā)布預警信息,并通過發(fā)布手段將預警信息發(fā)送到受眾用戶。過程分為預警信息收集存儲、發(fā)布審核、信息發(fā)布、運行監(jiān)控及系統(tǒng)管理等多個環(huán)節(jié)。

1)預警信息管理:實時收集各類預警信息,包括像災害預警信號、臺風報告單、決策服務材料(一周天氣、重要氣象報告、氣象信息內參、氣象呈閱件、天氣公報、天氣專報、重大氣象災害評估)、旬報及月報等,平臺提供多種數(shù)據(jù)接入方式,達到傳輸一次,多渠道發(fā)布的目標。

2)預警發(fā)布管理:系統(tǒng)構建從預警信息制作、初審、復審、終審到發(fā)布的預警信息發(fā)布標準化業(yè)務流程,并基于工作流引擎,構建預警信息發(fā)布審核業(yè)務平臺;建立短信、網(wǎng)站、傳真、郵件、國突平臺等多種發(fā)布渠道的終端集成,通過統(tǒng)一的“信息發(fā)布”后臺來實現(xiàn)發(fā)布功能,實現(xiàn)信息“一鍵式”發(fā)布;同時,系統(tǒng)實時監(jiān)控發(fā)布渠道,通過定時的方式對各發(fā)布渠道進行連通性檢測,當某個渠道無法正常連接時,生成報警信息,及時地通知值班人員。

3)系統(tǒng)管理:實現(xiàn)系統(tǒng)用戶管理、權限管理、服務對象管理(包括聯(lián)系方式、發(fā)送渠道的精細化管理)、短信通知管理等管理設置。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

3.1 多租戶技術

如圖4所示,該系統(tǒng)采用高并發(fā)和高容錯能力的多租戶分布式架構,新建租戶時,只需在可視化界面上配置,更加方便快捷,主要技術優(yōu)勢如下。

圖4 多租戶技術架構示意圖

1)減少成本。多租戶技術可以讓多個租戶共用一個應用程序或運算環(huán)境,可以有效地降低環(huán)境建置的成本;同時通過不同的數(shù)據(jù)管理手段,多租戶技術的數(shù)據(jù)可以用不同的方式進行數(shù)據(jù)隔離,降低供應商的維護成本。

2)易于更新和開發(fā)。多租戶架構下所有用戶都共用相同的軟件環(huán)境,因此在軟件改版時可以只發(fā)布一次,就能在所有租戶的環(huán)境上生效。

3)方便管理。通過使用了多租戶架構能減少物理資源和軟件資源,由有經(jīng)驗的云供應商統(tǒng)一進行運營,簡化了系統(tǒng)管理。

3.2 WebGIS技術

WebGIS是Internet技術應用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物[10],本文的系統(tǒng)是浙江省氣象信息網(wǎng)絡中心數(shù)據(jù)中心自主研發(fā)的一套WebGIS系統(tǒng),與以往的GIS系統(tǒng)相比大大提高了系統(tǒng)兼容和響應速度,具備以下優(yōu)點。

1)擴大訪問范圍。用戶可以同時訪問多個位于不同地方的服務器上的最新數(shù)據(jù),而這一Internet/Intranet所特有的優(yōu)勢大大方便了GIS的數(shù)據(jù)管理,使分布式的多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)管理和合成更易于實現(xiàn)。

2)增強平臺獨立性。無論服務器/客戶機是何種機器,無論WebGIS服務器端使用何種GIS軟件,由于使用了通用的Web瀏覽器,用戶就可以透明地訪問WebGIS數(shù)據(jù),在某個服務器或該機上進行分布式部件的動態(tài)組合和空間數(shù)據(jù)的協(xié)同處理與分析,實現(xiàn)遠程異構數(shù)據(jù)的共享。

3)降低系統(tǒng)成本。普通GIS在每個客戶端都要配備昂貴的專業(yè)GIS軟件,而用戶使用的經(jīng)常只是一些最基本的功能,這實際上造成了極大的浪費。WebGIS在客戶端通常只需要使用Web瀏覽器(有時還要加一些插件)即可。其軟件成本與全套專業(yè)GIS相比明顯要節(jié)省得多。另外,由于客戶端的簡單性而節(jié)省的維護費用也不容忽視。

4)平衡高效的計算負載。傳統(tǒng)的GIS大都使用文件服務器結構的處理方式,其處理能力完全依賴于客戶端,效率較低。省局自主研發(fā)的WebGIS能充分利用網(wǎng)絡資源,將基礎性、全局性的處理交由服務器執(zhí)行,而對數(shù)據(jù)量較小的簡單操作則由客戶端直接完成。這種計算模式能靈活高效地尋求計算負荷和網(wǎng)絡流量負載在服務器端和客戶端的合理分配,是一種較理想的優(yōu)化模式。

4 應用實例

如圖5所示,系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)層對數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理,接入阿里巴巴自主研發(fā)的分布式關系型數(shù)據(jù)庫服務DRDS(Distributed Relational Database Service)和開放的表格存儲服務OTS(OpenTableService)接口,實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)讀取。再利用模型算法服務器、Web網(wǎng)絡服務器和GIS應用服務器,實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的后臺計算、查詢、索引和調度等。系統(tǒng)經(jīng)過專業(yè)的軟件測試程序,符合各項標準,驗證合格,目前已交付運行。

圖5 應用實例圖

數(shù)據(jù)展示頁面呈現(xiàn)相應義烏市的實況信息、預報信息、雷達定量降水預測、省級指導產(chǎn)品以及各家模式預報產(chǎn)品數(shù)據(jù)等;監(jiān)測預警頁面主要是對相應區(qū)域內的所有鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道)進行區(qū)域預警和災害預警;實況展示頁面實現(xiàn)各類氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)點線面圖形展示,同時支持各種氣象要素的統(tǒng)計和導出功能;歷史統(tǒng)計頁面提供所有基本要素的歷史信息,支持可查詢任意時間段的基本要素排名信息;模式預報頁面提供精細化預報、數(shù)值預報和省級指導產(chǎn)品的可視化展示,并提供定制化快報展示、查詢。

5 結 語

暴雨監(jiān)測預報預警是市、縣(市、區(qū))級氣象局重要關注點。系統(tǒng)依靠實況監(jiān)測、遙感、預報、診斷分析、災害點及部門共享等數(shù)據(jù)作為支撐,依靠先進的多租戶技術和WebGIS技術,提供市、縣(市、區(qū))域精細化目標區(qū)的暴雨監(jiān)測、無縫隙預報、輔助決策、預警與服務的數(shù)字化、網(wǎng)格化、定量化的系統(tǒng)工程,有效地提高了氣象部門預警信息發(fā)布的時效性、便捷性和覆蓋率。隨著科技和氣象現(xiàn)代化發(fā)展水平的不斷提高,各級氣象臺將提供更加及時、準確的輔助決策支持服務產(chǎn)品,氣象系統(tǒng)對國民經(jīng)濟的貢獻必將更加巨大。