寧夏近地層高空秒級數(shù)據(jù)服務功能的設計與實現(xiàn)

徐曉慶，張 智*，崔 巍，陳增境

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災及重點實驗室，寧夏 銀川 750002）

近年來，人們對霧、霾等天氣越來越重視，對高空秒級數(shù)據(jù)的需求越來越多。目前，氣象資料應用服務軟件的開發(fā)主要是地面資料，而高空氣象資料的應用分析工作相對較少，如吳興洋等[1]指出高空全月觀測數(shù)據(jù)文件的關鍵是對高空觀測基礎數(shù)據(jù)文件(秒數(shù)據(jù)文件)進行質控；陳中鈺等[2]基于L 波段探空綜合觀測的逐秒數(shù)據(jù)制定了秒數(shù)據(jù)質量控制方法，發(fā)現(xiàn)該方法可以很好地檢查出L 波段探空綜合觀測秒數(shù)據(jù)的錯誤；張明[3]、陸杰[4]、閔昌紅等[5]分別利用高空秒級數(shù)據(jù)、等壓面層數(shù)據(jù)、大氣邊界層數(shù)據(jù)研究了鄂西南、廣西、貴陽等地的高空風、規(guī)定等壓面層溫度和高空逆溫特征；李茂等[6]開展了高空和地面觀測資料交互應用研究，確立了調取高空或地面資料做交互訂正應用的最佳處理方案；高雅潔等[7]設計開發(fā)了高空BUFR 報文與XML 報文傳輸軟件，適合臺站探空數(shù)據(jù)傳輸；張穎梅等[8]對L 波段高空氣象觀測系統(tǒng)軟件的升級技巧進行了總結。這些分析研究多是業(yè)務技術總結，或是利用高空氣象資料開展氣候變化分析，而該設計是通過網頁的形式直接顯示高空氣象數(shù)據(jù)。

高空秒級數(shù)據(jù)是精度最高的高空觀測資料，利用高空秒級數(shù)據(jù)可以準確地找到逆溫層，為霧、霾預報研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐。目前高空秒級數(shù)據(jù)只能從CIMISS 數(shù)據(jù)庫中獲取，且獲取過程十分繁瑣，登錄API 接口頁面后不僅需要從各種接口中選擇高空秒級資料接口，而且需要選擇相關的觀測要素，獲取數(shù)據(jù)十分不便。因此，設計開發(fā)高空秒級數(shù)據(jù)應用服務軟件十分必要。

該軟件從CIMISS 數(shù)據(jù)庫中讀取近地層2 km內高空秒級數(shù)據(jù)，按照《常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務手冊》技術規(guī)定，采用內插法[9]對近地層高空秒級數(shù)據(jù)進行等壓間隔、等高間隔處理，開發(fā)不同觀測要素（氣壓、位勢高度、溫度）的查詢網頁，能夠以表格、剖面圖等形式顯示各氣象觀測要素的高度變化，可為氣象預測預報研究、氣象服務提供數(shù)據(jù)服務。

1 軟件設計

1.1 開發(fā)環(huán)境

該系統(tǒng)基于B/S 架構的ASP.NET 設計，數(shù)據(jù)庫為CIMISS 系統(tǒng)的Oracle 數(shù)據(jù)庫，使用CIMISS 系統(tǒng)提供的API 接口直接調取數(shù)據(jù)；網頁前臺使用JavaScript 技術，網頁后臺使用C#作為開發(fā)語言，還用到了Ajax、JSON 和動態(tài)鏈接庫等關鍵技術。

1.2 設計思路

1.2.1 功能模塊設計 該功能模塊分為數(shù)據(jù)查詢和繪制剖面圖頁兩部分，見圖1。

圖1 功能模塊圖

（1）數(shù)據(jù)查詢。選擇觀測要素（氣壓、溫度、相對濕度、風速和風向）、查詢方式（等壓、等高和全部）、日期類型（按日期、時間段、同期）進行查詢，并以表格方式顯示，同時可將查詢結果導出，存儲為Excel格式文件。

（2）剖面圖繪制。選擇觀測要素（氣壓、溫度、相對濕度、風速）、查詢方式（等壓、等高和全部）、查詢時間進行查詢，并以剖面圖方式展示，同時可將查詢結果導出為png 格式文件。

1.2.2 后臺設計 按照氣象業(yè)務人員選擇的查詢條件，傳入后臺獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后再通過前臺網頁顯示，設計流程見圖2。

圖2 設計流程圖

以下是具體設計過程：

（1）根據(jù)前臺的查詢條件，利用Ajax 方法訪問后臺。查詢內容有時間、觀測要素（氣壓、位勢高度、溫度、相對濕度、風速和風向）、等壓（高）間隔和不同時段（連續(xù)時段、同期時段、跨年時段）。將這些條件組織成Ajax 的形式，傳入后臺。

（2）從CIMISS 數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)庫中查詢到的氣壓、溫度、相對濕度、風速、風向會有缺測數(shù)據(jù)，需對缺測數(shù)據(jù)進行刪除處理，只保留符合查詢條件的數(shù)據(jù)。預處理后的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫中的隨機數(shù)據(jù)，非預期順序。為了便于使用內插法計算數(shù)據(jù)，需對獲取的數(shù)據(jù)進行排序。根據(jù)時間、位勢高度進行升序排列，保證同一時刻的數(shù)據(jù)按位勢高度升序排列。將預處理后的數(shù)據(jù)，存入數(shù)組。

（3）判斷查詢的是全部數(shù)據(jù)，還是等間隔數(shù)據(jù)，若是等間隔數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)進行內插處理。數(shù)據(jù)庫查詢到的數(shù)據(jù)是逐秒記錄，位勢高度值和氣壓值并不是等間隔，因此需進行內插法處理。

（4）將整理后的數(shù)據(jù)，解析成json 標準格式，傳入前臺。將上一步產生的字符串，組織成json 串，并通過Ajax 方法傳入前臺。

（5）用表格或垂直剖面圖顯示數(shù)據(jù)。

2 算法設計

等高和等壓的內插法類似，以等高為例，設計流程見圖3。

圖3 等高內插法流程圖

具體步驟如下：

第1步 存放在數(shù)組中的位勢高度是由低到高排序的，因此，第1 個數(shù)組中存放的位勢高度為起始高度0，把第1 個數(shù)組中的值依次存入字符串a 中。

第2步 根據(jù)前臺傳來的間隔高度k，查找接下來的數(shù)組中的位勢高度是否存在，值為nk（n=1，2，3，...，i）的位勢高度。若存在，將數(shù)組中的值繼續(xù)存入字符串a 中；若不存在，則繼續(xù)下一步的判斷。

第3步 判斷：前一個數(shù)組中的位勢高度

①若符合這個判斷條件，使用內插法，即（前一個數(shù)組中對應的要素值+后一個數(shù)組中對應的要素值求和）/2，求出相應的氣壓、位勢高度、溫度、相對濕度、風速和風向，將求出的值繼續(xù)存入字符串a中，并且間隔高度nk 的值增加為（n+1）k。接著對下一個數(shù)組繼續(xù)步驟3 的判斷。

②若不符合這個判斷條件，則判斷下一個數(shù)組的位勢高度是否滿足步驟3 的判斷條件。

第4步 依次循環(huán)判斷所有數(shù)組，直至所有數(shù)組都判斷完畢。

3 功能實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)來源

CIMISS 數(shù)據(jù)庫中高空資料存儲了中國高空定時值資料、高空秒級資料、高空分鐘數(shù)據(jù)、閃電定位等資料，軟件只讀取銀川高空觀測站高空秒級資料。

CIMISS 的API 提供了多種檢索高空秒級資料的接口，本文采用按時間段、站號方式getUparEleBy－TimeRangeAndStaID 檢索高空秒級數(shù)據(jù)表UPAR_CHN_MUL_SEC。

3.2 確定位勢高度

氣象業(yè)務一般需要的是近地面2 km 的數(shù)據(jù)，而CIMISS 數(shù)據(jù)庫中高空秒級資料一般能達到25 km左右，而銀川海拔高度約1.1 km，因此平臺的位勢高度控制在3.2 km。

3.3 頁面組織

前臺網頁查詢條件分為3 部分：觀測要素、查詢方式和日期類型。觀測要素包括氣壓、溫度、相對濕度、風速、風向等全部要素。查詢方式分為等壓、等高和全部。若選擇等壓，根據(jù)業(yè)務需求將等壓間距分為10，20 hPa；若選擇等高，根據(jù)業(yè)務需求將等高間距分為50，100，200 m；若選擇全部，則顯示所有數(shù)據(jù)。日期類型包括按日期查詢、按時間段查詢和按同期查詢。將這些條件組織成Ajax 的形式，傳入后臺。

3.4 后臺數(shù)據(jù)處理

（1）預處理數(shù)據(jù)，剔除溫度、氣壓、濕度、風速和風向中缺測的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)排序。

（2）判斷是查詢原始數(shù)據(jù)，還是等壓（高）間隔數(shù)據(jù)。若是等壓（高）間隔數(shù)據(jù)則需采用內插法進行內插。

3.5 輸出方式

（1）表格的形式。將查詢的數(shù)據(jù)采用bootstrap格式直接顯示出來，并能將查詢的結果導出。如圖4所示，選擇全部氣象要素（溫度、氣壓、濕度、風速、風向和位勢高度），按日期、10 hPa 等壓間隔查詢。

圖4 寧夏高空秒級數(shù)據(jù)表格顯示圖

（2）剖面圖的方式。根據(jù)查詢結果可以采用echarts方式顯示溫度、濕度、風速中的一種垂直變化剖面圖，也可以全部顯示，圖片有導出功能。如圖5 所示，選擇全部氣象要素（溫度、濕度、風速），按日期、100 m等高間隔查詢。

圖5 寧夏高空秒級數(shù)據(jù)（溫度、濕度、風速）垂直剖面圖

3.6 服務性能

對music 接口直接調用和該軟件界面調用的100 個時次數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，去除接口異常時次，正常情況下，調用處理前的數(shù)據(jù)平均需要32 s，數(shù)據(jù)量約4 600 條。處理后的數(shù)據(jù)見表1。

表1 服務性能表

經過內插法處理后數(shù)據(jù)按照等高或等壓的方式展示，大大減少了數(shù)據(jù)量；展示方式按照相應規(guī)律展示，便于氣象業(yè)務人員使用，但是查詢時間增加了3 s，查詢速度有所下降。

4 結論

本文主要研究CIMISS 近地層高空秒級數(shù)據(jù)的處理。利用內插法將高空秒級資料處理成等壓（高）間隔的數(shù)據(jù)，并將氣象要素用垂直變化的方法表示。原先只能通過CIMISS 的API 接口頁面手動調用高空資料，氣象業(yè)務人員不僅需要學習頁面接口的使用方式，而且獲得的數(shù)據(jù)是非預期的，且只能以表格的形式全部顯示，氣象業(yè)務人員使用時還需加工處理成預期數(shù)據(jù)，使用不便。經過內插法處理后，數(shù)據(jù)按照等高或等壓的方式展示，雖然查詢速度略微變慢，但是大大減少了數(shù)據(jù)量，展示方式可以按照等高或等壓方式展示。氣象業(yè)務人員根據(jù)實際需要在該查詢軟件頁面選擇查詢條件，查詢出來的數(shù)據(jù)不僅能以表格的方式顯示，還能以剖面圖的形式顯示，并且可以下載表格和剖面圖，方便了業(yè)務人員的使用，提高了高空秒級資料的利用效率。