自動氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)測預警系統(tǒng)的開發(fā)與應用

李子平，周欽強，麥宗鑒，劉祖俐

（1.茂名市氣象局，廣東茂名 525000；2.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510640）

近年來，突發(fā)性短時極端強降水造成的山洪、城市內(nèi)澇給茂名造成了巨大的人員傷亡和財物損失，特別是茂名北部山區(qū)“雨窩”強降水區(qū)域多次發(fā)生山體滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災害，是典型的氣象災害頻發(fā)區(qū)［1］，提升茂名市災害性天氣監(jiān)測預警服務決策水平，提高氣象災害的防御能力，顯得非常迫切和很有必要。短時強降水的監(jiān)測依據(jù)主要是自動氣象站雨量數(shù)據(jù)［2］，隨著廣東省向著更高水平氣象現(xiàn)代化邁進，自動氣象站實時的觀測資料到桌面越來越及時，對標“監(jiān)測精密，預報精準，服務精細”，增強茂名本地短時強降水的監(jiān)測預警手段和決策服務也提出了更高的要求。

目前，李江南［3］、高凌峰等［4］、常國旭等［5］、楊濤等［6］等已針對區(qū)域自動氣象站預警應用方面進行了研究。這些研究，基本上只實現(xiàn)了某一時次的雨量監(jiān)測預警或統(tǒng)計，而其他氣象要素監(jiān)測預警或數(shù)據(jù)分析處理、篩選結(jié)合精細化GIS應用的研究還未涉及。本研究介紹了一種通過C＃、VB編程軟件結(jié)合PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，通過實時調(diào)用廣東省氣象局IDEA數(shù)據(jù)接口的標準數(shù)據(jù)，一方面實現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和預警，另一方面將數(shù)據(jù)存儲在本地數(shù)據(jù)庫，根據(jù)預報服務、決策服務和防災減災服務的需要，可進行任意時間和數(shù)據(jù)要素的篩選、統(tǒng)計和長時間跨度的日雨量、時雨量、5 min雨量、最高溫度、最低溫度以及極大風速等觀測數(shù)據(jù)加工處理并實時疊加顯示在茂名市各縣（區(qū)）的GIS地理信息上，實現(xiàn)全市或分區(qū)自動監(jiān)測預警、自動調(diào)用surfer繪圖、自動生成統(tǒng)計表格、填色圖和決策短信文本等基礎業(yè)務功能的監(jiān)測預警平臺。

1 功能結(jié)構(gòu)

1.1 主要功能

該監(jiān)測預警系統(tǒng)的總體功能以實現(xiàn)對茂名全市自動氣象觀測站實時觀測數(shù)據(jù)監(jiān)測、預警以及對各種氣象要素的數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計處理為目標，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)測預警應用系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)主要功能：

（1）實時氣象觀測數(shù)據(jù)可視化操作。主要是實現(xiàn)從廣東省氣象局業(yè)務網(wǎng)IDEA數(shù)據(jù)庫接口對茂名全市所有的自動氣象觀測站觀測數(shù)據(jù)實時獲取并存儲的本地數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)按各觀測站點的經(jīng)緯度信息實時在茂名市精細化GIS上顯示實時風速、風向、溫度等各觀測要素值，為氣象服務、防災減災提供各種觀測數(shù)據(jù)的參考。

（2）氣象觀測資料數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計分析和加工處理。主要是實現(xiàn)各類氣象觀測要素數(shù)據(jù)的篩選、統(tǒng)計分析和加工，包括任意時間段氣溫、降水量、氣壓、風等觀測資料的查詢和歷史資料的統(tǒng)計分析，采用軟件后臺運行方式。

（3）調(diào)用統(tǒng)計資料繪制地域空間分布圖。主要是實現(xiàn)軟件系統(tǒng)對氣溫、降水等要素數(shù)據(jù)統(tǒng)計加工后，直接調(diào)用VB生成的Surfer自動繪圖ActiveX控件，在茂名市GIS信息系統(tǒng)上完成自動繪圖。

（4）自動生成服務和決策輔助短信功能。預設特定的閥值，對選定時間段的氣溫、總降水量、極大風速等特定選項資料進行統(tǒng)計和篩選，通過后臺相關函數(shù)自動計算判斷和識別相應值所占總量的百分比。

（5）相關輔助功能。主要用來實現(xiàn)以上所描述的功能輔助。包括站點信息資料編輯、站點選擇、地形圖和河流加載等。

1.2 邏輯結(jié)構(gòu)

茂名全市現(xiàn)在有將近180個自動氣象站，每天入庫的觀測數(shù)據(jù)非常龐大，為了更好實現(xiàn)系統(tǒng)的預定設計功能，盡可能提高數(shù)據(jù)入庫速度和效率，綜合考慮數(shù)據(jù)的查詢速度和使用操作方便、簡易，該系統(tǒng)設計了數(shù)據(jù)實時讀取、數(shù)據(jù)實時入庫存儲，以及應用操作終端3個邏輯層面。

（1）數(shù)據(jù)實時調(diào)取程序通過掃描廣東省氣象局IDEA數(shù)據(jù)庫接口，實時從IDEA接口中調(diào)取茂名市的自動站氣象觀測資料，包括小時數(shù)據(jù)、5 min數(shù)據(jù)等地面資料。

（2）數(shù)據(jù)庫采用免費的PostgreSQL，庫表采用主、分表設計，庫表結(jié)構(gòu)設計方案如圖2所示。小時數(shù)據(jù)、5 min數(shù)據(jù)各建一張主表，其中時數(shù)據(jù)表記錄每小時整點數(shù)據(jù)和常規(guī)資料，5 min數(shù)據(jù)表記錄5 min觀測數(shù)據(jù)，但是由于時、分記錄的地面資料數(shù)據(jù)量龐大，因此在數(shù)據(jù)表下再另設分表，每隔1年再建一張子表，子表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繼承父表，對應年份的數(shù)據(jù)存放到對應的子表。該設計解決了隨著存儲的數(shù)據(jù)資料龐大而查詢速度較緩慢的問題，在數(shù)據(jù)量龐大時依然能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速分類查詢統(tǒng)計和操作。其中，數(shù)據(jù)實時讀取和數(shù)據(jù)庫部署在不同的機器上，互相之間通過內(nèi)部千兆網(wǎng)絡鏈接，可有效解決平臺服務器運行壓力，為可視化軟件操作終端對數(shù)據(jù)的檢索創(chuàng)造了穩(wěn)定的基礎條件。

圖2 數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設計示意圖

（3）應用操作端在基礎數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)服務平臺上，通過內(nèi)部網(wǎng)絡快速訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)各種基于茂名精細化GIS的可視化觀測數(shù)據(jù)操作。

2 開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 茂名市各縣（區(qū)）GIS地圖處理

茂名市和茂名各縣（區(qū)）的地理信息系統(tǒng)（GIS）以ArcGIS的市、縣一級圖層數(shù)據(jù)為信息源，通過ArcGIS10把地圖數(shù)據(jù)導出為Shapefile文件數(shù)據(jù)，使用C＃讀取Shapefile的矢量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對茂名和茂名各縣（區(qū)）的GIS信息圖層的分區(qū)繪制。通過C＃的控制技術和控件組合，繪制界面透明圖層的顯示和疊加，實現(xiàn)點擊鼠標操作對各GIS系統(tǒng)圖層的放大、縮小、拖動等基本操作功能，并在地圖界面可疊加顯示站點、站名，各氣象要素和地形、境內(nèi)河流等。通過預設定，可根據(jù)需要選擇相應的區(qū)域自動氣象站、國家級地面氣象觀測站，各自動氣象站點的經(jīng)緯度信息通過預設TXT文本直接導入并且可編輯，用戶可以很方便、直觀地瀏覽各氣象要素資料的時空分布特征［7］，根據(jù)不同監(jiān)測預警級別需要，可選擇茂名全市或某個縣區(qū)進行顯示，其中縣一級圖層精細到鎮(zhèn)。以茂名市和電白區(qū)的圖層界面為例，效果如圖3所示。

圖3 茂名市（a）和電白區(qū)（b）GIS信息圖層

（1）5 min實時數(shù)據(jù)?？蛇x自動刷新或手動刷新，實時顯示所選站點的實時氣溫、2 min風、10 min風等。20：00（北京時，下同）雨量和08：00雨量，軟件系統(tǒng)根據(jù)當前計算機時間自動進行判別，如當前時間大于08：00，數(shù)據(jù)的查詢開始時間選在08：01，如當前時間小于08：00，則當有數(shù)據(jù)查詢請求時，自動對前一天20：00或當天08：00到當前時間段的雨量數(shù)據(jù)自動統(tǒng)計和甄別，通過按不同量級用不同顏色在地圖上顯示，主要代碼如下：

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊。數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊可選時數(shù)據(jù)或分鐘實現(xiàn)任意時間段的時雨量、最大時雨量、極大風速、最高和最低氣溫等相關數(shù)據(jù)資料的統(tǒng)計和篩選。

（3）雨量和風速預警模塊。用C＃自帶的定時器函數(shù)將系統(tǒng)軟件處于監(jiān)控狀態(tài)，按相關規(guī)定的級別設定閥值，系統(tǒng)每2 min對新存入的風速數(shù)據(jù)進行一次查詢，每5 min對當前時間1 h內(nèi)雨量進行自動統(tǒng)計判斷，對如有達到或超預警閥值的，發(fā)出聲音和圖文預警，軟件選擇操作界面如圖4示。

圖4 軟件系統(tǒng)篩選統(tǒng)計（a）和監(jiān)控預警（b）選項界面

2.2 輔助模塊的設計與實現(xiàn)

輔助功能主要用來實現(xiàn)調(diào)用surfer自動進行填色、短信文本生成、繪圖資料編輯、數(shù)據(jù)導出等。數(shù)據(jù)導出功能可把查詢到的要素數(shù)據(jù)直接生成文本或excel格式相應文件，在生成的文件后綴直接命名為csv文件，excel軟件即可打開。

為了減少在C＃中調(diào)用surfer控件的工作量，在本設計中采用VB軟件制作Surfer8的ActiveX控件［8］，當系統(tǒng)有填色圖響應時直接調(diào)用該控件，即可自動繪制相關要素的空間分布圖。于平等［9］已經(jīng)研究過用VB制作Surfer繪圖控件，該技術已應用在相關業(yè)務中。把VB調(diào)用Surfer8自動繪圖的原代碼生成控件，在C＃中直接調(diào)用此控件即可實現(xiàn)根據(jù)相關數(shù)據(jù)自動出圖。

3 在氣象服務中的應用

針對茂名本地氣象服務要求，該軟件系統(tǒng)按以上所述進行設計，構(gòu)建了不同的數(shù)據(jù)處理功能模塊，并能將相關的數(shù)據(jù)要素正確的以圖表形式呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)了對觀測數(shù)據(jù)自動檢索、篩選處理，實現(xiàn)了按實際空間分布的數(shù)據(jù)圖形操作并能進行空間分析，為業(yè)務人員提供了便利的數(shù)據(jù)檢索平臺，目前該軟件系統(tǒng)已實現(xiàn)了在基層氣象臺的業(yè)務使用。

2020年第7號臺風“海高斯”于2020年8月19日06：00前后在珠海市金灣區(qū)登錄，受“海高斯”外圍云系影響，2020年8月17—20日茂名全市出現(xiàn)小到中雨、局部大暴雨的降水過程。使用該軟件系統(tǒng)對17日08：00至20日20：00的過程雨量、小時最大雨量、極大風速等進行統(tǒng)計和作空間分布圖，其主要實現(xiàn)如圖5所示，其中總降雨量用不同的顏色顯示以區(qū)分不同的降雨量級。

圖5 2020年8月17日08：00—20日20：00累計降雨量（單位：mm）和極大風速（單位：m／s）

4 結(jié)論

本軟件應用系統(tǒng)設計用ArcGIS矢量數(shù)據(jù)資源接口為數(shù)據(jù)源，利用C＃和VB的控件組合與控制技術，以茂名市精細化地理信息系統(tǒng)（GIS）為基礎依托，結(jié)合PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，從廣東省氣象局業(yè)務網(wǎng)IDEA標準數(shù)據(jù)庫接口調(diào)取實時觀測資料，實現(xiàn)了基于茂名市精細化GIS的自動氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)測預警系統(tǒng)。

該軟件優(yōu)點是有豐富的數(shù)據(jù)存儲、查詢功能和篩選、統(tǒng)計的方法，簡單明了的圖形操作方式，業(yè)務人員可快速實現(xiàn)對資料進行篩選、統(tǒng)計分析和加工處理，尤其是在臺風、強降水過程中可及時掌握風速、雨情等實況的基本變化，為決策服務提供及時、準確的數(shù)據(jù)，并能按要求完成數(shù)據(jù)導出和繪圖等基礎功能，在茂名市基層氣象服務中使用良好，對“監(jiān)測精密，預報精準，服務精細”的要求有很好的提升作用。因數(shù)據(jù)量大，軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)調(diào)取上只采用了實時的要素資料，缺乏對相關數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，這還有待繼續(xù)研究改進。