氣象雷達組網(wǎng)產品生成業(yè)務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張玉潔，涂愛琴，邊 智，高 林

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031；2.山東省氣象局大氣探測技術保障中心，濟南 250031；3.泰安市氣象局，泰安 271000)

0 引言

為了提高災害性天氣的監(jiān)測預報能力，中國在20世紀90年代后期開始建設新一代天氣雷達網(wǎng)并投入業(yè)務應用，新一代雷達觀測資料的應用提高了暴雨、冰雹、臺風、龍卷風等災害性天氣的監(jiān)測和預警能力[1-3]。目前，國內在利用雷達資料融合觀測數(shù)據(jù)服務于預報業(yè)務方面有一些研究成果。周寧[4]等依據(jù)衛(wèi)星與雷達估算降雨技術，融合站點觀測數(shù)據(jù)，探究了將多源降雨數(shù)據(jù)應用于山洪地質災害預報預警中；王旭東[5]等將海河流域16部雷達進行組網(wǎng)拼圖處理，結合實時降雨數(shù)據(jù)找出了適合流域的雷達定量降水估測技術方法；崔延星[6]等利用毫米波云雷達、C波段連續(xù)波雷達以及云和降水的觀測數(shù)據(jù)，對華南地區(qū)夏季的云和降水特征進行了研究；高曉榮[7]、張春龍[8]也對多源數(shù)據(jù)融合的雷達資料進行過研究。但隨著氣象現(xiàn)代化建設中綜合觀測資料的增多，雷達組網(wǎng)產品與多源觀測數(shù)據(jù)融合應用的不足之處日漸凸顯，為有效推進氣象部門天氣雷達觀測數(shù)據(jù)的組網(wǎng)應用，加強雷達數(shù)據(jù)與多源觀測數(shù)據(jù)的融合在預報業(yè)務中的應用，山東省氣象局以業(yè)務應用需求為導向，設計開發(fā)了集多源數(shù)據(jù)產品生成、應用和管理于一體的氣象雷達組網(wǎng)產品生成業(yè)務系統(tǒng)，將雷達組網(wǎng)產品融合多源觀測數(shù)據(jù)應用于氣象服務。文章詳述了該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)技術架構

氣象雷達組網(wǎng)產品生成業(yè)務系統(tǒng)的技術架構見圖1所示。分為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接入和業(yè)務服務3部分。數(shù)據(jù)源對接國家級綜合氣象觀測產品系統(tǒng)；數(shù)據(jù)接入采用反向代理技術將國家級綜合氣象觀測產品系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)接入本地；業(yè)務服務采用SOA技術體系，通過服務治理、文件緩存、地理信息服務、數(shù)據(jù)協(xié)議等方式完成數(shù)據(jù)服務，通過負載均衡、前端環(huán)境支撐、模擬數(shù)據(jù)構造、地理信息服務、三維可視化等技術實現(xiàn)系統(tǒng)可視化功能。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)語言及平臺部署

系統(tǒng)主要采用Java語言開發(fā)，符合J2EE規(guī)范，可跨平臺部署。服務器端操作系統(tǒng)為Windows Server 2008。系統(tǒng)的信息發(fā)布主要采用Web方式，部分功能模塊采用GIS系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)架構

2 系統(tǒng)功能設計

氣象雷達組網(wǎng)產品生成業(yè)務系統(tǒng)通過分布式數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析、三維展示等技術解決數(shù)據(jù)龐雜、數(shù)據(jù)計算量大、數(shù)據(jù)展示要求高等需求，充分發(fā)揮天氣雷達資料的應用能力，加強天氣雷達基本產品和三維組網(wǎng)產品的應用。同時利用多種分發(fā)手段將國家級綜合氣象觀測系統(tǒng)的部分數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞〖墯庀蟛块T，以滿足當?shù)仡A報和服務等業(yè)務需求，為MICAPS、SWAN等業(yè)務應用軟件及決策服務提供產品支撐，為預報會商系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)產品應用服務支撐。

2.1 系統(tǒng)功能結構

系統(tǒng)功能結構設計分為觀測產品數(shù)據(jù)對接、本地化應用管理、產品應用展示3個子系統(tǒng)。其中，觀測產品數(shù)據(jù)對接分為數(shù)據(jù)接口對接、文件接口對接、圖像產品接口對接3個功能模塊；本地化應用管理分為區(qū)域配置、產品配置、告警配置3個功能模塊；產品應用展示主要實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)和觀測產品的展示，分為現(xiàn)在天氣、綜合觀測、監(jiān)測預警3個功能模塊。

2.2 系統(tǒng)主要功能設計

2.2.1 觀測產品數(shù)據(jù)對接設計

依托國家級業(yè)務內網(wǎng)訪問端口，向省級提供本地化的基本產品、強天氣產品、綜合產品等。接口調用方式支持HTTP或HTTPS協(xié)議請求通信。涉及敏感數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸安全時，如用戶密碼和SSH密鑰對，則使用HTTPS方式進行傳輸，安全性高[9-11]。

數(shù)據(jù)接口對接采用反向代理技術，與國家級綜合氣象觀測產品系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)對接，對數(shù)據(jù)接口的狀態(tài)、內容進行定義轉發(fā)處理，將處理后的數(shù)據(jù)內容返回到客戶端，采用內部文件緩存或內存緩存方式對數(shù)據(jù)進行緩沖處理，提高數(shù)據(jù)接口并發(fā)能力。

靜態(tài)文件接口由于文件數(shù)據(jù)量大、占用帶寬高，尤其是地圖、常用的開發(fā)庫等文件，文件基本不發(fā)生變化，但是調用的頻率高。因此，在設計上采用熱點文件管理方式[12]對經(jīng)常使用的文件自動調入內存，提高文件訪問效率。

圖像產品接口對接通過文件鏡像或反向代理技術，將國家級綜合氣象觀測產品系統(tǒng)生成的產品映射到某個特定的接口，本地客戶端或者系統(tǒng)可通過該接口訪問圖像產品。

2.2.2 本地化應用管理設計

針對基本產品、強天氣產品、綜合產品等信息，根據(jù)不同應用手段提供信息格式轉換接口，實現(xiàn)本地化的應用管理。區(qū)域配置模塊配置相應區(qū)域的產品種類，依據(jù)地區(qū)屬性，顯示該地區(qū)下的相關產品和數(shù)據(jù)；產品配置模塊為客戶端配置不同的產品，實現(xiàn)針對不同地區(qū)顯示不同的產品；告警配置模塊依據(jù)區(qū)域特點，設置不同天氣要素的告警級別，實現(xiàn)天氣實況告警級別的自動提示。

2.2.3 產品應用展示設計

結合地理信息系統(tǒng)，對本地區(qū)定制的綜合觀測產品進行集中展示、統(tǒng)計、分析和跟蹤天氣過程。

1)現(xiàn)在天氣

針對天氣現(xiàn)象按要素類別(氣溫、氣壓、風、降水等)顯示各類要素的天氣狀況，將不同要素的結果進行集中顯示，達到協(xié)同觀測分析的目的。現(xiàn)在天氣涵蓋重要天氣與氣象要素兩個子模塊，重要天氣主要針對冰雹、雷暴、大風、高溫、臺風等高影響天氣；氣象要素以多源觀測為目標，實現(xiàn)天氣雷達、溫度、氣壓、相對濕度、風、降水、云、能見度等重要氣象要素的同要素多手段觀測產品的綜合展示。

2)綜合觀測

按天氣雷達、地面、風廓線等不同觀測設備分類，根據(jù)天氣狀態(tài)分析天氣形勢和潛在影響。該模塊涵蓋天氣雷達、風廓線雷達、雷電、地面、高空、水汽、土壤水分和大氣成分八大觀測設備。

3)監(jiān)測預警

提供深度定制區(qū)域監(jiān)測預警服務，采用“行動值”、“警戒值”、“預警值”三級告警圈進行智能告警，實現(xiàn)對關注區(qū)域25 km、50 km、100 km范圍內發(fā)生的雷暴、冰雹、大霧等高影響天氣進行告警提示；該模塊還接入天氣雷達流數(shù)據(jù)，快速處理定制區(qū)域內天氣雷達單站基數(shù)據(jù)；監(jiān)測預警模塊還設計了數(shù)據(jù)疊加輔助決策功能，提供用戶定制區(qū)域內的雷達拼圖、雷電、冰雹、大風、降水、低能見度、高溫等高影響天氣的變化情況，為預報及決策提供服務。

3 系統(tǒng)關鍵技術設計

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲設計

氣象雷達組網(wǎng)產品生成業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包含結構化數(shù)據(jù)和文件類型數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲架構要滿足多種類格式數(shù)據(jù)存儲能力、海量數(shù)據(jù)存儲能力、讀寫并發(fā)效率和數(shù)據(jù)擴展能力。針對數(shù)據(jù)存儲需求，系統(tǒng)設計時采用了關系型數(shù)據(jù)庫[13](MySQL)與文件型數(shù)據(jù)庫(MongoDB)混合搭建的方式來解決這一問題。氣象觀測數(shù)據(jù)及產品每天會產生TB級大量小文件(如大部分圖片、txt、bin文件等)，系統(tǒng)采用了MongoDB GridFS技術[14]實現(xiàn)分布式文件數(shù)據(jù)庫來管理這些文件的增、刪、改、查詢、統(tǒng)計等功能。

3.2 數(shù)據(jù)可視化技術

系統(tǒng)針對數(shù)據(jù)可視化展示需求，采用WebGL(Web Graphics Library)技術進行革新，屏蔽了C/S架構軟件系統(tǒng)的弊端。WebGL是一種3D繪圖標準，這種繪圖技術標準允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結合在一起，增加OpenGL ES 2.0的一個JavaScript綁定，可流暢地展示3D場景和模型，創(chuàng)建出復雜的導航和數(shù)據(jù)視覺化[15]效果。系統(tǒng)采用這種可視化技術，通過調取三維CAPPI圖像，就能提供雷達資料三維場景的展示功能。

3.3 業(yè)務擴展能力設計

為滿足不斷變化的氣象業(yè)務需求，同時避免系統(tǒng)的重復開發(fā)，系統(tǒng)設計時應具備業(yè)務擴展能力，可滿足如新增觀測設備類別、觀測設備屬性變更、業(yè)務流程新增、業(yè)務考核評估擴展等需求。因此，系統(tǒng)采用了微服務+工作流引擎的方式保障氣象業(yè)務不斷變化的需求[16]。微服務設計，即將氣象探測業(yè)務根據(jù)業(yè)務形態(tài)劃分為各個獨立的業(yè)務服務，將所有服務形成統(tǒng)一的服務集，并對服務集中的每個服務系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理，每個服務都是獨立部署、獨立運行，當其中一個服務宕機不會影響整個平臺運行。服務集中的每個服務都是高可用的，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自動調度中心使用工作流引擎，通過配置業(yè)務流程和依賴關系，系統(tǒng)會根據(jù)配置規(guī)則自動將業(yè)務流程串聯(lián)運行，實現(xiàn)業(yè)務流程自動化[17]。

4 系統(tǒng)主要產品設計及實現(xiàn)

雷達組網(wǎng)產品生成業(yè)務系統(tǒng)可提供冰雹監(jiān)測、雷達流數(shù)據(jù)快速拼圖、多源融合降水、多源組合風場、雷暴監(jiān)測、臺風定位、降水類型識別、急流等多種豐富的產品。文章選取冰雹監(jiān)測產品、多源融合降水產品、多源組合風場產品、臺風定位產品，闡述其設計與實現(xiàn)。

4.1 冰雹監(jiān)測產品

利用新一代天氣雷達組網(wǎng)三維數(shù)據(jù)，融入高空探測資料，結合天氣雷達組網(wǎng)格點數(shù)據(jù)和雷達冰雹探測理論方法，引入了0 ℃、-20 ℃層高度等本地化參數(shù)，設計開發(fā)了定量化冰雹指數(shù)、概率、直徑等格點產品監(jiān)測功能，跟蹤冰雹天氣的發(fā)生、發(fā)展過程。冰雹監(jiān)測產品技術路線見圖2所示。

圖2 冰雹監(jiān)測產品設計技術路線

中國氣象局災情直報資料顯示2019-05-17T18：00-21：00北京市通州區(qū)、大興區(qū)等地出現(xiàn)冰雹天氣。該系統(tǒng)成功監(jiān)測到此次冰雹天氣過程，其中，雷達組合反射率因子最大值69 dBz，回波頂高超過14 km，強冰雹指數(shù)72，冰雹概率91%，冰雹直徑52 mm。系統(tǒng)監(jiān)測到的冰雹大小及落區(qū)與實況基本一致。

4.2 多源融合降水產品

基于新一代天氣雷達、自動氣象站以及衛(wèi)星多通道資料等多源觀測數(shù)據(jù)，在選取研究區(qū)域均值和標準差特征的基礎上結合天氣雷達定量估測降水產品，利用人工智能方法進行訓練和擬合來獲得多源融合降水產品。系統(tǒng)可提供1 h、3 h或24 h多源融合降水產品。產品時間分辨率為1 h，空間分辨率為1 km×1 km。

4.3 多源組合風場產品

多源組合風場產品將風廓線雷達、天氣雷達的速度方位顯示產品以及探空產品進行組合，形成水平風場。對天氣系統(tǒng)及次天氣系統(tǒng)環(huán)流的強度、位置進行準確描述。產品技術路線包含了單站和組網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理。首先對風廓線雷達與天氣雷達的單站數(shù)據(jù)進行處理及質控，再經(jīng)組網(wǎng)均一性質控，即結合探空與EC背景場進行質控，最終輸出水平風組網(wǎng)產品。

4.4 臺風定位產品

基于天氣雷達組網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用深度學習和計算機視覺的方法，實現(xiàn)對臺風旋轉中心的及時準確定位，提供臺風中心位置、臺風融合風場、臺風移動速度等定量數(shù)據(jù)產品。

使用系統(tǒng)中3 km高度的CAPPI數(shù)據(jù)，針對臺風“安比”、“溫比亞”以及“山竹”等個例，進行臺風中心的識別。系統(tǒng)給出了臺風安比的中心定位結果及其在經(jīng)緯度方向上的誤差，經(jīng)緯度方向上的擬合相關系數(shù)分別為0.9804和0.9941，臺風定位產品的中心識別相關性較好。

5 結束語

1)系統(tǒng)采用Java語言，基于反向代理、分布式數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、三維展示等技術，實現(xiàn)了集產品生成、應用和管理于一體的業(yè)務服務。在數(shù)據(jù)產品的分析應用上融合了更多觀測資料，涵蓋了觀測數(shù)據(jù)及產品展示、數(shù)據(jù)分析、雷達三維剖面分析、監(jiān)測告警、用戶定制等應用服務，為氣象觀測和強天氣監(jiān)測提供精準分析。

2)系統(tǒng)采用關系型數(shù)據(jù)庫與文件型數(shù)據(jù)庫混合搭建的方式解決多種類數(shù)據(jù)存儲問題。在未來業(yè)務擴展方面，采用微服務+工作流引擎架構建設了應用服務層，為業(yè)務擴展提供服務和定制流程服務。采用WebGL技術對數(shù)據(jù)三維可視化展示進行革新，將JavaScript與OpenGL ES 2.0相結合，基于雷達拼圖數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維可視化展示，提升了天氣預報分析工作的“可視化”程度。

3)系統(tǒng)以加強天氣雷達基本產品和三維組網(wǎng)產品應用為重點，并基于多源觀測數(shù)據(jù)發(fā)展冰雹、多源融合降水、風場、臺風定位定強、雷暴監(jiān)測、降水類型識別、急流等綜合觀測產品，提高了強天氣監(jiān)測產品的制作能力，改善了強天氣過程實況預警能力。產品應用效果滿足實際業(yè)務需求，為預報和服務提供了高分辨率精細化產品。