基于業(yè)務一體化的預報預警質(zhì)量檢驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

謝豐， 劉延瑞， 馬艷， 畢瑋， 任兆鵬*

(1.青島市氣象局， 山東,青島 266003；2.青島市氣象災害防御工程技術(shù)研究中心， 山東,青島 266003)

0 引言

隨著各行業(yè)對氣象服務需求的不斷增長，天氣預報預警業(yè)務也不斷向精細化、集約化方向發(fā)展。在國家以及各省、市、縣氣象業(yè)務不斷推進的大前提下，氣象一體化業(yè)務建設工作也取得了長足的進步。針對新形勢下氣象業(yè)務發(fā)展中數(shù)據(jù)管理不夠規(guī)范高效、數(shù)據(jù)共享不夠及時、預報預警信息發(fā)布效率低下、業(yè)務平臺零散以及業(yè)務工作冗余等問題，各級氣象部門根據(jù)自身業(yè)務實際情況相繼研發(fā)了業(yè)務一體化平臺[1-3]，有效提高了氣象業(yè)務工作效率，提升了氣象服務自動化水平。

災害性天氣的多發(fā)頻發(fā)對我國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟造成不小的影響，國家應急管理部門對氣象預報及災害性天氣突發(fā)預警也越來越重視。為加強氣象預報及氣象災害預警信號業(yè)務管理，促進氣象預報及預警質(zhì)量提高，各級氣象部門也分別開展了預報質(zhì)量及預警信號質(zhì)量檢驗工作，研發(fā)了預報及預警信號質(zhì)量檢驗平臺或系統(tǒng)[4-7]。

但目前多數(shù)氣象業(yè)務一體化平臺雖融合了氣象數(shù)據(jù)資料整合、氣象預報、氣象服務產(chǎn)品制作、氣象信息發(fā)布等功能，將預報預警信號質(zhì)量檢驗同時納入一體化業(yè)務平臺的系統(tǒng)及其研究卻相對較少。本研究將預報預警信號質(zhì)量檢驗系統(tǒng)與氣象業(yè)務一體化系統(tǒng)進行融合，將氣象數(shù)據(jù)資源后臺集中調(diào)度，對業(yè)務平臺系統(tǒng)進行合理精簡，對預報員工作流程進行簡化，為提高預報業(yè)務工作效率和提升預報預警業(yè)務質(zhì)量提供了更好的平臺。

1 需求分析

為進一步推進預報業(yè)務和災害性天氣預警業(yè)務發(fā)展，國家氣象局要求對預報預警信號質(zhì)量在業(yè)務中進行檢驗，在實際業(yè)務中，預報及預警信號檢驗過程十分繁瑣。預報員每天從不同數(shù)據(jù)源調(diào)取報文，人工校驗計算，工作效率不高，同時需完成每月各種預報及預警信號質(zhì)量統(tǒng)計檢驗報表制作，并結(jié)合預報預警質(zhì)量檢驗結(jié)果計算預報績效考核評分和預警信號質(zhì)量檢驗評分，工作量繁雜冗余。整個操作過程存在數(shù)據(jù)來源分散、工作流程繁復、人工統(tǒng)計誤差概率高、業(yè)務對接流暢性低、業(yè)務系統(tǒng)集約化差等問題。

結(jié)合業(yè)務實際，針對上述問題，基于業(yè)務一體化平臺的預報預警質(zhì)量檢驗系統(tǒng)需滿足以下功能需求[8-9]：① 通過關(guān)聯(lián)一體化平臺后臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)報文、實況數(shù)據(jù)，預警信號自動入庫、自動校驗；② 根據(jù)預報質(zhì)量檢驗辦法實現(xiàn)每日預報質(zhì)量檢驗，計算每日預報評分；③ 實現(xiàn)每月預報成績匯總評分，生成報表；④ 根據(jù)預警信號質(zhì)量檢驗辦法實現(xiàn)每次預警信號質(zhì)量檢驗，計算預警信號提前量和準確性；⑤ 每月生成不同類別災害性天氣預警信號質(zhì)量檢驗報表。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)整體采用B/S架構(gòu)，選用ASP.NET框架，前臺頁面使用HTML5+CSS+JS進行開發(fā)，后臺使用C#語言，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫對后臺數(shù)據(jù)進行存儲和管理。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設計

系統(tǒng)整體由數(shù)據(jù)采集層、技術(shù)支撐層、業(yè)務功能層和用戶應用層等4層邏輯架構(gòu)組成，如圖1所示[10]。數(shù)據(jù)采集層包括數(shù)據(jù)庫設計、數(shù)據(jù)調(diào)用；技術(shù)支撐層包括報文讀取算法、預報質(zhì)量檢驗算法、預警信號質(zhì)量檢驗算法、評分算法；業(yè)務功能層包括數(shù)據(jù)校驗、預報質(zhì)量檢驗、預報評分、預警信號質(zhì)量檢驗、預警信號質(zhì)量評分；用戶應用層對接業(yè)務一體化平臺中領班、值班、首席等不同班次預報員。

圖1 預報預警質(zhì)量檢驗系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能設計

(1) 在預報質(zhì)量檢驗模塊中，根據(jù)《全國城鎮(zhèn)天氣預報質(zhì)量檢驗方案》，結(jié)合業(yè)務實際，對青島轄區(qū)范圍內(nèi)各區(qū)市共計7個大監(jiān)站站點實現(xiàn)每日預報報文質(zhì)量檢驗及預報質(zhì)量評分。具體功能實現(xiàn)中，對青島市轄區(qū)內(nèi)7個站點預報報文進行降水及溫度預報的正確性質(zhì)量檢驗，給出檢驗結(jié)果；根據(jù)檢驗結(jié)果，參照《全國城鎮(zhèn)天氣預報質(zhì)量檢驗方案》中預報質(zhì)量檢驗評分標準，對預報成績按照0～72 h內(nèi)各時效晴雨、一般性降水、最高(低)溫度和0～48 h內(nèi)暴雨(雪)共5項TS評分定量計入預報質(zhì)量積分，給出預報員每人每日每月具體預報質(zhì)量評分，量化檢驗指標。

(2) 在預警信號質(zhì)量檢驗模塊中，根據(jù)《氣象災害預警信號質(zhì)量檢驗辦法(試行)》，結(jié)合山東省氣象局劃定的全省預警信號質(zhì)量檢驗指標站點，實現(xiàn)對青島市區(qū)范圍內(nèi)(市區(qū)、嶗山區(qū)、城陽區(qū)、黃島區(qū))參加預警信號質(zhì)量檢驗的24個站點進行預警信號質(zhì)量檢驗的功能。在具體功能實現(xiàn)中，分別對檢驗站點的暴雨、暴雪、大風、大霧、霾這5種預警信號的發(fā)布進行分級檢驗，給出不同類型不同級別預警信號的TS評分、命中率、漏報率、空報率準確性和時間提前量等指標的檢驗結(jié)果，根據(jù)檢驗結(jié)果給出每月預警信號分級不同類別不同級別的正確率TS評分和預警、準確預警、有效預警時間提前量匯總統(tǒng)計表，并提供導出功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示[10]。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫采用SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)系統(tǒng)實際業(yè)務邏輯及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照數(shù)據(jù)庫第三范式進行設計。根據(jù)系統(tǒng)需求分析及數(shù)據(jù)流向，遵循系統(tǒng)功能邏輯層次，系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型如圖3的E-R關(guān)系圖所示。數(shù)據(jù)表包含預報員表、排班表、排班說明表、預報報文表表、報文內(nèi)容表、天氣現(xiàn)象編碼表、實況數(shù)據(jù)表、預報每日評分表、預報每月評分表、預警信號內(nèi)容表、預警信號指標站點表、預警信號檢驗表、預警信號統(tǒng)計表等十多個數(shù)據(jù)表，各數(shù)據(jù)表通過主、外鍵進行關(guān)聯(lián)。

圖3 數(shù)據(jù)庫E-R關(guān)系圖

2.4 預報預警檢驗流程設計

預報預警檢驗過程中，實況數(shù)據(jù)、預報報文和預警信號數(shù)據(jù)分別來源于全國綜合氣象信息共享平臺CIMISS系統(tǒng)、NAS文件服務器和一體化平臺，經(jīng)文件同步程序同步至各相應數(shù)據(jù)庫；再通過系統(tǒng)后臺算法對預報中晴雨、高(低)溫、降水，預警信號中準確率TS評分、命中率、漏報率和空報率各項進行逐一對比檢驗，分別得到預報及預警信號質(zhì)量檢驗結(jié)果進行入庫；最后通過Web服務器到達系統(tǒng)前端，在一體化平臺頁面中進行展示。預報預警檢驗設計流程圖如圖4所示。

3 功能測試及功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)兩部分功能研發(fā)完成后，基于軟件研發(fā)V模型和系統(tǒng)測試流程及方法，結(jié)合預報員工作實際應用，對兩大功能模塊進行了逐一測試，以各模塊中實際實現(xiàn)功能為例，設計了如表1所示測試用例。

圖4 預報預警檢驗設計流程圖

由表1可見，測試結(jié)果與對應測試用例中的預期效果一致，表明預報及預警信號質(zhì)量檢驗系統(tǒng)個各功能模塊的實現(xiàn)與系統(tǒng)建設初期設計一致，符合設計預期及業(yè)務實際需求。

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

在預報質(zhì)量檢驗模塊具體功能實現(xiàn)上，按照系統(tǒng)設計分別以預報每日成績、預報每月成績兩個功能頁面體現(xiàn)。在預報每日成績中，根據(jù)預報質(zhì)量檢驗內(nèi)容通過算法程序后臺運行分別對每日集體報、每日值班預報員個人報進行24、48、72 h晴雨、高低溫、降水以及24、48 h暴雨(雪)TS檢驗評分體現(xiàn)。在預報每月成績中，匯總體現(xiàn)當月個人及集體晴雨、高低溫、降水及暴雨(雪)TS總分及加權(quán)總分。具體功能實現(xiàn)如圖5所示。

在預警信號質(zhì)量檢驗模塊具體功能實現(xiàn)上，按照系統(tǒng)設計分別以預警信號檢驗和預警信號每月統(tǒng)計2個功能頁面體現(xiàn)。在預警信號檢驗中，根據(jù)預警信號質(zhì)量檢驗內(nèi)容通過分級檢驗算法程序后臺運行，分別對指標站點的暴雨、暴雪、大風、大霧、霾這5種預警信號的時間提前量、準確性進行檢別，并將預警信號按照不同級別，通過準確性和時間提前量算法程序后臺運行，對其進行TS評分、空報率、漏報率、命中率和時間提前量直觀展示，并提供每月預警信號質(zhì)量檢驗驗結(jié)果體現(xiàn)，同時體現(xiàn)預警信號發(fā)布時間、類型、級別和最早到達預警站點以及最早到達數(shù)值，直觀展示每一次預警信號的發(fā)布質(zhì)量。在預警信號每月統(tǒng)計中，對當月不同類報表導出功能。具體功能實現(xiàn)如圖6所示。

表1 預報預警系統(tǒng)質(zhì)量檢驗功能測試用例

在數(shù)據(jù)校驗具體功能實現(xiàn)上，通過對預報報文、自動站實況數(shù)據(jù)以及預警信號通過數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)后臺自動調(diào)取，對應預報及預警發(fā)布時間，對自動站實況數(shù)據(jù)入庫時間進行數(shù)據(jù)完整性校驗。具體功能實現(xiàn)如圖7所示。

4 總結(jié)

在各行業(yè)對氣象服務需求不斷增長的前提下，隨著現(xiàn)代化氣象業(yè)務建設的不斷推進，以及氣象預報預警技術(shù)的不斷發(fā)展，對其結(jié)果進行及時準確的質(zhì)量檢驗，通過檢驗結(jié)果不斷矯正訂正預報預警技術(shù)方法，是提供更加高效、精細化氣象服務的支撐。本文所設計的基于氣象業(yè)務一體化的預報預警質(zhì)量檢驗系統(tǒng)已正式投入業(yè)務應用。應用結(jié)果表明：基于業(yè)務一體化的預報預警質(zhì)量檢驗系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)完善、數(shù)據(jù)集約程度較高、整體運行狀態(tài)平穩(wěn)。系統(tǒng)各功能模塊在對預報員工作流程簡化、提高預報業(yè)務工作效率和提升預報預警業(yè)務質(zhì)量等方面都達到了預期效果，實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)資源后臺集中調(diào)度、業(yè)務平臺系統(tǒng)合理精簡這一目標，具有很強的應用推廣價值。

圖5 預報每日及每月成績功能實現(xiàn)展示

圖6 預警信號檢驗及月統(tǒng)計功能實現(xiàn)展示