湖南氣象網(wǎng)公眾氣象服務的設計與實現(xiàn)

羅 丹，朱宏武

（1.湖南省氣象服務中心，長沙 410118；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118；3.湖南省氣象信息中心，長沙 410118）

湖南省氣象局基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對湖南氣象網(wǎng)進行了改造升級，根據(jù)公眾的需求，設計多元且個性化的氣象服務產(chǎn)品，包括短臨及中短期的城市預報、格點化預報、景點預報等，自動生成基于位置、圖形圖表化的氣象監(jiān)測、預報、預警產(chǎn)品，有效提升了氣象服務在時空上的精度及氣象信息的使用率，拓寬了氣象信息的覆蓋面，提升了公眾氣象服務的效果與體驗感。

1 網(wǎng)站公眾氣象服務設計

1.1 精細化

精細化主要體現(xiàn)在產(chǎn)品種類以及時空精度兩個方面。

1.1.1 產(chǎn)品種類該系統(tǒng)提供種類豐富、專業(yè)全面的氣象GIS服務及氣象服務產(chǎn)品。其中，氣象GIS服務包括預警（預警信號、預警信號查詢）、預報（城市預報、分鐘級降水預報、強天氣預報、空氣質(zhì)量預報、智能網(wǎng)格預報、旅游景點預報）、實況（氣象要素實況、生態(tài)環(huán)境實況）、雷達回波圖、衛(wèi)星云圖等。同時，網(wǎng)站特別增加了生態(tài)環(huán)境要素的監(jiān)測和空氣質(zhì)量預報信息展示。

氣象服務產(chǎn)品則包括全省降水量預報、全省氣溫預報、專題預報預警產(chǎn)品、全省氣溫實況、全省降水量實況、為農(nóng)氣象服務產(chǎn)品、衛(wèi)星遙感監(jiān)測產(chǎn)品、氣候服務產(chǎn)品、天氣分析圖、臺風路徑等。其中，全省降水量預報、全省氣溫預報等產(chǎn)品均通過圖形化的方式進行展示。

與原網(wǎng)站相比，新網(wǎng)站在產(chǎn)品種類上有了大幅度提升，由十幾種提升至幾十種。產(chǎn)品展現(xiàn)方式也由文檔、圖片擴展到生動專業(yè)的GIS地圖展示，從而取得了量和質(zhì)兩方面的提升，并有效地擴大了氣象服務覆蓋面，提升了氣象服務的科技內(nèi)涵和支撐，為用戶提供了多樣、精細的氣象服務［1］。

1.1.2 時空精度氣象服務板塊的精細化還體現(xiàn)在產(chǎn)品的時空精度上，就時間精度而言，可以提供未來2 h逐5 min降水預報、未來24 h逐小時天氣預報、未來24 h逐3 h智能網(wǎng)格預報、未來14 d逐天天氣預報，相比于原網(wǎng)站產(chǎn)品24 h的時間范圍，新網(wǎng)站在時間精度上取得了大幅度的提升，精確到了分鐘級，并且預報的時間范圍由5 min、1 h、3 h到1 d，實現(xiàn)了時間范圍上的全覆蓋，為不同需求的用戶提供更精準有效的氣象服務。就空間精度而言，能夠提供1 km×1 km的智能網(wǎng)格預報、5 km×5 km的分鐘級降水預報，相比于原網(wǎng)站僅能展示站點數(shù)據(jù)，新網(wǎng)站通過在空間精度上的顯著提升，使用戶能夠獲取到更精細的氣象信息［2］。

1.2 基于位置的服務

1.2.1 氣象GIS服務該系統(tǒng)利用GIS技術(shù)提供了包括預警（預警信號、預警信號查詢）、預報（城市預報、分鐘級降水預報（圖1）、智能網(wǎng)格預報、旅游景點預報等）、實況（氣象要素實況、生態(tài)環(huán)境實況）、雷達回波圖（圖2）、衛(wèi)星云圖等在內(nèi)的氣象GIS服務，將各類氣象數(shù)據(jù)以點位圖、色斑圖等方式在地圖上進行疊加展示。

圖1 分鐘級降水預報

圖2 基于位置的全省雷達拼圖

首先，該系統(tǒng)通過收集湖南省全省行政區(qū)、氣象站等的基礎地理信息，利用GIS桌面制圖技術(shù)規(guī)范，進行二次開發(fā)，提供滿足系統(tǒng)需求的全省GIS地圖，開發(fā)如下的GIS功能：

1）GIS地圖支持多級縮放和拖拽等基本功能。

2）在不同比例尺下支持信息分級顯示功能，始終顯示符合地圖比例尺大小的地理、氣象信息，避免在地圖分辨率較低時在地圖上出現(xiàn)過多的信息。

3）提供氣象站和色斑圖等多種類型的圖層疊加顯示功能。

相比于原網(wǎng)站只能提供圖片及文檔格式的氣象服務產(chǎn)品，新網(wǎng)站提供的GIS氣象服務將原始的實況、預報等氣象數(shù)據(jù)疊加在地圖上，并通過上述GIS功能進行了更直觀、生動、精準展示，提高了氣象服務產(chǎn)品的智能性、科學性、先進性。

1.2.2 高精度IP定位服務 該系統(tǒng)依托全省GIS地圖，結(jié)合百度位置大數(shù)據(jù)和高精尖定位技術(shù)，提供定位氣象服務產(chǎn)品，其定位精度高、覆蓋廣、速度快，定位綜合成功率高，定位誤差低。例如在GIS地圖上準確地展示用戶IP位置未來2 h逐5 min的降水預報信息，用戶還可點擊地圖其他位置更換定位地點，查看其他定位處的降水預報詳情。基于位置展示氣象數(shù)據(jù)的方式，有效地提高了氣象服務產(chǎn)品的精準、靈活、智能化程度［3］。

1.3 數(shù)據(jù)圖形化

該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對各類氣象數(shù)據(jù)進行圖形化處理，以下列4種可視化方式進行展示［4］。

1）圖表。系統(tǒng)利用ECharts工具將24 h預報、14 d預報等以曲線圖的方式進行展示，使用戶能更清晰地了解各氣象要素隨時間的變化趨勢。

2）色斑圖。系統(tǒng)利用java.awt.Graphics2D將各氣象要素、生態(tài)環(huán)境要素、雷達數(shù)據(jù)等以色斑圖的方式在GIS地圖上進行疊加展示，使用戶能了解各氣象要素在不同區(qū)域的分布情況。

3）三維展示。系統(tǒng)利用d3、d3.geo技術(shù)，通過顏色的深淺標示風速大小、氣體流向標示風向，對風預報數(shù)據(jù)進行圖形化處理，并疊加在立體地圖上進行展示，使用戶更直觀地了解全省風預報信息。

4）動態(tài)播放。系統(tǒng)根據(jù)接入的自動站數(shù)據(jù)，再分析數(shù)據(jù)，將其中的風速、風向數(shù)據(jù)結(jié)合地理信息繪制成流線數(shù)據(jù)，使用戶可自由選取風場的高度（地面、500 hPa）進行動態(tài)播放。

相比于原網(wǎng)站圖片、文檔格式的展示方式，新網(wǎng)站將氣象數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)圖形化處理技術(shù)，為不同類型的氣象數(shù)據(jù)匹配不同的可視化展示方式，使用戶能更直觀、清晰地了解所需的氣象信息及氣象數(shù)據(jù)分布情況、變化趨勢，有效地提高了數(shù)據(jù)可視化程度。

2 氣象算法

2.1 資料處理

該系統(tǒng)能夠通過湖南省氣象局網(wǎng)絡，獲取自動站實況數(shù)據(jù)、雷達基數(shù)據(jù)、中尺度模式降水數(shù)據(jù)、全球模式降水數(shù)據(jù)和強降水預報產(chǎn)品。對所獲得的自動站數(shù)據(jù)，質(zhì)控采用Knn-Barnes算法。K-nearest neighbour（knn）算法本身是一種識別算法，可以找尋出離本站點（或格點）最近的K個站點。而Barnes作為一種氣象常用的插值算法，可以有效地利用Knn算法中所尋找到的周邊站點的信息確定本站點（或格點）的信息。在實際數(shù)據(jù)采集過程中，會出現(xiàn)自動站缺測、未及時傳輸上報數(shù)據(jù)等造成數(shù)據(jù)缺失的情況。此時引入Knn-Barnes插值算法可有效解決這一問題，明顯改善數(shù)據(jù)缺測帶來的影響，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，更為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供了保障。

對于該算法，質(zhì)控主要分為氣候極值范圍檢查、內(nèi)部一致性檢查、空間一致性檢查、地形檢查等方面。自動站數(shù)據(jù)首先要滿足極值限定要求，對該點進行Knn-Barnes差值匹配，若其余周圍站點信息一致性較差，則不采信該站點信息，從而完成梯度質(zhì)控。由于各個氣象要素受地形高度的影響較大，在進行插值時，需要考慮由地形高度差引起的誤差。此時，在插值算法中引入地形質(zhì)控，可有效解決這一問題。

2.2 預警提醒

該系統(tǒng)根據(jù)各項指定的氣象指標生成客觀的預報預警產(chǎn)品。根據(jù)網(wǎng)站的IP地址定位功能，自動識別預警范圍內(nèi)的用戶，并在GIS地圖上對相關(guān)用戶進行提示。用戶可根據(jù)自身需要，自由設置預警提示類型，確保用戶可及時關(guān)注到網(wǎng)站的預警提示（圖3）。

圖3 預警信息展示圖

2.3 產(chǎn)品展示

產(chǎn)品有多種展現(xiàn)方式，包括且不限于色斑圖、單點三線圖、單點雨量柱狀圖。在湖南省地圖上，制作不同時段、不同區(qū)域的降水等級預報產(chǎn)品（圖4）。產(chǎn)品格式有word格式、圖片格式和txt格式。

圖4 10 d累計降水色斑圖

網(wǎng)站后臺實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)自動采集、處理、加工成降水實況、預報、預警產(chǎn)品，并疊加湖南省地理信息，無需人工干預，產(chǎn)品自動生成。

該系統(tǒng)具有較好的繼承性，實現(xiàn)湖南省原有GIS信息的融合，所生產(chǎn)的各個信息均可疊加在原有GIS信息上。

基于便攜式圖形工作站，將某一時刻觀測站實況雨量數(shù)據(jù)，按照觀測站點經(jīng)緯度標識在湖南省地圖上，同時疊加顯示降雨區(qū)域以及面雨量（圖5），方便用戶查看降雨實況。

圖5 自動站降雨監(jiān)測

2.4 產(chǎn)品制作

2.4.1 實況監(jiān)測針對降水的實況監(jiān)測，由于定量降水估計產(chǎn)品的空間分辨率和時間分辨率的要求較高，需要解決兩個關(guān)鍵問題。第一，定量降水估計產(chǎn)品的更新頻率很快（10 min一次），在自動站數(shù)據(jù)采集時，不能保證每次所有的自動站數(shù)據(jù)都能穩(wěn)定，出現(xiàn)部分自動站數(shù)據(jù)缺失以及將站點數(shù)據(jù)插值成格點數(shù)據(jù)時出現(xiàn)插值結(jié)果不穩(wěn)定的區(qū)域。第二，由于定量降水估計產(chǎn)品的空間分辨率很高（1 km×1 km），整個湖南省約為50萬個格點。在已有的服務器運算能力條件下，必須保證每10 min更新一次降水實況。由于湖南氣象網(wǎng)面對的公眾用戶眾多，所以要求從數(shù)據(jù)到達至產(chǎn)品生成不能有過多的延時，就必須保證插值算法具有足夠高的運算速度。

針對這種情況采用Knn_Barnes插值算法，該算法融合了Knn算法的大數(shù)據(jù)思想和Barnes算法的氣象理論，可在部分自動站數(shù)據(jù)缺測或者未及時傳輸?shù)竭_的情況下，進行自動站的自動補缺作用，保證1 km×1 km的格點化產(chǎn)品穩(wěn)定生成。同時，由于Knn_Barnes算法在運算前，根據(jù)各個自動站和格點的位置提前生成穩(wěn)定的權(quán)重系數(shù)靜態(tài)文件。在插值運算進行時，可直接調(diào)用，其運算速度是傳統(tǒng)的雙線性插值、克里金插值等傳統(tǒng)算法的幾十倍。

針對自動站稀疏地區(qū)，需要結(jié)合雷達、衛(wèi)星等實況數(shù)據(jù)，利用雷達和衛(wèi)星的降水反演技術(shù)，進行實況反演。采用動態(tài)Z-I關(guān)系方法，根據(jù)最新的雷達和自動站降水數(shù)據(jù)實時更新Z-I關(guān)系，從而減小不同降水過程中雨滴譜差異造成的估算誤差。

將獲取到的站點實況數(shù)據(jù)，通過經(jīng)緯度疊加在對應位置的地圖上，并加入地圖層級比例縮放展示不同層級的數(shù)據(jù)，同時可以通過勾選對映氣象要素來切換，還加入了色斑圖的展示，通過站點插值和湖南省邊界shp文件經(jīng)緯度數(shù)據(jù)生成與邊界吻合的色斑圖。

2.4.2 外推產(chǎn)品針對0～2 h時段，基于已有降水實況及雷達產(chǎn)品等資料，研發(fā)多種外推算法（包括且不限于TREC方法、SCIT算法、光流法、TITAN算法），給出空間分辨率為1 km×1 km，時間分辨率10 min的定量降水預報。由于湖南省地形復雜，水系縱橫，僅采取某一種外推算法進行預報必定限制其準確率。為解決上述問題提供多種外推算法，可幫助用戶選取適應本地化需求的外推產(chǎn)品。其產(chǎn)品快速滾動更新，更新時間間隔在6～10 min。外推算法所得結(jié)果可在用戶端清晰地展示。

針對0～6 h時段，研發(fā)外推算法與模式資料融合算法，由于模式預報結(jié)果與真實的降水情況相比，會出現(xiàn)降水區(qū)域和降水強度的偏移，利用離散傅里葉變換算法和多尺度光流算法對模式預報結(jié)果進行位置訂正，再利用韋伯分布算法對模式預報的降水強度進行訂正，利用動態(tài)權(quán)重融合法對修正后的模式預報結(jié)果和外推預報結(jié)果進行融合，給出空間分辨率為1 km×1 km，時間分辨率為30 min的定量降水預報。產(chǎn)品滾動更新時間間隔在30 min。

針對0～24 h時段，基于現(xiàn)有中尺度模式結(jié)果，將其在時間、空間上進行降尺度。使得產(chǎn)品的空間分辨率為1 km×1 km，時間分辨率為1 h。Knn-Barnes插值算法，給出精細網(wǎng)格化降水預報產(chǎn)品。相比于傳統(tǒng)的雙線性插值方法，該算法具有計算速度快、占用資源少等優(yōu)勢。

2.4.3 智能網(wǎng)格預報解析獲取的智能網(wǎng)格文件，起報時間為8時和20時，在地圖上展示逐3 h格點預報數(shù)據(jù)，展示要素包括降水、氣溫、最高氣溫、最低氣溫、濕度、能見度（圖6）。可隨時隨地獲得基于位置的精細化氣象服務，將實現(xiàn)從傳統(tǒng)站點預報向格點預報的轉(zhuǎn)變。

圖6 智能網(wǎng)格預報

2.4.4 24 h城市預報通過精細化氣象服務產(chǎn)品國省共享平臺獲取小時分辨率預報和24 h分辨率預報數(shù)據(jù)（圖7），再結(jié)合地圖和E-CHART彈窗的方式列表顯示對應的天氣圖標、天氣現(xiàn)象、氣溫等要素，點擊地圖上站點可以任意切換對應的站點數(shù)據(jù)。

圖7 24 h城市預報

3 小結(jié)

該系統(tǒng)實現(xiàn)了湖南氣象部門網(wǎng)站集約化，統(tǒng)一全省氣象部門信息的發(fā)布窗口，建立省級主站及14個市（州）子站，采用統(tǒng)一的后臺、統(tǒng)一的風格、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源、統(tǒng)一氣象服務產(chǎn)品展示模式［5］，實現(xiàn)了湖南氣象網(wǎng)內(nèi)容管理平臺、信息發(fā)布服務平臺、業(yè)務管理平臺的統(tǒng)一，實現(xiàn)了氣象信息、氣象新聞的實時發(fā)布，信息的快速傳播，內(nèi)容的有效整合，資源的便捷共享，服務的雙向互動。湖南氣象網(wǎng)成為面向社會公眾提供權(quán)威、及時、準確的網(wǎng)絡氣象信息服務的總出口與總平臺。