三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)升級改造研究

易香妤，徐衛(wèi)立，李 波

(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

自2002年成立起，三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心(以下簡稱“三峽梯調(diào)”，TGDCC )氣象服務在上游流域梯級水庫的施工建設、防洪調(diào)度、電力生產(chǎn)、長江航運等方面發(fā)揮了重要保障作用。

為了提供優(yōu)質(zhì)的氣象服務，長江電力在電力行業(yè)率先建立了三峽梯調(diào)專業(yè)氣象團隊，并從2002年開始投入試運行了三峽梯調(diào)中心專業(yè)氣象臺氣象應用軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了氣象信息傳輸處理、氣象信息數(shù)據(jù)庫管理、氣象業(yè)務監(jiān)測、氣象信息加工與分析預測系統(tǒng)、氣象預報業(yè)務工作平臺、氣象信息與預報產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)等功能模塊[1]。初期的氣象業(yè)務系統(tǒng)設計合理、運行穩(wěn)定、預報與服務效果良好，常規(guī)降水預報準確率為90%，較均值提高了5%，強降水預報準確率為38%，較均值提高了4%[2]，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

在多年的生產(chǎn)應用過程中，三峽梯調(diào)中心專業(yè)氣象臺氣象應用軟件系統(tǒng)針對精度提升、穩(wěn)定數(shù)據(jù)、業(yè)務擴展、功能優(yōu)化及軟硬件平臺等方面等進行了多次系統(tǒng)升級改造，建成了基于Arcgis Engine的三峽梯級調(diào)度可視化氣象業(yè)務系統(tǒng)，提升了三峽梯調(diào)氣象水文信息服務的可視化效果和實用性，相關(guān)功能還在湖北省氣象局有關(guān)單位的氣象決策服務和天氣會商業(yè)務中得到應用[3]。

隨著金沙江下游-三峽流域梯級電站的開發(fā)和電力市場的改革，面對長江上游流域復雜的地理地貌和天氣特征，三峽梯調(diào)的生產(chǎn)業(yè)務對三峽梯調(diào)氣象服務保障提出了更高的要求。氣象服務的范圍不僅要由庫區(qū)的“點”推廣至流域的“面”，多庫聯(lián)合調(diào)度、長江上游流域的防災減災、生態(tài)調(diào)度等業(yè)務還需要氣象預報預測服務在時效性、精細化、準確性等方面進行全面的提升[4]。同時原系統(tǒng)在硬件環(huán)境方面存在設備硬件良莠混雜、數(shù)據(jù)處理存儲能力落后、通信鏈路無法滿足大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟮葐栴}；在業(yè)務體系方面存在信息孤島[5]、業(yè)務煙囪等問題，各業(yè)務系統(tǒng)間缺乏有效協(xié)作和聯(lián)動，制約了系統(tǒng)效能的發(fā)揮、業(yè)務水平的提升；在系統(tǒng)架構(gòu)方面存在凌亂分散、不易維護升級以及數(shù)據(jù)環(huán)境不統(tǒng)一、應用接口不標準等問題。面對業(yè)務不斷擴展與系統(tǒng)需求不足的矛盾，對現(xiàn)有氣象業(yè)務系統(tǒng)進行升級改造是進一步提升預報準確率、提高工作效率、緊跟業(yè)務需求的有效手段。

1 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)升級

在氣象系統(tǒng)現(xiàn)有功能和資源的基礎(chǔ)上，三峽梯調(diào)氣象業(yè)務自2018年開始注重打造高性能、可靠的底層軟硬件平臺，加強頂層設計，建立集約化的氣象業(yè)務系統(tǒng)，對三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)的體系架構(gòu)、基礎(chǔ)環(huán)境、系統(tǒng)功能等進行了全面的改造升級。改造設計后的系統(tǒng)總體架構(gòu)采用分層設計思想，以降低層與層之間的耦合、提高系統(tǒng)可擴展性為基本原則，系統(tǒng)升級后的設計結(jié)構(gòu)包含四大板塊：基礎(chǔ)設施支撐環(huán)境、數(shù)據(jù)支撐管理系統(tǒng)、氣象預報預測平臺、氣象業(yè)務服務平臺，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture diagram for Meteorological Service System of TGDCC

經(jīng)過約2 a升級改造，新氣象業(yè)務系統(tǒng)于2020年汛期開始試運行，并于2021年汛期正式投入使用，命名為三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)。升級改造后豐富了產(chǎn)品內(nèi)容、提升了服務質(zhì)量，且較好地整合兼容新老業(yè)務系統(tǒng)，并能與水調(diào)、電調(diào)等業(yè)務系統(tǒng)協(xié)作運行，為金沙江下游-三峽梯級水庫聯(lián)合調(diào)度生產(chǎn)提供“及時、精確、可靠”的氣象預報預測服務能力提供了重要技術(shù)保障。

2 系統(tǒng)升級功能

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)實現(xiàn)的常用業(yè)務功能前端展示主要在三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)和三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)中，本文簡要介紹其重要功能。

2.1 系統(tǒng)功能

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)是面向三峽梯調(diào)氣象預報員的核心業(yè)務平臺，平臺依托湖北省氣象局的天擎系統(tǒng)、HBase分布式數(shù)據(jù)庫、Cassandra 分布式數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)資源，開發(fā)了綜合監(jiān)測、氣象信息綜合分析、壩區(qū)天氣預警、預報訂正、產(chǎn)品制作發(fā)布、流域氣候和評價檢驗六大模塊功能。平臺界面如圖2所示。

圖2 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)界面示意Fig.2 Schematic diagram of the interface for Meteorological Operation System of TGDCC

2.1.1 實況監(jiān)測產(chǎn)品豐富

在實況監(jiān)測的手段和數(shù)量方面，三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)實現(xiàn)了較大突破。預報員可依據(jù)自動站的類型對長江流域降水、氣溫、氣壓、濕度、能見度、風、面雨量等進行實時監(jiān)測；也可以查看長江流域雷達拼圖(包括組合反射率、回波頂高、液態(tài)水含量、三維反射率)和氣象衛(wèi)星產(chǎn)品(包含風云2號、風云4號、葵花8號衛(wèi)星觀測結(jié)果)；此外，系統(tǒng)還能滿足雷暴大風、短時強降水、冰雹天氣監(jiān)測報警產(chǎn)品的生成、報警以及雷達定量降水估算產(chǎn)品結(jié)果顯示。

2.1.2 警報預警時效性高

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)實現(xiàn)了壩區(qū)強天氣監(jiān)測報警功能和壩區(qū)預警產(chǎn)品一站式制作和一鍵式發(fā)布功能。預報員通過自動監(jiān)測站、雷達拼圖、衛(wèi)星云圖等實時信息，預報三峽壩區(qū)、葛洲壩壩區(qū)和三峽專用公路沿線的短時強降水、大風等災害性天氣，當監(jiān)測到實況超過閾值時，系統(tǒng)采用圖、文、聲等方式進行報警，及時提醒值班預報員快速響應，大大提高了警報和預警工作的效率和響應時間。

2.1.3 多時間尺度的氣候產(chǎn)品

系統(tǒng)提供多時間尺度的氣候產(chǎn)品，包括：① 長江流域雨季(金沙江雨季、梅雨、華西秋雨)的首場和末場強降水、140項氣候系統(tǒng)指數(shù)的長期監(jiān)測；② 多模式長江流域主要氣象站點延伸期(11～30 d)降水集合過程預報；③ 水庫調(diào)度關(guān)鍵期(消落期、汛期、蓄水期等特定時期)內(nèi)長江流域降水趨勢預測；④ 長江流域月、季、年降水趨勢預測。隨著延伸期降水預測對水庫調(diào)度計劃的影響越來越深遠，多時間尺度的氣候預測產(chǎn)品為預報員提供了更科學高效的技術(shù)支撐。

2.2 三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)

三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)是在氣象業(yè)務系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的面向三峽水庫梯級調(diào)度各類用戶的氣象業(yè)務服務平臺。平臺數(shù)據(jù)源包括CMACast衛(wèi)星的接收資料和智能預報預測平臺生成的各類產(chǎn)品，采用B/S架構(gòu)，通過leaflet地理信息系統(tǒng)框架進行交互和顯示，主要提供氣象產(chǎn)品展示、綜合信息查詢、業(yè)務監(jiān)控管理，可實現(xiàn)綜合降水、受電區(qū)氣溫、臺風的監(jiān)測，提供壩區(qū)預警、預報產(chǎn)品、模式預報的查詢，提供氣象知識科普學習功能，實現(xiàn)流程化天氣預報會商，并可對系統(tǒng)進行管理，平臺界面如圖3所示。

圖3 三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)界面示意Fig.3 Schematic diagram of the interface for Meteorological Information Network of TGDCC

3 系統(tǒng)升級成效

3.1 數(shù)據(jù)平臺

氣象數(shù)據(jù)是氣象業(yè)務和科學研究的基礎(chǔ)，隨著現(xiàn)代氣象技術(shù)的發(fā)展，氣象觀測數(shù)據(jù)(地面、高空各層多要素，雷達、衛(wèi)星)、數(shù)值模式數(shù)據(jù)(天氣模式、氣候模式)及二次開發(fā)等產(chǎn)品數(shù)據(jù)如雨后春筍般涌現(xiàn)，單日接收數(shù)據(jù)量從“以G計量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙訲計量”，海量的氣象大數(shù)據(jù)給傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺的管理和服務帶來巨大壓力。升級后的氣象業(yè)務系統(tǒng)依托湖北省氣象局的數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建了以云平臺為支撐，多信息渠道為保障，本地數(shù)據(jù)庫共享同步的專用氣象信息網(wǎng)絡[6]，實現(xiàn)了氣象大數(shù)據(jù)的實時收集，并與三峽梯調(diào)水調(diào)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互和互備，開啟了氣象水文信息的深度共享的新局面。

3.2 分析系統(tǒng)

氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)是當前中國氣象預報行業(yè)內(nèi)的重要支撐平臺[7]。三峽氣象業(yè)務所使用的氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)從早期的第二代(MICAPS2)升級為第四代(MICAPS4)，并逐漸向云化、智能化發(fā)展。MICAPS4靈活性高、開放程度大，提供完整的數(shù)據(jù)采集、預報員交互操作和數(shù)據(jù)分析服務，預報員能夠在短時間內(nèi)分析氣象實況資料和數(shù)值分析預報產(chǎn)品，并掌握大氣三維結(jié)構(gòu)的運動狀況[8]。

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量

為加強流域短時降水預報能力，新系統(tǒng)引入了基于變分光流法的雷達外推、高分辨率快速同化預報產(chǎn)品與雷達資料外推相融合[9]的三峽庫區(qū)短時網(wǎng)格預報產(chǎn)品，提升了三峽庫區(qū)強降水過程短臨預報、災害性天氣警報和預警的準確率。2021年，三峽-葛洲壩壩區(qū)發(fā)布了147次天氣警報和39次天氣預警，全年天氣無漏報，警報預警評分超90%。

為支持水文精細預報，建立了從實況、短時、短期到中期的精細化、網(wǎng)格化的長江流域降水監(jiān)測預報產(chǎn)品，實現(xiàn)了流域氣象預報從固定分區(qū)的流域面雨量跨度預報向任意分區(qū)降水格點預報的轉(zhuǎn)變，為提升水文預報的預報精度和延長洪水預見期提供了變革性的氣象支持。

采用前期環(huán)流特征、海洋特征和大氣下墊面的氣候特征等信息，基于氣候數(shù)值模式法、數(shù)值模式的環(huán)流降尺度法提供長江流域月尺度降水氣候趨勢預測產(chǎn)品；利用長江流域氣象站點資料和大氣環(huán)流指數(shù)資料及模式輸出資料，依托最優(yōu)子集回歸統(tǒng)計預測法、前期氣候特征相似組合法、動力模式降尺度法等提供長江流域關(guān)鍵期(消落期、汛期、蓄水期)、季、年尺度氣候預測的業(yè)務產(chǎn)品，各時間尺度氣候預測產(chǎn)品對后期調(diào)度計劃具有較大參考作用[10]。例如2021年7月21日起的延伸期預報準確預判了長江上游8月上旬末開始將轉(zhuǎn)入多雨形勢，同年汛期前成功將長江干流以北降水偏多情形提前預測，準確的降雨形勢預判對后期調(diào)度計劃提供了強有力的技術(shù)保障。

3.4 個性服務

隨著業(yè)務的創(chuàng)新擴展，氣象業(yè)務在生產(chǎn)中的重要性逐日顯現(xiàn)。從流域大水電的降雨預報和氣候預測，到受電區(qū)域特殊天氣(寒潮、高溫、臺風等)跟蹤預報，再到發(fā)展中的金沙江新能源風、光資源評估預測，梯調(diào)氣象依靠業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的完善升級，針對不同業(yè)務板塊提供了專業(yè)、豐富、個性化的氣象服務產(chǎn)品，利用氣象信息網(wǎng)的“天氣預報會商”模塊能進行流程化水文氣象會商，實現(xiàn)了有力的基礎(chǔ)服務保障。

4 結(jié) 語

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務系統(tǒng)的升級使用是利用共享氣象大數(shù)據(jù)平臺，完成了共享使用和氣象產(chǎn)品二次開發(fā)應用，建成了無縫隙、格點化、精細化、定量化的流域降水預報體系，實現(xiàn)了流域降水預報從面雨量跨度預報向分區(qū)格點預報轉(zhuǎn)變，打造了各業(yè)務板塊個性化的氣象業(yè)務應用服務，延長了氣象預報預見期，有效提高了梯級水庫氣象監(jiān)測、短中期預報、氣候預測的精確度。