玉溪山地云海景觀預報系統(tǒng)的設計與實現

丁圣 申文熙 吳沅芳

摘? 要：該文設計的玉溪山地云海景觀預報系統(tǒng)，依托氣象內網氣象信息共享平臺（CIMISS）統(tǒng)一數據環(huán)境和服務接口，借助局地氣象站觀測數據、當地氣象預報數據和視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀測的云海出現時間數據自動計算云海出現概率預報方程，支持人機交互訂正預報結果，提供完整、及時、穩(wěn)定、準確的云海景觀預報服務。該系統(tǒng)的部署使用簡單，維護成本低，已在玉溪部分縣局投入使用，具有良好的應用推廣前景，有利于提升基層氣象服務供給水平。

關鍵詞：云海；預報；設計與實現

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0029-04

Abstract： Based on the unified data environment and service interface of the meteorological intranet meteorological information sharing platform （CIMISS）， the cloud sea landscape forecast system in Yuxi mountain designed in this paper automatically calculates the cloud sea occurrence probability prediction equation with the help of the local meteorological station observation data， local meteorological forecast data and the cloud sea occurrence time data observed by the video monitoring system， and supports human-computer interaction to revise the forecast results， providing complete， timely， stable， accurate cloud sea landscape forecast service. The deployment and use of the system is simple， and the maintenance cost is low. It has been put into use in some counties and bureaus in Yuxi. It has a good prospect of application and promotion， and is conducive to improving the level of meteorological service supply at the grass-roots level.

Keywords： cloud sea; forecast; design and implementation

0? 引? 言

云海是山岳地區(qū)風景的重要景觀之一，當旅游者努力攀爬直至高山之巔，看到眼前海天高遠，蒼茫空闊之境時，心情暢快淋漓。云海是攝影愛好者和云海觀賞者的心儀之地，然而云海出現的地方大多在大山上，距離鬧市較遠，由于缺乏景觀預報，一些攝影愛好者會一連數日早起守候云海奇觀，耗費大量的經濟成本和時間成本。

云海是一種嚴重依賴于氣象條件的自然景觀，是山岳間充沛水汽與靜穩(wěn)大氣層結等氣象條件共同作用形成的特殊云層。云海的出現需要靜穩(wěn)的大氣條件，因空氣中水汽因輻射冷卻達到過飽和而形成。云海和霧都有著共同的天氣學成因，結合霧的特征分析研究[1，2]，有研究人員對部分著名景點的云海景觀進行過天氣學分析并結合天氣過程進行預報[3，4]，傳統(tǒng)上針對云?；蜢F的研究主要是運用天氣學原理和氣候學特征尋找指標群，依賴預報員經驗結合水汽和靜穩(wěn)天氣形勢綜合判斷做出預報，云南的云海地域跨度小，僅局限于數千米范圍的地域內，使用常規(guī)低解析度的數值預報產品即使是同化后的資來進行預報模擬，不確定性太高，建立局地加密區(qū)域站觀測，利用數理統(tǒng)計方法建立本地化的預報回歸方程才是經濟合理的技術路線。

云海預報服務一般附屬于其他氣象服務業(yè)務系統(tǒng)的一部分，缺乏專門針對基層云海預報服務的業(yè)務系統(tǒng)。基于局地云海觀測開發(fā)一套適合基層使用的云海預報服務業(yè)務系統(tǒng)很有必要[5-7]，原因有二：一是云海作為一種局地景觀現象，一般局限在縣域內，空間分辨率在千米級別，和當地下墊面自然環(huán)境關系密切，尋找普適預報方法及指標不可能，需要當地預報人員不斷總結提煉適合當地的云海預報方法和預報指標；二是現有的氣象服務業(yè)務系統(tǒng)功能模塊較多，學習、部署及維護成本較高，不適合基層氣象部門直接拿來開展云海旅游氣象服務業(yè)務工作使用。

1? 系統(tǒng)設計

1.1? 架構設計

系統(tǒng)按照軟件工程“高內聚低耦合”的思想采用3層架構設計[8-11]，如圖1所示。考慮到系統(tǒng)用戶群固定在氣象臺站內部使用，為提供更快的響應速度和靈活的人機交互，同時考慮到維護和管理工作量不大，設計使用C/S（客戶機/服務器）架構。

表現層用于系統(tǒng)功能操作人機交互的界面展示和設計，為數據顯示、數據查詢等功能提供界面接口，為用戶提供了交互的工具，也為顯示和提交數據實現了一定的邏輯。

數據層完成讀取數據或寫入數據的工作，集合氣象監(jiān)測數據（含云海觀測數據）、氣象預報數據、預報方程參數、角色權限參數等各種不同類型的數據訪問。

系統(tǒng)主要功能和業(yè)務邏輯都在服務層內進行處理，相當于中間類的作用，方便程序開發(fā)者維護管理，無需關注架構或底層數據變化，主要完成云海預報制作及發(fā)布、云海預報歷史查詢及建議、相關角色權限管理等功能。

1.2? 安全設計

氣象數據是氣象業(yè)務、科研、服務、培訓工作的基礎資料，也是國家經濟建設、國家安全建設的重要信息資源。做好氣象數據安全管理和利用，是發(fā)揮氣象數據在提高氣象預測預報能力、氣象防災減災能力、應對氣候變化能力、開發(fā)利用氣候資源能力的基礎。網絡安全對于氣象業(yè)務的重要性不言而喻，需要嚴格氣象數據訪問授權，加強對氣象數據訪問、加工利用和對外服務的記錄與審計，保障氣象數據安全。

所有客戶端均部署于氣象內網，僅系統(tǒng)運行的預報方程參數、系統(tǒng)參數、角色權限參數和云海預報結果存放于公網阿里云數據庫中，便于管理和維護，用戶口令等數據都加密存儲，針對注入攻擊要增加安全防范代碼，提升安全性。系統(tǒng)通過氣象廣域網訪問氣象監(jiān)測數據，系統(tǒng)部署終端設備應關閉不需要的系統(tǒng)服務和高危端口；設備口令強度應滿足規(guī)定要求；應通過接入方式等對設備管理進行限制；能夠發(fā)現可能存在的漏洞，經測試評估后修補漏洞；應能夠檢測到對重要節(jié)點進行入侵的行為，并在發(fā)生入侵時提供報警。要求主機和終端必須安裝防護軟件并定期進行升級，免受惡意代碼的攻擊。

1.3? 系統(tǒng)部署設計

良好的系統(tǒng)拓撲架構不僅能提高系統(tǒng)的性能，也為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供良好的保證機制。云海景觀預報系統(tǒng)設計支持不同基層臺站同時使用，實現了多區(qū)域、多用戶的擴展功能，便于推廣，為加強安全防護和節(jié)約維護運營成本，系統(tǒng)基于最小數據原則同時考慮到可擴展性進行云平臺部署，系統(tǒng)部署設計如圖2所示，氣象云數據中心位于氣象部門內網，即氣象內網（China Integrated Meteorological Information Service System， CIMISS）基礎平臺[12]，系統(tǒng)通過MUSIC標準接口調取CIMISS中的數據，螢石云是海康公司提供的私有云監(jiān)控系統(tǒng)，云海站點的歷史和實時影像可用通過螢石云觀看，云海預報歷史數據放在阿里云數據庫中，不同臺站只需要配置各自數據接口和角色權限即可使用。

1.4? 功能模塊設計

系統(tǒng)功能設計成預報制作、歷史預報查詢、歷史預報檢驗、系統(tǒng)設置四大模塊，如圖3所示。預報制作模塊用于錄入數據，調取并顯示后臺數據庫的云海氣象站數據、天氣預報數據和云海實時監(jiān)控網頁，根據預報模式方程計算出結果給出云海預報建議，人機交互后生成云海預報結果。歷史預報查詢模塊能夠對云海預報、實況和氣象要素數據進行歷史查詢和瀏覽。歷史預報檢驗模塊能夠對指定時間段云海歷史預報數據進行預報檢驗，得出云海預報準確率、空報率和漏報率。系統(tǒng)設置模塊用于預報人員角色設置及云海預報使用的氣象站點信息及數據接口的參數設置。

1.5? 數據設計

系統(tǒng)運行所需要的全部數據都來自氣象部門。實現云海預報需要云海地區(qū)梯度氣象觀測的氣壓、氣溫、濕度、風向風速、降雨量、逆溫等氣象觀測要素數據，需要記錄當地的天空狀況、日出日落時間及預報的氣象要素和天空狀況信息，還需要記錄觀測到的云海出現日期時間數據，通過以上數據分析得出預報方程，系統(tǒng)使用預報方程計算出預報結果，預報員可以通過人機交互綜合判斷未來是否出現云海的預報結果。系統(tǒng)運行還需要角色、安全、維護等后臺參數數據。

1.6? 角色設計

本系統(tǒng)主要在氣象部門內部使用，考慮功能結構，僅劃分為超級管理員、管理員和預報員3個角色。超級管理員用于系統(tǒng)各類后臺數據接口設置及注冊管理員。管理員不可維護設置數據接口，可以維護本地的站點信息，可以注冊新預報員，并擁有預報員所有操作權限。預報員角色可以使用預報制作、預報歷史查詢、歷史預報檢驗3個功能模塊。角色對應功能用例圖如圖4所示。

2? 系統(tǒng)實現

2.1? 軟硬件條件及開發(fā)技術

本系統(tǒng)運行于Windows操作系統(tǒng)，需.NET環(huán)境支持，依托氣象內網氣象信息共享平臺（CIMISS）統(tǒng)一數據環(huán)境和服務接口，簡單配置數據接口參數及錄入臺站信息后即可使用。應用程序基于C#語言開發(fā)，后臺參數數據使用阿里云數據庫存儲，支持SQL Server，氣象數據環(huán)境以CIMISS基礎平臺為支持，無需單獨維護及支付版權費用，安全穩(wěn)定。

2.2? 界面功能實現

系統(tǒng)界面按照前文1.4節(jié)的功能模塊設計的四項功能進行劃分，實現：1）調取后臺數據庫的云海氣象站數據、預報系統(tǒng)預報數據和云海監(jiān)控網頁，根據預報模式方程給出云海預報建議，人機交互后生成云海預報結果。2）對云海預報、實況和氣象要素數據進行歷史查詢和瀏覽。3）對云海歷史預報數據指定時間段數據進行預報檢驗得出，云海預報準確率、空報率和漏報率。4）后臺參數設置修改功能。

操作人員輸入用戶名、密碼等信息登錄后，系統(tǒng)界面如圖5所示。點擊軟件上部的“預報制作”“歷史預報查詢”“歷史預報檢驗”“系統(tǒng)設置”標簽切換到各自功能模塊的界面。

由圖5可知，系統(tǒng)考慮了多區(qū)域、多用戶的擴展功能，便于在不同地區(qū)推廣使用，同一地區(qū)可能有多個云海地點，一個氣象局有多個預報員來制作云海預報，預報員登錄后選擇不同云海預報地點。灰顯部分是系統(tǒng)自動調取相關數據，僅能瀏覽無法修改內容，其他非灰顯部分可以由預報員人機交互修改，點擊“打開云海監(jiān)控網頁”按鈕，會彈出螢石云界面，輸入螢石云的用戶名、密碼信息登錄后，可以查看是否出現云海，在系統(tǒng)輸入云海的出現與消散時間，然后點擊“預報保存”按鈕，會彈出保存成功的提示，預報制作成功。

云海出現與否屬于一種二分類（即有/無）預報，筆者曾對比過[4]邏輯回歸、決策樹、支持向量機三種模型預報準確率，TS評分差別不大，考慮到邏輯回歸模型實現的簡便性和結果的可數值化，本系統(tǒng)暫使用邏輯回歸模型結果作為自動預報結果顯示給預報員，預報員可以根據預報經驗人機交互操作修改預報結論。某站點的云海預報方程如下式所示，不同站點不同年份的預報方程選取的預報因子及權重都有不同，其預報因子及權重暫由超級管理員統(tǒng)一維護，存入后臺數據庫中，由系統(tǒng)調用，普通預報員無法修改預報方程參數。

其中，p表示云海出現概率；x1表示當天是否出現云海（1為出現，0為未出現）；x2表示日最大逆溫值（0.1 ℃）；x3表示預報最高氣溫（0.1 ℃）。

云海歷史預報查詢界面如圖6所示，選擇相應時間段和“預報地點”后，點擊“查詢”按鈕，顯示相應時間段的數據列表，歷史預報列表包含站點觀測日數據、云海起止時間、云海預報結果、當天天氣實況及當天預報結果等全部數據，僅能瀏覽不可以修改。

使用歷史預報的數據，依據中國氣象局《中短期天氣預報質量檢驗辦法》中的評分公式可以直接計算出各時間段內的預報準確率、空報率、漏報率等數據，為便于預報員撰寫材料及匯報展示使用，系統(tǒng)提供歷史預報檢驗功能，功能界面如圖7所示。

3? 結? 論

云海作為局地景觀，和當地自然環(huán)境關系密切，需要當地預報人員不斷總結氣候特征和提煉預報指標，針對基層預報員開發(fā)專業(yè)的云海預報系統(tǒng)很有必要，本系統(tǒng)已在玉溪市基層氣象臺站使用，多年觀測總結云海多發(fā)生在晴朗、微風、近地面水汽充沛的早晨，一般在冬季、初春和深秋時節(jié)發(fā)生概率比較大，在夏季發(fā)生較少，因為氣溫升高會使云凝結的高度升高，云層底部超過山頂。因此看不到云海，多年平均TS預報評分最高可接近50分，總體準確率穩(wěn)定在70%以上，最高可達80%以上。

云海預報系統(tǒng)的使用豐富了對云海景觀成因與預報研究的認識，有利促進了當地氣象部門針對旅游氣象服務工作科技含量和工作效率提升，系統(tǒng)安裝和操作簡單，使用直觀便捷，集成預報、歷史查詢、預報檢驗、參數設置等實用功能，適合基層氣象預報人員不斷總結提煉適合當地的云海預報方法和預報指標，開展云海旅游氣象服務業(yè)務工作使用。

本系統(tǒng)考慮了多區(qū)域、多用戶的擴展功能，便于在不同地區(qū)推廣，可以滿足基層氣象預報員制作云海預報業(yè)務需求，但本系統(tǒng)使用的預報模型記錄資料時間較短，預報模型是固定的，下一步還應該繼續(xù)收集資料，嘗試加入機器學習模型，針對不同區(qū)域自動改進預報模型，提升預報準確率。

隨著氣象大數據云平臺（“天擎”）上線，CIMISS平臺即將下線，為正常運行本系統(tǒng)，今后需要升級系統(tǒng)的數據接口到天擎平臺。

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作者簡介：丁圣（1981—），男，回族，安徽安慶人，副高級工程師，碩士，研究方向：應用氣象。