基于新疆智能網格強對流短時預報產品的集約化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)＊

肖俊安，芒蘇爾·艾熱提

（新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

為適應氣象預報業(yè)務智能精準、客觀定量的發(fā)展要求，應推進研究型業(yè)務發(fā)展，激勵廣大研發(fā)人員和預報員積極開展預報技術方法研發(fā)和業(yè)務應用，促進預報關鍵技術突破和自主可控，提升預報技術的先進性和智能化水平，提高預報準確率，實現(xiàn)創(chuàng)新驅動氣象預報高質量發(fā)展。開發(fā)智能網格業(yè)務系統(tǒng)已成為智能網格預報的優(yōu)化方向之一，鄭波等[1]分析了智能網格預報業(yè)務的特點，闡述了全國綜合氣象信息共享平臺的精細化格點業(yè)務數據環(huán)境的數據流程、核心功能等相關技術。目前國內很多省份也都完成了個性化的智能網格預報平臺的設計與實現(xiàn)[2-4]。本研究主體采用C/S 架構，監(jiān)控模塊采用B/S 架構，可以對每個環(huán)節(jié)生成的預報產品進行管理和監(jiān)控。設計與實現(xiàn)基于新疆智能網格強對流短時預報產品的集約化系統(tǒng)，對今后的新疆智能網格強對流短時預報業(yè)務也具有較好的支撐作用。

1 新疆智能網格強對流短時預報產品介紹

新疆智能網格強對流短時預報產品中主要包含了3 個產品，即強降水預報產品、大風預報產品和雷暴預報產品。強降水預報產品是基于CLDAS 格點融合產品基礎上對多個模式產品的檢驗加權分級訂正后生成的，短時大風預報產品是利用CLDAS 格點融合產品和多模式的全格點滾動建模技術生成的，雷暴預報產品是主要基于高分辨率區(qū)域模式預報產品基礎上進行概率模糊和動態(tài)取優(yōu)方法后生成的。

本次強對流短時預報產品主要基于中國氣象局下發(fā)的GRAPES-MESO-3KM 模式產品、新疆本地的DOGRAFS 模式產品和中亞睿圖RMAPS 模式產品技術上制作產生的，綜合利用了國內在新疆地區(qū)的主要模式產品，建立了時空統(tǒng)一的模式產品數據集。

新疆短時強降水預報產品和雷暴預報產品都是新研發(fā)產品，預估目標不低于所有模式預報準確率，大風預報產品目前要遠高于模式預報產品準確率。

2 系統(tǒng)架構設計

基于新疆智能網格強對流短時預報產品的集約化系統(tǒng)的架構采取統(tǒng)一標準的設計原則，采用分層架構設計，自下而上依次是數據層、業(yè)務層，表現(xiàn)層。各層之間既相對獨立又形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)系統(tǒng)的高內聚、低耦合的特點。這樣不僅有利于系統(tǒng)獨立運行，同時也便于系統(tǒng)的維護和管理。系統(tǒng)整體架構設計如圖1 所示。

圖1 基于新疆智能網格強對流短時預報產品的集約化系統(tǒng)整體架構

數據層主要是由新疆多模式集成滾動訂正的強對流預報技術方法生成的強對流初始產品、后處理產品和最終產品及備份報的本地存儲。

業(yè)務層—邏輯是整個系統(tǒng)的核心組成部分，主要是針對一系列產品的業(yè)務操作邏輯。主要分為產品匯總模塊、產品處理模塊、流程調度模塊、FTP 上傳模塊、產品壓縮編碼模塊和備份報模塊。

業(yè)務層—配置提供系統(tǒng)的管理和維護服務，包括起報時和路徑信息的配置、短時強降水和大風的閾值配置、流程調度信息配置、FTP 上傳信息配置、最終產品壓縮編碼信息配置和網絡站點配置。系統(tǒng)通過結合環(huán)境變量和ConfigParser 庫讀取外部ini 配置文件內的多種參數來進行配置管理。

表現(xiàn)層主要是調用Rest 服務請求的接口，將數據層中產品明細和平臺層中各模塊的處理結果返回至前端，通過Javascript 腳本對返回信息處理生成監(jiān)控流程和報警信息，將其渲染至網頁上顯示。

3 主要功能

新疆智能網格強對流短時預報集約化流程系統(tǒng)的主要功能設計包含系統(tǒng)運行、雙備份報、調度管理、產品監(jiān)控及信息展示5 個部分。

3.1 系統(tǒng)運行

3.1.1 資料及產品歸檔入庫

為了后續(xù)對初始產品、后處理產品和最終產品的處理更加高效便捷，符合氣象目錄規(guī)范和使用習慣的統(tǒng)一存儲就顯得尤為重要。部分存儲目錄的結構如表1所示，目錄結構共設置為4 個層級，分別是根目錄和1、2、3 級子目錄。其中根目錄和1、2 級子目錄都是固定目錄，用于區(qū)分初始產品和最終產品以及各要素；3級子目錄是可變的，根據產品日期YYYY/YYYYMM DD（4 位數年份/4 位數年份+2 位數月份+2 位數日期）和起報時HH（2 位數小時數）的變化建立，用于動態(tài)具體的歸檔產品。

表1 部分存儲目錄結構

3.1.2 強對流產品加工處理

使用Pandas 和Numpy 兩種數學函數庫對數據進行加工：對新疆智能網格降水格點產品進行范圍切割、閾值篩選處理得到Micaps 第四類格式的強降水產品；對新疆智能網格陣風和閃電格點預報產品進行閾值篩選后，分別得到由值為1（有）和0（無）構成的大風和閃電預報，通過二者對應格點數值相交，得到Micaps第四類格式的雷暴大風格點預報產品。對強降水和雷暴大風預報產品進行插值處理，得到烏魯木齊市站單站強對流精細化報文。對強降水和雷暴大風預報的Micaps 文件進行壓縮編碼，打包生成符合競賽標準的Grib2 文件格式的產品，并匯總在Final_Product 對應要素的目錄中，等待FTP 程序自動上傳至競賽服務器。

3.1.3 產品推送

對最終產品路徑里符合命名規(guī)范的各類文件列表快速檢索，根據產品名稱中的關鍵字、日期和存儲格式，通過FTP 的方式，動態(tài)地將產品推送到競賽服務器對應目錄中。

3.2 雙備份報

由于此次競賽規(guī)則中有一項主要考察各參賽隊上傳的參賽預報技術方法生成預報產品的穩(wěn)定性和到報及時率，為了避免出現(xiàn)服務器故障或其他不可抗力導致強對流產品無法按時生成的情況，系統(tǒng)采用了雙份備份報機制，2 份備份報最終都會推送至信息中心競賽服務器。如果到上傳中國氣象局時間點正式產品仍未生成，則自動優(yōu)先上傳訂正備份報，如果訂正備份報也未生成，則上傳基礎備份報。

3.2.1 生成基礎備份報

強對流服務器上部署了一套基礎備份報生成程序。每天17：00 基礎備份報生成程序將固定的無強降水、無雷暴大風的Micaps 模板文件名和內容中的日期替換成次日的，經過壓縮編碼后一次性生成次日的所有產品。

3.2.2 生成訂正備份報

備份服務器上部署了一套訂正備份報生成程序。訂正備份報則在正式產品上傳前一小時生成。訂正備份報采用中國氣象局下發(fā)的全國強降水和雷暴大風指導產品作為基礎預報產品，在此之上進行新疆區(qū)域范圍裁剪及質控，再進行壓縮編碼后生成。

3.3 調度管理

3.3.1 系統(tǒng)運行流程調度

分別在01：00—01：30、07：00—07：30、13：00—13：30、19：00—19：30 這4 個時間段每分鐘并行執(zhí)行資料及產品歸納入庫、產品加工處理、強對流產品壓縮編碼、最終產品推送4 個子程序。

3.3.2 雙備份報生成調度

基礎備份報調度：每日17：00 執(zhí)行次日的強對流模板壓縮編碼、最終備份報推送2 個子程序。

訂正備份報調度：分別在00：00—01：30、06：30—07：30、12：30—13：30、18：30—19：30這4 個時間段每分鐘并行執(zhí)行中國氣象局下發(fā)的全國強降水和雷暴大風指導產品歸納入庫、產品加工處理、強對流產品壓縮編碼、最終訂正備份報推送4 個子程序。

3.4 產品監(jiān)控及信息可視化

為方便管理人員對產品狀態(tài)有直觀的了解，配合Django 框架快速開發(fā)了新疆智能網格強對流競賽產品監(jiān)控模塊。該模塊實現(xiàn)一個簡單的單頁面應用，模塊的查詢接口采用RESTful 架構開發(fā)，遵循RESTful API規(guī)范。用戶在模塊網頁前端選取日期和起報時等接口參數，點擊查詢后，訪問URL 接口調用后端的監(jiān)控服務邏輯，將結果以JSON 的格式返回至前端渲染，管理人員可以清晰看到每次產品生成、推送的狀態(tài)和數量，及時發(fā)現(xiàn)問題的所在。

4 結束語

基于新疆智能網格強對流短時預報產品的集約化系統(tǒng)對新疆智能網格強對流短時預報產品的定時匯總、處理、上傳、監(jiān)控等流程進行了統(tǒng)一的管理，各環(huán)節(jié)有序銜接。系統(tǒng)自投入使用以來，整體運行高效穩(wěn)定，確保了競賽產品完整準時地上傳中國氣象局。目前系統(tǒng)在功能完整性方面還存在不足，例如Web 監(jiān)控應用的后端邏輯尚未接入產品就位時間和系統(tǒng)報錯日志等信息。后期還需要繼續(xù)在產品監(jiān)控和故障告警等功能方面進行完善和升級，為新疆智能網格強對流短時預報產品的集約化管理提供更好的支撐作用。