智能預(yù)報(bào)眾創(chuàng)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用

唐思瑜，羅聰，陳炳洪，張華龍，時(shí)洋，潘心順

（1.廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510640；2.廣州市氣象局，廣東廣州 511430；3.佛山市氣象局，廣東佛山 528000）

社會(huì)各領(lǐng)域的不斷發(fā)展對(duì)氣象預(yù)報(bào)服務(wù)也提出了更加精準(zhǔn)、精細(xì)的要求。美國(guó)從1990年開始圖形化編輯器研究，2002年開展格點(diǎn)業(yè)務(wù)試運(yùn)行，帶動(dòng)其他國(guó)家開始建設(shè)精細(xì)化格點(diǎn)業(yè)務(wù)。廣東于2008年開展基于格點(diǎn)的交互訂正預(yù)報(bào)平臺(tái)研發(fā)，2015年率先完成省市聯(lián)動(dòng)的網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)運(yùn)行，2016年的《現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃》提出了無縫隙、精準(zhǔn)化、智慧型的發(fā)展方向，穩(wěn)步推進(jìn)全國(guó)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)試驗(yàn)，旨在構(gòu)建更高分辨率、更高準(zhǔn)確率、更新更及時(shí)的智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)“一張網(wǎng)”，也逐步形成一套完整的智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系［1－4］。

多年來，廣東的預(yù)報(bào)員在暴雨、雨雪相態(tài)預(yù)報(bào)等方面也積攢了豐富的定性預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)［5－6］，若能將主觀經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為客觀訂正算法并融入到網(wǎng)格預(yù)報(bào)平臺(tái)，有利于進(jìn)一步提升網(wǎng)格預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的有效傳承。基于上述原因，研發(fā)了智能預(yù)報(bào)眾創(chuàng)平臺(tái)，通過省市共研共用的眾創(chuàng)機(jī)制，將主觀預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為客觀訂正方法，強(qiáng)化網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的技術(shù)支撐，提升網(wǎng)格預(yù)報(bào)質(zhì)量。

1 智能預(yù)報(bào)眾創(chuàng)平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

基于智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)平臺(tái)（graphical interactive forecast tuner，GIFT）構(gòu)建二次開發(fā)環(huán)境，以智能工具箱（intelligent tool box，ITB）為重要載體，采用B／S架構(gòu)建立眾智參與的智能工具管理平臺(tái)，提供對(duì)智能工具箱的上傳、下載及監(jiān)控等管理功能。

平臺(tái)總體框架如圖1所示，其中管理平臺(tái)類似于手機(jī)端的“應(yīng)用市場(chǎng)”，每一個(gè)ITB對(duì)應(yīng)著市場(chǎng)中的APP，而GIFT客戶端就是使用智能工具箱的一部部“手機(jī)”。

圖1 智能預(yù)報(bào)眾創(chuàng)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)示意圖

1.2 二次開發(fā)環(huán)境

為實(shí)現(xiàn)對(duì)GIFT中網(wǎng)格數(shù)據(jù)的交互訂正，采用C＃語言構(gòu)建了二次開發(fā)環(huán)境，提供二次開發(fā)庫并實(shí)現(xiàn)特定的接口定義，供開發(fā)人員調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)智能工具箱的開發(fā)。智能工具箱的二次開發(fā)庫（SDK）主要包括STDataType.dll、metedata.dll、meteclass.dll等程序集，提供了數(shù)據(jù)類型枚舉、數(shù)據(jù)訪問與管理、常見業(yè)務(wù)方法組件等功能。其中，metedata.dll是最為核心的一個(gè)類庫，主要包括以下幾大類：

（1）數(shù)據(jù)管理類（DataMng）：提供編輯場(chǎng)、參考場(chǎng)等開發(fā)者所需的系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀寫；（2）地理信息管理類（GisMng）：提供當(dāng)前編輯功能所選中的格點(diǎn)坐標(biāo)，方便用戶對(duì)多選數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義的修改；（3）選擇管理類（SelectMng）：提供當(dāng)前編輯環(huán)境下，用戶選中的模式、要素、起報(bào)時(shí)間及時(shí)效等信息；（4）狀態(tài)管理類（StatusMng）：提供工具執(zhí)行進(jìn)度信息顯示和控制；（5）落區(qū)管理類（RegionMng）：提供與災(zāi)害落區(qū)相關(guān)的等值線數(shù)據(jù)信息；（6）常用功能實(shí)用類：包括DataUtil類與GridUtil類，提供網(wǎng)格插值等通用算法。

特定的接口定義包含工具的名字屬性、功能屬性、初始化函數(shù)，執(zhí)行函數(shù)等信息，它封裝在二次開發(fā)接口基類ToolBase中，進(jìn)行智能工具箱的開發(fā)必須繼承并實(shí)現(xiàn)該基類中的方法，最終編譯成C＃動(dòng)態(tài)庫，即可在GIFT平臺(tái)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，通過反射機(jī)制調(diào)用執(zhí)行。

1.3 智能工具管理

智能工具管理平臺(tái)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)智能工具箱的上傳、審核、下載等進(jìn)行統(tǒng)一管理。該平臺(tái)采用B／S系統(tǒng)架構(gòu)，利用Note.js搭建Web服務(wù)端實(shí)現(xiàn)展示界面的快速響應(yīng)，采用Vue.js漸進(jìn)式框架建立用戶界面，選擇Mysql數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)智能工具參數(shù)、操作日志等信息。平臺(tái)包括所包括關(guān)鍵模塊如圖2所示。

圖2 工具概覽界面

工具概覽模塊提供了智能工具箱的自動(dòng)推薦、分類檢索和熱點(diǎn)監(jiān)控，并結(jié)合使用指數(shù)、下載次數(shù)、點(diǎn)贊次數(shù)、評(píng)論數(shù)量、技術(shù)難易度等5個(gè)維度進(jìn)行加權(quán)得到綜合指數(shù)，為工具的應(yīng)用提供有效的參考。

工具上傳模塊是智能工具箱（ITB）上傳的渠道，需提供工具庫源文件、工具名稱、要素類型、功能類型、開發(fā)者、使用說明等關(guān)鍵信息，供用戶檢索及下載。

任務(wù)管理模塊供用戶發(fā)布或接受研發(fā)任務(wù)，為網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)需求提供出入口。

監(jiān)控模塊可查看預(yù)報(bào)工具的實(shí)時(shí)調(diào)用情況；統(tǒng)計(jì)模塊以地圖熱力圖、表格、曲線、餅狀圖等形式對(duì)智能工具箱進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，可從中挖掘尚未出現(xiàn)或可研究的方向；用戶管理模塊提供用戶注冊(cè)／登錄、個(gè)人工具／任務(wù)管理及信息查看的功能；幫助模塊提供了ITB開發(fā)手冊(cè)、開發(fā)案例及常見問題解答。

1.4 智能工具箱（ITB）開發(fā)流程

智能工具箱（ITB）的開發(fā)是智能預(yù)報(bào)眾創(chuàng)平臺(tái)的核心，包括環(huán)境搭建、ITB開發(fā)、調(diào)試及發(fā)布4個(gè)步驟。

首先，在Visual Studio 2005（簡(jiǎn)稱VS2005）或以上版本中創(chuàng)建基于C＃語言的動(dòng)態(tài)鏈接庫項(xiàng)目（即Class Library）、添加平臺(tái)提供的二次開發(fā)庫（SDK）引用并設(shè)置好項(xiàng)目的調(diào)試環(huán)境，結(jié)合GIFT客戶端即可完成開發(fā)環(huán)境部署。

其次，基于二次開發(fā)庫和自定義控件界面（可選）參數(shù)實(shí)現(xiàn)核心訂正算法。ITB是統(tǒng)一界面布局的，以“雨量主客觀融合”工具為例（圖3a），開發(fā)者必須繼承metedata.dll庫的基類ToolBase并實(shí)現(xiàn)里面的方法（圖3b），才能響應(yīng)界面控件或工具按鈕事件：Initialise（string configPath）方法旨在對(duì)工具進(jìn)行初始化，例如讀取自定義的配置文件或其他文件信息；GetParameterControl（）方法是對(duì)自定義的控件界面進(jìn)行初始化，控件界面可包含工具的可視化說明及核心算法的參數(shù)設(shè)定；GetParameter（）方法返回與核心算法相關(guān)的交互參數(shù)，用于訂正算法；“執(zhí)行”按鈕對(duì)應(yīng)的是start（）方法，用于實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)格數(shù)據(jù)的交互，其流程通常是通過metedata.dll類庫獲取所需的要素?cái)?shù)據(jù)，利用自定義算法進(jìn)行訂正，最后將訂正后的數(shù)據(jù)提交給GIFT平臺(tái)進(jìn)行可視化顯示。至于“撤銷”、“中止”、“打包”、“工具安裝”、“恢復(fù)”及“關(guān)閉”按鈕的功能已在GIFT平臺(tái)中封裝實(shí)現(xiàn)。當(dāng)預(yù)報(bào)員設(shè)置好交互參數(shù)，點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕后，整個(gè)ToolBase中方法的定義順序即為方法的執(zhí)行順序。

圖3 雨量主客觀融合智能工具界面（a）和智能工具開發(fā)的關(guān)鍵函數(shù)（b）

為了檢驗(yàn)ITB的開發(fā)邏輯與功能實(shí)現(xiàn)是否正確，在VS2005環(huán)境下可直接啟動(dòng)ITB調(diào)試，在VS2005以上版本則需要在“調(diào)試”菜單下選擇“添加到進(jìn)程…”子菜單將已啟動(dòng)的GIFT客戶端添加后進(jìn)行間接調(diào)試，調(diào)試過程中可通過參數(shù)調(diào)整等優(yōu)化算法。

最后，將調(diào)試成功生成的智能工具箱DLL文件與配置文件、依賴庫、其他自定義文件一起打包，即可通過管理平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布。

2 應(yīng)用實(shí)例

智能預(yù)報(bào)眾創(chuàng)平臺(tái)已于2017年起投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，截至2022年3月共有67名省市開發(fā)人員合計(jì)研發(fā)了88個(gè)智能工具。按照功能分類，主客觀融合、要素協(xié)調(diào)、時(shí)間協(xié)調(diào)等3類占比分別為19.8%、13.2%、24.2%；而按照要素分類，雨量、溫度、風(fēng)、其他要素的占比分別為37.4%、27.5%、11%、24.2%。

2.1 雨量主客觀融合

雨量主客觀融合智能工具是由廣東省氣象臺(tái)開發(fā)，針對(duì)24 h降水量，基于精細(xì)數(shù)值預(yù)報(bào)背景場(chǎng)，融合預(yù)報(bào)員主觀等級(jí)落區(qū)預(yù)報(bào)和模式降水的空間精細(xì)分布優(yōu)勢(shì)，恢復(fù)網(wǎng)格降水預(yù)報(bào)的精細(xì)時(shí)空分布特征。

2020年3月27日白天，受冷空氣南下影響，粵北和珠江三角洲先后出現(xiàn)了暴雨局地大暴雨，并伴隨8～10級(jí)短時(shí)大風(fēng)。ECMWF模式預(yù)報(bào)（25日20：00（北京時(shí)，下同）起報(bào)）粵北至珠江三角洲北部有大雨到暴雨，強(qiáng)降水范圍與實(shí)況較為吻合，但量級(jí)明顯偏小，大雨、暴雨和大暴雨TS評(píng)分分別為0.368、0.020和0.0；均方根誤差（RMSE）為21.4 mm。預(yù)報(bào)員主觀落區(qū)預(yù)報(bào)對(duì)上述區(qū)域的降水量級(jí)做出了準(zhǔn)確的訂正，大雨、暴雨和大暴雨TS評(píng)分分別為0.357、0.279和0.476，其中暴雨和大暴雨的TS評(píng)分較模式有明顯提升，但RMSE也有所增加，達(dá)到25.6 mm。利用主客觀融合工具訂正后的各量級(jí)TS評(píng)分與主觀落區(qū)預(yù)報(bào)一致，RMSE降低為24.3 mm（圖4）。

圖4 雨量主客觀融合智能工具個(gè)例應(yīng)用效果

2.2 降水相態(tài)智能協(xié)調(diào)

降水相態(tài)智能協(xié)調(diào)工具是由河源市氣象局開發(fā)，主要利用主觀的降水、溫度要素預(yù)報(bào)與數(shù)值模式（ECMWFTHIN或Grapes）的高空要素預(yù)報(bào)，結(jié)合4類相態(tài)的判斷條件參數(shù)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)降水相態(tài)的智能生成（圖5a）。

圖5 降水相態(tài)智能協(xié)調(diào)工具個(gè)例應(yīng)用效果

受寒潮影響，2018年12月28到31日間，韶關(guān)、清遠(yuǎn)的北部先后出現(xiàn)了凍雨、雨夾雪、雪和雨凇天氣。高寒山區(qū)連續(xù)4 d溫度在0℃以下，30日早上至31日早上，是固態(tài)降水范圍最大的一天。以31日07：00降水相態(tài)實(shí)況為例，雨夾雪和凍雨落區(qū)擴(kuò)大至肇慶北部、清遠(yuǎn)的三連、陽山縣以及韶關(guān)的中北部地區(qū)（圖5b曲線所示）。從降水相態(tài)智能協(xié)調(diào)工具應(yīng)用后的精細(xì)化相態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果（圖5b網(wǎng)格場(chǎng)）可見，韶關(guān)、清遠(yuǎn)的北部地區(qū)普遍預(yù)報(bào)固態(tài)降水，與實(shí)況較為符合。

3 結(jié)論

智能預(yù)報(bào)眾創(chuàng)平臺(tái)提供了主觀經(jīng)驗(yàn)客觀化的有效途徑，提升了網(wǎng)格預(yù)報(bào)編輯訂正的自動(dòng)化和智能化水平，對(duì)智能工具箱的插件式管理更是達(dá)到了預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的共享共用。

1）二次開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了智能工具箱（ITB）的便捷開發(fā)與擴(kuò)展，動(dòng)態(tài)鏈接庫接口實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)讀寫、通用算法等功能，讓開發(fā)者專注于訂正算法的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的客觀交互訂正。

2）智能預(yù)報(bào)管理平臺(tái)對(duì)智能工具箱進(jìn)行上傳、下載、監(jiān)控等統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了客觀訂正技術(shù)的共建共享。

3）平臺(tái)已在廣東業(yè)務(wù)推廣應(yīng)用，“雨量主客觀融合”和“降水相態(tài)訂正”等智能工具的應(yīng)用表明其有助于提升預(yù)報(bào)質(zhì)量與制作效率。

目前，智能工具箱多集中在不同要素的時(shí)空協(xié)調(diào)一致算法上，未來可加強(qiáng)災(zāi)害天氣分類訂正、檢驗(yàn)誤差反饋、人工智能等客觀算法研發(fā)，以進(jìn)一步提升網(wǎng)格預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度。