NCEP FNL分析資料本地化應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

作者簡介：柏楓（1973—），男，安徽宿州人，高級工程師，研究方向：計算機網絡通信（E-mail：baikai58122@163.com）；諶孫榮（1986—），男，安徽宿州人，助理工程師，學士，研究方向：氣象學中的暴雨、強對流。

摘要：結合實例簡要介紹該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)的方法。通過VB和 GRADS混合編程開發(fā)出的NCEP FNL分析資料本地化應用系統(tǒng)，可以將NCEP FNL資料的解碼、讀取、計算、輸出等過程結合起來，簡化繁瑣的操作步驟，具有操作簡便，界面友好，運行可靠的特點。它較好地實現(xiàn)了多時次、多垂直層次和多變量疊加集成顯示，幫助預報員擺脫了因使用常規(guī)資料而帶來的單一性、局限性，從而可以多角度地了解災害性天氣的形成原因及特征。

關鍵詞：NECP；FNL；GRADS；編程

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A

1引言

NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集是由美國氣象環(huán)境預報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）聯(lián)合制作的，采用了當今最先進的全球資料同化系統(tǒng)和完善的數(shù)據(jù)庫，對各種資料來源（地面、船舶、無線電探空、測風氣球、飛機、衛(wèi)星等）的觀測資料進行質量控制和同化處理，獲得了一套完整的再分析資料集，它不僅包含的要素多范圍廣，而且延伸的時段長，是一個綜合的觀測資料集。FNL資料被廣泛用于數(shù)值模式以及天氣、氣候的診斷分析研究中[1-3]。NCEP FNL分析資料的文件格式，需經過解碼、映射等過程才能使用。Grads編寫腳本對其進行讀取、計算、顯示，繁瑣的命令操作導致對Grads不熟悉預報員對其望而卻步。鄧偉等[4]探討了wgrib解碼程序的應用，通過批處理命令實現(xiàn)了fnl資料解碼圖形顯示，本系統(tǒng)則通過多語言的混編較好實現(xiàn)了多時次、多垂直層次和多變量疊加集成顯示，簡化繁瑣的操作步驟，有效幫助預報員針對災害性天氣過程中各個物理量的時空演變特征進行分析，更多角度了解災害性天氣的形成原因及特征。

2Grads繪圖系統(tǒng)簡介

Grads（Grid Analysis and Display System）是當今國內外廣泛使用的一種氣象數(shù)據(jù)處理和顯示軟件系統(tǒng)，該軟件具有強大的圖形圖像分析和數(shù)據(jù)處理能力，可輸出等值線、色溫圖、折線等多樣化圖形[5] 。Grads有兩種運行方式交互式命令行方式和批處理方式（即Grads命令集合方式，類似DOS下的批處理文件）。Grads在進行數(shù)據(jù)處理時，數(shù)據(jù)可以是格點資料、站點資料；數(shù)據(jù)格式可以是二進制、GRIB碼、NetCDF等。所有數(shù)據(jù)在Grads環(huán)境中均被視為緯度、經度、層次和時間的4維場，其中GRIB 格式數(shù)據(jù)是WMO 規(guī)定的一種通用的氣象數(shù)據(jù)格式，它不像二進制數(shù)據(jù)，是與機器無關的，因此可以在各類機器上交換而不受限制，并且具有高壓縮比，Grads中數(shù)據(jù)文件與之相應的數(shù)據(jù)格式說明文件是分開的，而GRIB數(shù)據(jù)文件中包含了數(shù)據(jù)格式說明，是一種自定義或自解釋壓縮數(shù)據(jù)文件。但在Grads中使用GRIB 數(shù)據(jù)時，關鍵還是要生成一個與數(shù)據(jù)文件分離的CTL 文件[6]。Grads描述文件（*.ctl）是用來說明數(shù)據(jù)資料的時空、變量、缺測值等信息的文本文件，文件由頭文件部分（deset、title、undef）、時空范圍說明（xdef、ydef、zdef、tdef）和變量定義部分（vars、endvars）組成。fnl的索引文件（*.idx）是通過gribmap程序生成的。Grads 并不直接使用“數(shù)據(jù)文件”，而是通過“描述文件”間接使用“數(shù)據(jù)文件”的，因此數(shù)據(jù)描述文件（ctl文件）和數(shù)據(jù)索引文件（idx文件）正確生成十分重要。

3NECP FNL再分析資料簡介

NCEP FNL（Final Operational Global Analysis）1°×1°分析資料具有時次多、密度大、連續(xù)性強、分辨率較高、內容豐富等特點，在中小尺度天氣分析中具備較大的優(yōu)勢，能夠有效彌補常規(guī)觀測資料在災害性天氣分析方面的不足。FNL 資料是空間分辨率為1°×1°時間間隔為6 小時的GRIB1 碼全球資料。該資料包含了地表26 個標準等壓層、地表邊界層和對流層頂?shù)囊匦畔ⅰ．斍暗腇NL 資料至少收集了過去6 小時的觀測資料，每天4 次（世界時0、6、12、18 時）做一個全球性的數(shù)據(jù)分析。NCEP 的1°×1°FNL 資料較常規(guī)資料空間垂直分布更精細，包含的物理量可以用wgrib.exe從fnl數(shù)據(jù)里面讀出來，具體物理量參數(shù)如表1所列。

4系統(tǒng)設計思路及實現(xiàn)

在Grads下，任意物理變量可看成是空間和時間的函數(shù)f（x，y，z，t）的一個四維變量，當固定時間和垂直方向的層次，通過命令“display 物理量函數(shù)” 即可得到物理變量的二維水平分布。要在Grads環(huán)境中正確顯示相關物理變量，必須保證fnl數(shù)據(jù)文件、ctl文件、idx文件三者都齊全。利用Grads編寫一個的gs腳本將所關心的物理變量按照Grads的數(shù)據(jù)格式依次地沿某一方向、自下而上地將該物理變量的值完全提取出來，然后通過編寫文件名為*.ctl的純文本格式描述文件 （即為Grads二進制數(shù)據(jù)編寫相應的*.ctl描述文件）。由于NCEP FNL資料只提供了較為基本的物理變量，一些復雜的物理量還需公式的計算得出，各種剖面圖、多物理量疊加圖還需要編寫更復雜的gs腳本實現(xiàn)。

4.1數(shù)據(jù)資料準備

進入http：//dss.ucar.edu/ 網站fnl數(shù)據(jù)下載頁面，可根據(jù)宿州地區(qū)暴雨、冰雹、雷雨大風等不同類型災害性天氣的日期和時次，逐個文件下載，也可以根據(jù)需要選擇要下載的文件打包下載，收集統(tǒng)計整理的NCEP FNL1°×1°再分析資料。目前網站提供兩種壓縮格式（GRIB1和GRIB2）的FNL資料供我們下載，兩種數(shù)據(jù)都是1°×1°，6小時間隔的。4.2環(huán)境配置和數(shù)據(jù)解碼

本文以windows xp 為操作系統(tǒng)、2.0版Grads 、VB6.0軟件環(huán)境下，主要介紹FNL資料的GRID2格式的圖形顯示和解碼方法。首先要安裝圖形顯示軟件Grads軟件，正確配置Grads 的環(huán)境變量（具體步驟簡略）。為了能在Grads 環(huán)境中正確解碼繪制NECP FNL數(shù)據(jù)文件，需要預先生成對應的ctl 控制文件和idx 索引文件。目前生成ctl 和idx 文件生成描述性文件有兩種方式：

4.2.1用wgrib.exe 程序進行解碼

利用工具wgrib.exe有選擇性的解碼數(shù)據(jù)文件中需要使用的部分記錄，建立新的數(shù)據(jù)文件，然后再建立.ctl描述文件。wgrib 的第一個功能是創(chuàng)建一個說明文件，這個文本文件就包含了數(shù)據(jù)文件中所有記錄的列表，包括記錄號、變量名、變量描述等。第二個功能是將資料從GRIB格式轉換成容易讀的格式，如二進制、IEEE和文本文件等。（具體wgrib解碼步驟說明簡略）

4.2.2用g2ctl.exe程序進行解碼

本文利用集成的g2ctl.exe生成整個文件的Grads描述文件.ctl，再用gribmap.exe生成索引文件.idx。舉例說明：

CMD 下生成ctl 文件命令：

g2ctl c：＼＼necp＼＼fnl＼＼fnl_20120516_00_00> fnl_20120516_00_00.ctl

這樣，就在c：＼＼necp＼＼fnl＼＼路徑下生成了控制文件，確保Grads控制文件和索引文件的文件名必須與待畫圖的NECP/FNL文件名相同。

Idx 文件使用Grads 的gribmap 程序生成。

CMD 下生成idx 文件命令：

gribmap –v –i c：＼＼fnl＼＼fnl_20120516_00_00.ctl > fnl.txt

這樣，會在c：＼＼necp＼＼fnl＼＼路徑下生成索引文件，并且會把整個映射過程寫入到fnl.txt 文件中。

當要處理數(shù)據(jù)文件非常多的時候，采用VB 編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件自動批量解碼集中生成fnl 文件的控制和索引文件，提高處理效率。

5系統(tǒng)編寫及注意事項

NCEP FNL分析資料本地化應用系統(tǒng)主要通過VB和GRADS的混合編程，把fnl分析資料的解碼、計算、圖形顯示、矢量圖輸出等基本功能融為一體。下面以時間序列要素圖為例簡要介紹通過gs腳本和VB混合編程實現(xiàn)的過程。

5.1實現(xiàn)方式

在實際的工作中有時需將多時次多個物理量置于同一時間段進行綜合分析，為實現(xiàn)這一功能，畫時間序列圖最關鍵的首先合并數(shù)據(jù)文件，寫描述文件，生成控制文件。在描述文件中比較重要步驟的是：根據(jù)你需要的時間軸大小、用途來確定時間緯度與間隔、設置圖層屬性、顏色、色階、色標；畫的垂直層次；最后顯示物理量參數(shù)。在cmd命令下具體步驟如下：

5.2系統(tǒng)運行及應用情況

程序的運行：如圖1所示的界面中，例如選擇對2012年5月16日的NCEP FNL再分析資料文件，點擊“GRIB2格式轉換”按鈕對文件解碼，在主界面用戶可根據(jù)需要，自由設置想要顯示區(qū)域的經維度范圍、等值線間距值、時間時次、垂直層次等參數(shù)，在點擊分析要素或要素時間序列后，自動顯示同時輸出高質量的矢量圖形。系統(tǒng)生成的文件名用時間和數(shù)據(jù)變量單位組合加以區(qū)別，以方便于日后分析結果的保存和查詢。

目前NCEP FNL 分析資料本地化分析系統(tǒng)生成要素產品有（如圖2所示）：高度場、濕度場、風場、溫度等基本物理變量；還有K指數(shù)、假相當位溫、水汽通量散度、渦度、比濕等較為復雜物理量；以及時間和空間序列的剖面圖、多物理量疊加等復雜圖形的顯示功能。該系統(tǒng)可以自動對各個物理量的空間分布形態(tài)和時間演變特征進行顯示分析輸出，幫助預報員擺脫使用常規(guī)資料的單一性、局限性，從更多角度了解災害性天氣的形成原因及特征。在一定程度上提高宿州市氣象局在災害性天氣研究方面的能力，為日后更好的預報災害性天氣打下堅實基礎。

6結束語

NCEP FNL分析資料本地化分析系統(tǒng)有效簡化了FNL資料繁瑣的應用過程，自2012年投入業(yè)務試運行以來，運行穩(wěn)定，具有操作簡便，界面友好，運行可靠的特點。由于我臺當前對FNL 資料在宿州地區(qū)暴雨、冰雹、雷雨大風等不同類型災害性天氣應用工作還需進一步做更深入的研究，該系統(tǒng)的功能將不斷完善和改進以期發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

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[6]中國氣象局培訓中心.GrADS 繪圖軟件實用手冊[R].北京.2005 年10 月 p147.