基于瀏覽器的氣象再分析平臺(tái)通用架構(gòu)及組件設(shè)計(jì)

杜曉宇

（成都信息工程學(xué)院軟件工程學(xué)院，四川成都610225）

0 引言

眾所周知，氣象領(lǐng)域的數(shù)據(jù)以種類繁多，數(shù)據(jù)條目多為主要特點(diǎn)。氣象數(shù)據(jù)在空間上，覆蓋全省、全國(guó)乃至世界；在時(shí)間上，可細(xì)化到每分鐘一組數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)類型上，目前包含溫度、降水、濕度、地表溫度、云量、雷電等200多種不同要素。氣象數(shù)據(jù)通常以數(shù)值存儲(chǔ)，大量數(shù)值中隱含大量信息，需利用再分析工具和手段，使其通過圖形、動(dòng)畫等方式直觀的展現(xiàn)，為天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警服務(wù)。數(shù)據(jù)再分析工具的研究已成為氣象行業(yè)重要環(huán)節(jié)[1]。Unidata項(xiàng)目組[2]在數(shù)據(jù)再分析領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)，成為國(guó)際公認(rèn)氣象領(lǐng)域最有影響力的再分析工具研究部門。該項(xiàng)目組研發(fā)的再分析工具GrADS、IDV在氣象行業(yè)被廣泛應(yīng)用，通用圖形顯示庫(kù)VisAD[3]也大量應(yīng)用到各科學(xué)領(lǐng)域。此外，地理信息系統(tǒng)的ArcGIS[4]、WebGIS等工具，統(tǒng)計(jì)及數(shù)學(xué)領(lǐng)域的分析工具M(jìn)atlab，SPSS也常被用于氣象再分析。

傳統(tǒng)的氣象分析工具都是單機(jī)處理工具。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于B／S架構(gòu)構(gòu)建氣象服務(wù)平臺(tái)已成為主要趨勢(shì)。B／S架構(gòu)即瀏覽器／服務(wù)器模式，是 WEB興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，瀏覽器就成為B／S模式的唯一客戶端。這種模式將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，屏蔽分析工具的使用差異，因而不需要用戶下載大量數(shù)據(jù)，也不需要用戶了解分析工具，降低客戶使用要求，提升用戶體驗(yàn)。因而，使氣象再分析向在線平臺(tái)轉(zhuǎn)換成為重要的研究目標(biāo)。通過在線方式，獲得實(shí)時(shí)分析產(chǎn)品，保障數(shù)據(jù)的分析時(shí)效，為防災(zāi)減災(zāi)等實(shí)時(shí)性要求很高的業(yè)務(wù)提供及時(shí)支持。

Unidata項(xiàng)目組開發(fā)了RAMADDA[5－6]，提供氣象產(chǎn)品的在線實(shí)時(shí)生成和分享服務(wù)，較好的解決了氣象專業(yè)用戶自定義氣象象站點(diǎn)的功能。但RAMADDA自成一套體系，更多的考慮了業(yè)務(wù)需求，開發(fā)人員難以進(jìn)行擴(kuò)展，將其融入到定制服務(wù)中。

氣象服務(wù)再分析平臺(tái)面向?qū)I(yè)的氣象人員，要求平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、再分析結(jié)果在顯示效果上符合氣象人員的通用標(biāo)準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單且符合氣象人員的常用習(xí)慣，能夠快速上手。這要求開發(fā)人員具備一定的氣象知識(shí)，需要深刻了解氣象業(yè)務(wù)，否則將難以被業(yè)務(wù)人員接受。但是，氣象人員通常不夠了解開發(fā)流程，難以提出有效的開發(fā)建議，所以使開發(fā)人員介入氣象領(lǐng)域需要較長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間。

通過對(duì)實(shí)際氣象項(xiàng)目開發(fā)過程的整理，以專業(yè)氣象人員的服務(wù)需求為目標(biāo)，為開發(fā)人員提出可在氣象業(yè)務(wù)中通用的架構(gòu)，劃分多個(gè)層次以降低開發(fā)耦合，提高開發(fā)并行性及可靠性。并封裝氣象可用組件，降低組件設(shè)計(jì)難度。在氣象人員與開發(fā)人員中搭建橋梁。

1 氣象再分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

氣象再分析平臺(tái)面向氣象業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)、功能上根據(jù)氣象業(yè)務(wù)需求進(jìn)行封裝。目的是為開發(fā)人員提供氣象開發(fā)架構(gòu)和功能組件，使開發(fā)人員能夠快速，生成符合氣象需求的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。氣象再分析平臺(tái)是根據(jù)氣象再分析的特點(diǎn)提出的完整解決方案，能夠與各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)融合。

1.1 氣象再分析的特點(diǎn)

氣象軟件再分析以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，加以數(shù)值轉(zhuǎn)換及圖形顯示，所以氣象數(shù)據(jù)模型是氣象再分析的基礎(chǔ)。由數(shù)據(jù)出發(fā)，經(jīng)歷數(shù)據(jù)集選擇，數(shù)據(jù)預(yù)處理，再分析產(chǎn)品展現(xiàn)3個(gè)步驟，將數(shù)值產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為更為直觀的圖象產(chǎn)品[7]。

氣象再分析由數(shù)據(jù)文件啟動(dòng)。氣象包含大量數(shù)據(jù)文件格式，包含 HDF5[8]，netCDF[9]，Grib2，CSV等，但讀入到分析工具中后，基本都可被轉(zhuǎn)化為站點(diǎn)數(shù)據(jù)或格點(diǎn)數(shù)據(jù)操作。站點(diǎn)數(shù)據(jù)是指各離散觀測(cè)站所獲得的信息，信息在空間分布不規(guī)則，站點(diǎn)數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，但通常會(huì)被插值轉(zhuǎn)化為格點(diǎn)數(shù)據(jù)再進(jìn)一步分析；格點(diǎn)數(shù)據(jù)是指經(jīng)過插值處理，在空間上均勻分布的二維數(shù)據(jù)。Unidata中定義通用數(shù)據(jù)模型Common Data Model（CDM）為氣象數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)模型支持[10]。

氣象原始數(shù)據(jù)在再分析之前，需要做預(yù)處理，如特殊值轉(zhuǎn)換，數(shù)值離散化等。再分析模塊操作預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶提出的插值要求：插值半徑，插值精度等，獲得再分析數(shù)值產(chǎn)品。最終在可視化界面上形成趨勢(shì)變化、平面展現(xiàn)、空間展現(xiàn)、動(dòng)畫演示等顯示效果。

1.2 再分析平臺(tái)通用架構(gòu)

氣象再分析具有明確的流程特征，因此再分析平臺(tái)也基于該流程設(shè)計(jì)主體框架。平臺(tái)主體拆分為數(shù)據(jù)模型層、數(shù)據(jù)加工層、結(jié)果顯示層，分別完成再分析過程中的主要功能，以數(shù)據(jù)通信機(jī)制調(diào)用和傳遞消息，各層級(jí)間低耦合，便于開發(fā)人員并行開發(fā)。

圖1 再分析平臺(tái)通用架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層解決氣象數(shù)據(jù)源種類繁多，統(tǒng)一處理難度較高問題。氣象中常用數(shù)據(jù)文件有40余種格式。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層屏蔽數(shù)據(jù)源區(qū)別，按照CDM標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)接口，統(tǒng)一為上層應(yīng)用服務(wù)。該層適用于絕大部分的氣象業(yè)務(wù)，使開發(fā)人員不再糾結(jié)于數(shù)據(jù)源，而更多的考慮再分析業(yè)務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)加工層

數(shù)據(jù)加工層解決數(shù)據(jù)不規(guī)范、數(shù)據(jù)異常值、單位不統(tǒng)一等問題，同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化或推理相關(guān)處理，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換鏈路的方式，按照調(diào)用各處理模塊依次對(duì)數(shù)據(jù)加工，形成再分析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)加工層使用鏈接（Chaining）技術(shù)優(yōu)化用戶處理方法，即定義加工接口，并將加工方案分拆為若干接口的實(shí)現(xiàn)。在使用過程中，通過配置文件形成調(diào)用鏈接，便于加工方案的重復(fù)應(yīng)用。

（3）結(jié)果顯示層

結(jié)果顯示層完成數(shù)據(jù)再分析的顯示工作，將數(shù)據(jù)再分析的數(shù)值結(jié)果及圖形，通過氣象業(yè)務(wù)人員接受的方式展現(xiàn)。在瀏覽器中，結(jié)果顯示層提供簡(jiǎn)單的用戶交互，以提升用戶體驗(yàn)，幫助用戶全方位獲得分析結(jié)果。

2 業(yè)務(wù)組件設(shè)計(jì)

在通用架構(gòu)中，再分析平臺(tái)定義為低耦合的三層結(jié)構(gòu)，便于開發(fā)人員開發(fā)業(yè)務(wù)，同時(shí)能夠使工作模塊化，形成可復(fù)用的代碼。將代碼抽象為業(yè)務(wù)組件，使開發(fā)人員能夠在開發(fā)過程中，通過簡(jiǎn)單配置，形成可用功能塊，屏蔽了大量的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，達(dá)到快速開發(fā)的效果，并提升代碼可維護(hù)性。同時(shí)，封裝的功能模塊能夠滿足氣象人員的顯示需求，將開發(fā)人員從復(fù)雜的功能需求中解放，更快的搭建業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

根據(jù)已接觸的氣象業(yè)務(wù)需求，抽象數(shù)據(jù)加工及使用Javascript顯示的組件。

2.1 數(shù)據(jù)過濾組件

數(shù)據(jù)過濾組件解決在數(shù)據(jù)加工過程中，數(shù)值的變化、刪除、離散化操作。設(shè)計(jì)包含以下考慮：（1）定值轉(zhuǎn)換。這類轉(zhuǎn)換最為常用，方式明確，因此在配置文件中設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換規(guī)則，以保證在不改變?nèi)魏未a的情況下完成轉(zhuǎn)換工作。（2）單位換算。數(shù)據(jù)文件中為保證數(shù)據(jù)精度，通常會(huì)將單位量綱做一些轉(zhuǎn)換，因此在數(shù)據(jù)加工中，常在數(shù)據(jù)讀入后，將單位轉(zhuǎn)換為特定標(biāo)準(zhǔn)。單位換算與定值轉(zhuǎn)換類似，在配置文件中可做完整規(guī)則定義。（3）用戶定制轉(zhuǎn)換。為用戶定制機(jī)制，用戶可根據(jù)自己需求定制離散數(shù)據(jù)、特定函數(shù)轉(zhuǎn)化方案等。

組件通過XML文件定義過濾規(guī)則，實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換。其中，用戶定制使用IoC[11]模式設(shè)計(jì)，在不修改原有代碼的情況下提供更高的擴(kuò)展性。XML配置對(duì)應(yīng)的DTD描述如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)過濾組件配置DTD定義

在DTD定義中，定值轉(zhuǎn)換通過ConstantFilter直接配置完成，單位轉(zhuǎn)換通過UnitFilter配置完成，用戶定制轉(zhuǎn)換在CustomFilter中配置完成。

2.2 瀏覽器顯示組件

再分析平臺(tái)基于Web設(shè)計(jì)，使用Javascript[12]對(duì)頁(yè)面元素進(jìn)行控制。Javascript可以為用戶提供豐富的用戶體驗(yàn)，設(shè)計(jì)基于瀏覽器的顯示組件幫助開發(fā)人員開發(fā)。組件設(shè)計(jì)與平臺(tái)整體設(shè)計(jì)目標(biāo)一致，從平臺(tái)的最終用戶和開發(fā)人員兩方面考慮：（1）以專業(yè)的顯示模式向用戶展現(xiàn)，保障用戶獲得良好的數(shù)據(jù)支持，并能夠在頁(yè)面上對(duì)組件控制操作；（2）屏蔽用戶的各類復(fù)雜需求，并解決跨瀏覽器的兼容性問題，以接口的方式面向開發(fā)人員，使開發(fā)人員僅用配置即可快速開發(fā)。顯示組件被設(shè)計(jì)為jQuery插件[13]，以JSON作為數(shù)據(jù)接口[14]。

2.2.1 色標(biāo)組件

平臺(tái)定義2個(gè)可拆分的組件：色標(biāo)選擇組件及色標(biāo)顯示組件，配合為色標(biāo)體系服務(wù)。色標(biāo)選擇組件用于修改色標(biāo)，為頁(yè)面的下拉選擇框，在點(diǎn)選后會(huì)顯示多個(gè)可選色標(biāo)，如圖2（a），選中色標(biāo)即可觸發(fā)色標(biāo)修改事件，并將改變后的色標(biāo)值通過事件響應(yīng)交給響應(yīng)監(jiān)聽。色標(biāo)顯示組件用于顯示色標(biāo)值，將傳入的色標(biāo)列舉在指定的DIV中，如圖2（b）。

圖2 色標(biāo)選擇組件與色標(biāo)顯示組件

在色標(biāo)組件中，單項(xiàng)色標(biāo)都被統(tǒng)一表示為一個(gè)JSON，該JSON包含2項(xiàng)：dbarn表示色標(biāo)的值列表，cbarn表示色標(biāo)的顏色列表，如：｛dbarn：[－16，－14]，cbarn：[″＃FF0000″，″＃00FF00″，″＃0000FF″]｝。色標(biāo)選擇組件傳入?yún)?shù)為多個(gè)色標(biāo)及響應(yīng)監(jiān)聽，色標(biāo)顯示組件傳入?yún)?shù)為待顯示的色標(biāo)。

2.2.2 站點(diǎn)圖組件

平臺(tái)定義站點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示方案，直接在地圖上描繪站點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用戶能夠宏觀的查看氣象要素分頁(yè)情況，同時(shí)能夠基于地形、行政、山地等參考背景進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)貓D上有足夠的站點(diǎn)數(shù)目時(shí)，就能看出數(shù)據(jù)的大致趨勢(shì)。站點(diǎn)圖組件基于OpenLayer框架[15]，支持地圖縮放、拖拽，能夠?qū)崟r(shí)更換背景圖，同時(shí)能夠在不同的層級(jí)選擇不同的站點(diǎn)顯示。當(dāng)用戶選擇中國(guó)區(qū)顯示時(shí)，則顯示國(guó)家級(jí)的重要站點(diǎn)；當(dāng)用戶選擇省級(jí)區(qū)域時(shí)，則顯示縣級(jí)站點(diǎn)，提供不同精度的數(shù)據(jù)支持。站點(diǎn)圖效果圖如圖3所示。

圖3 站點(diǎn)圖組件

該組件使用參數(shù)為：色標(biāo)、站點(diǎn)信息、站點(diǎn)要素值、背景地圖。當(dāng)站點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，插件使用分級(jí)顯示的方案，解決了在IE的兼容性問題。

2.2.3 分析圖組件

平臺(tái)中提供氣象常用的分析圖組件：折線圖與柱狀圖。繪制分析圖的主要目標(biāo)是，對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以及查看數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。因此在圖中提供多項(xiàng)數(shù)據(jù)的顯示，單位的顯示，圖4所示為分析圖組件的樣本。為分析圖組件所需輸入?yún)?shù)：分析圖類型、數(shù)據(jù)值序列、單位及標(biāo)簽。

圖4 分析圖組件

2.2.4 播放組件

再分析平臺(tái)為氣象數(shù)據(jù)再分析提供時(shí)間解析，以解決氣象要素在時(shí)間上的變化分析。時(shí)間變化圖也能夠很好的服務(wù)于觀測(cè)人員，如云圖、風(fēng)場(chǎng)。在設(shè)計(jì)中，提供通用播放組件，使再分析圖形能夠隨時(shí)間動(dòng)起來。

播放組件提供基本播放功能，定時(shí)觸發(fā)時(shí)次切換操作，控制圖形切換。對(duì)圖形能夠進(jìn)行上一時(shí)次，下一時(shí)次，自動(dòng)播放及停止4個(gè)操作，響應(yīng)方法由用戶自定義。當(dāng)時(shí)次改變時(shí)，組件調(diào)用用戶自定效果顯示。

3 應(yīng)用舉例

氣象科學(xué)研究院洪水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)項(xiàng)目提出需求如下：給定某區(qū)域內(nèi)的格點(diǎn)分析資料，在網(wǎng)頁(yè)上形成格點(diǎn)資料的再分析圖形，并通過播放方式自動(dòng)展現(xiàn)數(shù)據(jù)變化。

根據(jù)用戶需求，開發(fā)人員基于架構(gòu)搭建原型系統(tǒng)。開發(fā)過程如下：由于數(shù)據(jù)源為用戶自定義數(shù)據(jù)格式，故開發(fā)數(shù)據(jù)讀取層，將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為通用數(shù)據(jù)模型；根據(jù)用戶建議，設(shè)計(jì)前端的展現(xiàn)方案，形成靜態(tài)HTML頁(yè)面，并確定顯示控件的顯示位置和大小；根據(jù)用戶特殊值表及部分?jǐn)?shù)據(jù)離散化規(guī)則，完成數(shù)據(jù)過濾組件的XML定義；在HTML頁(yè)面上嵌入色標(biāo)、分析圖、播放插件，并將配置參數(shù)與后端數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)；聯(lián)編，聯(lián)調(diào)。

可見，在開發(fā)過程中，開發(fā)人員幾乎不涉及對(duì)氣象領(lǐng)域的理解，降低了開發(fā)人員的學(xué)習(xí)成本。同時(shí)，由于各組件代碼均可復(fù)用，所以原型系統(tǒng)開發(fā)過程代碼工作量很小，達(dá)到快速開發(fā)的效果。

4 結(jié)論

對(duì)國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)運(yùn)行服務(wù)主系統(tǒng)功能完善項(xiàng)目中的架構(gòu)抽象及模塊抽取，形成的在線再分析平臺(tái)架構(gòu)和組件，是對(duì)基于瀏覽器的氣象再分析業(yè)務(wù)開發(fā)的重要嘗試和預(yù)研。其理念和成果，為開發(fā)人員提供開發(fā)思路和一定的開發(fā)基礎(chǔ)，輔助非專業(yè)氣象開發(fā)人員快速上手，并在實(shí)踐過程中取得良好的效果。在未來的氣象業(yè)務(wù)開發(fā)過程中，不僅可以使用現(xiàn)有成果，還可以在此基礎(chǔ)上封裝更多的實(shí)用組件，進(jìn)一步完善架構(gòu)和組件庫(kù)，為在線氣象再分析服務(wù)提供更強(qiáng)大的支持。

致謝：感謝成都信息工程學(xué)院科研基金（CRF201406）對(duì)本文的資助

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