地面氣候月報編報軟件的設計與實現

韓書麗， 譚小華， 韓鑫強， 張來恩

(國家氣象信息中心,北京 100081)

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地面氣候月報編報軟件的設計與實現

韓書麗， 譚小華， 韓鑫強， 張來恩

(國家氣象信息中心,北京 100081)

地面氣候月報是世界氣象組織規定需要編發并通過國際通信系統進行國際交換的一類氣象報告，報告中編發的數據對氣象及氣候應用有重要作用。根據中國氣象局的業務改革發展規劃，地面氣象觀測站取消編報業務后，為了保證國際應用上和氣候相關的變量能夠保持無間斷地監控，在國家級需依托已有業務資源，完成地面氣候月報的編報。在此研究了新的業務流程下地面氣候月報編報算法的編制及軟件框架的設計，并介紹了軟件開發及應用部署情況。

地面氣候月報；格式；算法；設計；實現

地面氣候月報是世界氣象組織(World Meteorological Organization，以下簡稱WMO)規定的一類氣象報告[1]，它編發的是地面觀測站氣壓、氣溫、降水量、日照等基本氣候要素的月度統計值和多年統計值。地面氣候月報的數據在氣象和氣候應用中發揮了重要作用，包括氣候監測、氣候建模、時間序列生成等。根據區域基本氣候網絡的站點定義，各國站點在每月均要編發上個月份的地面氣候月報，并通過全球電信系統(Global Telecommunication System，以下簡稱GTS)進行國際交換[2-3]。

中國氣象局對地面氣候月報的編報規定是：每月4日，由地面氣象觀測站編發前一月本站地面氣候月報，并通過省級通信系統上行傳輸至國家級國內通信系統，國家級國內通信系統收集后向國際通信系統分發。根據《中國氣象局關于縣級綜合氣象業務改革發展的意見》，為了全面推進縣級綜合氣象業務改革發展，按照《縣級地面氣象觀測業務調整方案》工作要求，將取消地面氣象觀測站地面氣候月報編發業務。臺站取消編報后，由于中國氣象局承擔著地面氣候月報國際交換任務，為了保證國際應用上和氣候相關的變量保持無間斷地監控，在國家級需要依托現有業務資源，完成地面氣候月報編報應用的設計、開發及應用部署。筆者研究了新的業務流程下地面氣候月報編報算法的編制及軟件框架的設計，并介紹了軟件開發及應用部署情況。

1 軟件框架

1.1 報文格式

按照WMO規定，地面氣候月報的電碼格式為FM 71-XII CLIMAT，簡式報頭的TT為CS。一份地面氣候月報的報告通常包含5段，每段包含若干組。每段編發的內容如表1所示，其中，第2段每10年編發一次[4]。地面氣候月報中涉及到的月度統計值要素包括氣壓、氣溫、水汽壓、降水、日照、積雪深度、能見度、風速、雷暴和冰雹，涉及到的年度統計值要素包括月總日照時數多年平均值和降水量五分級。

表1 地面氣候月報格式

1.2 編報算法

地面氣候月報編報算法的研制是整個工作的核心及關鍵所在，是地面氣候月報編報應用設計過程中的重要部分。編報算法主要包含數據源及計算規則兩部分。

1.2.1 數據源。根據對地面氣候月報電碼格式、地面氣象觀測規范[5]等的研究，確定了月報中各組數據的編發數據源，分別是通過臺站實時上行的地面自動站氣象要素資料(國家站)、重要天氣報、地面日照資料、地面氣象要素日值資料計算各要素月度統計值，通過《中國地面氣候標準值數據集》獲取月多年平均值，降水量五分級數據直接由各臺站上報。

1.2.2 基本計算規則。基本的計算規則包括：①氣壓、氣溫等要素的日平均值，根據定時觀測時次進行平均計算而得；月平均值，根據日平均值進行平均計算求得。②降水量、日照時數等的月總量值，由日總量值累加計算而得。③計算極值時，從實有記錄中挑取。同時，由于實際觀測要素存在缺測的情況，需要根據觀測時次以及統計規則對存在缺測的各種場景下數據組織和處理的規則進行細化，主要包括：①求取日平均時，如果存在4次定時觀測時次至少存在1次缺測，則根據24次觀測記錄計算；24次觀測記錄如果存在6次或以上缺測時，則不做日平均，當日按缺測處理。②求取月平均時，各日值缺測達7次或以上時，月平均記為缺測。③如果日值全部為缺測，則月極值記為缺測。

1.2.3 特殊規則。參與國際交換的站點中，存在16個站點資料不足30整年或由于遷站等原因導致30年整編資料存在分段的情況，因此需要進行特殊的處理。處理方法為：對于資料不足30整年的站點，若實有資料已達到或超過20整年，則按實有資料統計；若實有資料不足20整年，相應段相應要素不編。針對某些30年整編資料存在分段統計的臺站，統計每一段覆蓋的統計年數，在進行資料應用時，選擇時間區間靠前的數據集。

由于“天氣現象”段中包含當日全部天氣現象信息，該段數據不能直接應用，需要對其進行解析以進一步得到能見度、冰雹數據，具體解析規則為：①能見度。分號后面如果是3個數字和1個逗號，則取分號后面的3個數字作為最小能見度；一個“天氣現象”中，可能存在多個能見度，需要逐一進行提取，對多個能見度進行比較，取其最小者。②冰雹。“天氣現象”段中，白天段如果包含89，且其后是空格，即“89 ”，說明該天有冰雹；夜間記錄用()表示，如果夜間記錄中包含“89，”，也說明該天有冰雹。

1.3 軟件框架

根據編報算法，地面氣候月報編報流程如圖1所示，具體為：①根據區域基本氣候網絡站點清單，獲取中國區域參與國際交換站點信息；②根據編報規定，地面氣象觀測站通過編報軟件編發地面自動站氣象要素資料、地面氣象要素日值資料、地面日照資料及重要天氣報等資料，并實時上行傳輸至國內氣象通信系統。經解碼處理后，以要素形式存儲于數據存儲與管理系統[6]。每個月4日，地面氣候月報編報系統通過API方式檢索國際交換站上一個月觀測數據，供編報使用；③從《中國地面氣候標準值數據集》中提取各站累年月日照時數，供編報使用；④對各站上報的降水量五分級數據進行歸一化整理，供編報使用。

以地面氣候月報編報算法為支撐，地面氣候月報編報系統共包含站點提取、歷史數據處理、實時數據處理和地面氣候月報編報四部分功能模塊。具體軟件框圖如圖2所示。程序實現時，不同模塊之間采用內存鏡像文件來進行數據的共享。通過mmap函數，將文件內容直接映射到程序地址空間，而不必再調用讀(read)等操作，有效地提高了模塊間的通信效率[6]。軟件框架具體說明如下：

(1)站點提取模塊。從WMO下載站表，從中提取中國區域參與國際交換站點信息，根據不同省份進行站點分組，并按照特定格式形成站點配置文件，供其他模塊使用。站點配置文件格式如下：

[CCCC1]

站號1

[CCCC2]

站號2

其中，CCCC為相應省份編報中心代碼；不同省份段之間以空行分隔。

(2)歷史數據處理模塊。對《中國地面氣候標準值數據集》及臺站降水量五分級進行處理，處理后的數據采用內存鏡像文件進行存儲，供其他模塊使用。

(3)原始觀測數據處理。依托國家級數據存儲與管理系統，采用API接口獲取各臺站一個月的原始觀測數據，根據編報算法以及數據存儲規則對數據進行再組織和處理。處理后的數據采用內存鏡像文件存儲。同時，為了提高業務魯棒性，設計異常處理及故障恢復機制。根據數據存儲與管理系統定義的返回碼進行錯誤識別，當API訪問出現故障時，根據出故障的查詢站號和查詢時間按照配置的時間間隔和重試次數進行重試[7]。

(4)地面氣候月報編報。根據地面氣候月報的電碼格式逐段逐組進行數據處理及編發。通過設計配置文件來提高應用的靈活性，并兼容當數據源錯誤時更正報的編發以及當數據不可用時空報的編發。

2 軟件應用

目前，地面氣候月報編報軟件已經完成開發、測試、部署并投入業務運行。每個月4日，由編報軟件完成國際交換地 面氣象觀測站的地面氣候月報編報，編發數據接入國際通信系統，國際通信系統處理完該公報后通過GTS線路發出進行國際交換。

德國氣象局和日本氣象局作為全球氣候觀測系統地面網絡監測中心，在每個月對接收到的全球地面氣候月報進行監測，并給出監測報告，如圖3以空間分布的方式展示了各區域地面氣候月報接收量百分比，綠色代表接收量為100%，根據圖3可以看到，對中國區域的數據接收情況良好。同時，德國利用收到的地面氣候月報進行全球氣溫監測，形成全球天氣氣溫偏差分析產品(與1961～1990年對比)，產品每月生成1個(圖4)。

3 結語

觀測站取消編報業務后，為了保障地面氣候月報國際交換業務，依托現有業務資源，并根據地面氣象觀測規范，設計了編報流程，提出了編報算法，并在此基礎上完成了應用軟件的開發，該軟件已完成部署，并發揮了實際效益。

[1] 王卷樂,孫九林.世界數據中心(WDC)回顧、變革與展望[J].地球科學進展,2009,24(6):11-12.

[2] 李湘.氣象通信系統發展與展望[J].氣象，2010,36(7)：56-61.

[3] 徐杰芙.第3代國際通信系統控制數據[J].氣象科技，2006,34(S1)：10-12.

[4] 高華云，應顯勛，高峰，等.氣象觀測報告的解碼規則與算法[M].北京：氣象出版社，2006.

[5] 中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003.

[6] 劉學勇，陳建偉.精通Linux C編程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[7] 高峰，趙芳.元數據技術在MDSS實時氣象數據庫系統建設中的應用[J].氣象科技，2006，34(Z1):68-70.

Design and Implementation of Meteorological CLIMAT Report Editing Software

HAN Shu-li, TAN Xiao-hua, HAN Xin-qiang et al

(National Meteorological Information Centre, Beijing 100081)

CLIMAT is a code required by World Meteorological Organization (WMO) and should be exchanged via the Global Telecommunication System (GTS). CLIMAT-coded messages contain information on several meteorological variables that are important to meteorological and climatological applications. According to the reform and development plan of China Meteorological Administration, the observatory will cancel the edit of CLIMAT report. To monitor the characteristics, changes, and variability of climate, we should establish a new business process and edit the CLIMAT report in national level. The article discusses the edit algorithm of CLIMAT report, the design of software framework, also introduces the development and deployment of the software.

CLIMAT; Format; Algorithm; Design; Implementation

韓書麗(1986- )，女，海南文昌人，工程師，碩士，從事氣象信息系統維護與開發工作。

2015-11-11

S 16

A

0517-6611(2015)35-270-02