基于WebGIS的人工增雨效果檢驗系統設計與實現

孫李城，季 民，王 杰，姚 菡

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003）

基于WebGIS的人工增雨效果檢驗系統設計與實現

孫李城1，季 民1，王 杰1，姚 菡2

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003）

采用區域歷史回歸、雙比分析以及區域對比分析作為人工增雨效果檢驗的基本方法，基于Flex平臺，利用ArcGIS Server和WebGIS等技術，設計并實現了一種基于B/S模式的人工增雨效果檢驗系統。系統界面友好，具有較強的交互性和可操作性，實現了人工增雨效果評估數據的快速輸出，大大提高了人工增雨效果檢驗的評估效率。

人工增雨；效果檢驗；統計檢驗；WebGIS

人工增雨是指在一定的條件下，通過人工途徑對云等施加影響，以達到增大降水量緩解旱情的科學技術[1]。人工增雨效果檢驗則是人工增雨作業中難以回避的重要環節，是評價人工增雨作業增雨效益、經濟效益、作業方法是否有效和人工增雨技術水平的重要依據。而現階段人工增雨效果檢驗一直是一個世界性難題，國內外學者進行了大量的實驗研究，得出一些較為通用的檢驗方法，主要有物理檢驗、統計檢驗及數值模式檢驗[2-3]。目前物理檢驗和數值模式檢驗尚未成熟，難以業務化，而統計檢驗能在一定的顯著性水平上給出定量的增雨結果，便于評價作業的有效性，成為人工增雨效果檢驗的基本方法[4]。

在傳統統計檢驗方法和回歸分析理論方法的基礎上，本文利用WebGIS技術，基于Flex平臺，采用ESRI的二次開發工具API（ArcGIS API for Flex），進行B/S架構的人工增雨效果檢驗系統的開發。系統以自動氣象站逐時雨量資料為基礎數據，通過對人工增雨作業過程中目標區、對比區的科學選定，結合上述檢驗方法，計算人工增雨效果評估數據，完成人工增雨效果評估報告,實現全省人工增雨效果評估方法的統一。

1 系統人工增雨效果評估方法

1.1 目標區和對比區的選取

雨量數據與當地氣候環境特征密切相關，影響氣候的因素通常包括緯度位置、地形因素和海陸分布等[5-6]。本文在考慮人工增雨作業點分布情況的基礎上，結合歷史氣候環境特征和當前天氣系統條件，選取目標區和對比區。目標區和對比區滿足以下基本條件：

①目標區和對比區氣候環境和地理環境特征類似，區域面積相近；②目標區和對比區出現的降水條件具有相似性；③對比區同期觀測的雨量數據必須為自然條件下的，不受目標區人工增雨催化的影響；④目標區和對比區區域內自動氣象站分布合理，具有一定的代表性，雨量數據具有一定的持續性。

1.2 統計檢驗

統計檢驗方法主要包括區域歷史回歸法、雙比分析法和區域對比分析法。

1.2.1 區域歷史回歸法

該方法主要包括3個步驟：數據分析、建立回歸方程和顯著性檢驗。

1）數據分析。本文采用的數據為山東省自動氣象站逐時雨量數據，利用算術平均求取區域內自動氣象站各時刻的平均降雨量數據作為統計變量。由于要采用T檢驗法, 而T檢驗法要求統計變量具有或近似具有正態分布特征，因此對上述平均雨量數據進行二次方根、三次方根和對數變換。經柯爾莫哥洛夫擬合度檢驗, 選擇更接近正態分布的變量變換, 將變換后的區域平均雨量作為區域歷史回歸的樣本。

其主要步驟為：①選定目標區A和對比區B內的自動氣象站點；②系統調用歷史雨量資料，只選取A、B區域中≥2/3測站有降水的時刻作為分析樣本,采用算術平均求取該時刻下測站的平均降雨量作為統計變量；③對取出的平均降雨量數據進行正態化轉換：開平方根、三次方根和取對數，得A區降水量y，B區降水量x的n組歷史樣本；④進行柯爾莫哥洛夫擬合度檢驗, 選擇最接近正態分布歷史樣本；⑤計算對比區B與目標區A雨量數據相關系數r，計算公式如下：

式中，xi、yi為對比區B和目標區A歷史平均降雨量；為xi、yi的平均值；N為樣本個數；Sx、Sy為統計變量x、y的標準差；Sxy為統計變量x、y的協方差。

2）建立回歸方程。根據歷史回歸統計原理，利用最小二乘法，建立目標區和對比區統計變量間的一元線性擬合關系y =a+bx，其中：式中，xi、yi為對比區B和目標區A歷史平均降雨量；為xi、yi的平均值。

根據所選人工增雨評估時段，將對比區實際測量雨量值x（所選時段的平均）進行上文變換后代入回歸方程，對求出的結果進行逆變換，求出同期目標區自然降水的期待值y^ ，再進行人工增雨效果評估數據的計算。計算公式為：

3）顯著性檢驗。為確定增雨量是人工影響所致或是降水的自然變量，需要檢驗增雨量的統計顯著性，通常采用T檢驗[3]，其公式如下：

根據自由度v=n-2和T值查T-分布表，確定顯著性水平α和可信度1–α/2。

1.2.2 雙比分析法

采用雙比分析法對人工增雨效果進行定量分析，計算公式為：

式中，X1為對比區非作業期實測雨量；X2為對比區作業期實測雨量；Y1為目標區非作業期實測雨量；Y2為目標區作業期實測雨量。

1.2.3 區域對比分析法

采用區域對比分析法對人工增雨效果進行定量分析，計算公式為：

式中，X2為對比區作業期實測雨量；Y2為目標區作業期實測雨量。

2 系統設計

2.1 系統架構設計

根據系統建設目標和人工增雨作業效果檢驗業務需求，系統采用B/S架構，以WebGIS技術為支撐，采用Flex進行界面設計，數據庫則使用SQL Server 2008，并利用Web Services技術與之交互。

系統的開發主要由客戶端和服務端兩方面構成。服務端主要負責各類數據庫的管理、GIS服務和Web服務的發布等，客戶端負責完成系統界面的設計及系統業務的開發，系統開發流程如圖1所示。

圖1 系統開發流程圖

系統建設總體框架由數據層、服務層、業務邏輯層、表現層和客戶層5部分組成，是一種典型的多層體系結構，如圖2所示。

數據層，即應用數據的存儲層，是系統的最底層部分。該層對人工增雨業務數據進行存儲、檢索和維護，支持響應高層的數據要求，包含人工增雨數據、氣象資料數據、自動雨量數據、歷史雨量數據和基礎地理數據等。數據均由SQL Server數據庫進行管理。

服務層，即運行于服務器中的各種服務，包括GIS服務和Web服務。GIS服務提供地圖服務、Geometry服務和地理處理服務等，由于Flex無法與數據庫直接通信，因而將數據訪問過程包裝成Web Method,通過Web服務發布成Web Services,供Flex調用。

業務邏輯層，即與服務器進行通信的單元模塊。負責集成Flex類庫和ArcGIS API for Flex等第三方API,處理服務層的反饋結果，在表現層進行展現，還負責搭建運行架構，定義系統邏輯模塊。

表現層，即系統展現的層面。由豐富的界面元素和交互組件構成，負責完成信息表現和用戶交互操作，具有Flash般的效果，提高了用戶的體驗效果。

客戶層，即應用程序的客戶端。具體指部署有Flash播放器的瀏覽器，如IE、 FireFox和Chrome等。

圖2 系統架構圖

2.2 系統功能設計

根據系統設計目的和框架，其主要功能包括：

1）系統管理模塊，包括作業信息管理、圖層控制和飛機航線數據管理。作業信息管理對每次人工增雨作業數據進行管理，實現作業數據的查詢、編輯等。圖層控制實現人工影響天氣作業點、飛機作業航線、氣象站點和雷達影像數據的疊加顯示，并且用戶可根據自身需要設置顯示的圖層。飛機航線數據管理可對人工增雨作業后飛機航線數據進行查看以及在地圖上繪制顯示等。

2）區域繪制模塊，實現目標區和對比區的選取繪制。在地圖上利用鼠標以多邊形拉框等方式可直接選取目標區和對比區，并可對選取的目標區和對比區進行編輯、復制、移動等操作，在動態選取目標區和對比區的同時，系統可快速計算所選區域面積、區域包含作業站點和自動氣象站點的個數等。

3）統計檢驗模塊，集成了國內外最常用的3種統計分析方案，對地面、飛機人工增雨作業效果進行實時分析評估。

圖3 系統功能圖

3 案例分析

2014年7月，山東省受低層切變線的影響，部分地區出現旱情，夏季森林防火壓力較大，山東省人影辦組織實施了人工增雨作業。針對該次作業，利用本系統進行人工增雨效果檢驗。本次分析采用的歷史數據為2012～2014年4～10月的自動氣象站逐時數據，實時觀測數據為2014年7月作業同期實時觀測數據。

3.1 選取目標區和對比區

在對人工增雨作業點分布情況、自動氣象站分布情況和作業天氣狀況進行綜合分析的基礎上，確定了目標區和對比區，如圖4所示，其中紅色區域為目標區，藍色區域為對比區，具體情況如表1所示。

圖4 目標區和對比區示意圖

表1 目標區和對比區資料

3.2 增雨效果檢驗分析

如圖5所示，目標區和對比區相關系數的顯著性水平＜0.01，表明所選取的目標區和對比區具有較好的相關性，故可利用回歸分析方法進行增雨效果的分析。根據相對增雨和絕對增雨量化值，可以看出本次人工增雨作業效果良好。進一步經過T檢驗，顯著性水平＜0.01，可信度達到99%，說明增雨量是人工影響所致，而非降水的自然變量，人工增雨效果顯著。

根據圖6、7的統計結果，相對增雨和絕對增雨量化值都較高，與區域歷史回歸法分析結果具有良好的一致性，進一步說明本次作業比較成功，達到預期效果。

圖5 區域歷史回歸分析統計結果

圖6 雙比分析統計結果

圖7 區域對比分析統計結果

4 結 語

本文以區域歷史回歸、雙比分析以及區域對比分析作為人工增雨效果檢驗的基本方法，基于WebGIS設計了人工增雨效果檢驗系統，實現了人工增雨效果評估數據的正確、快速輸出，為基層人影部門提供了一套界面友好、操作簡單、交互性強的增雨效果評價平臺，提高了工作效率。

[1] 郭紅艷,李春光,劉強,等.山東濟寧地區人工增雨效果檢驗[J].干旱氣象,2014,32(3):454-459

[2] 房彬,王吉宏,楊文霞.人工增雨效果檢驗的研究進展[J].安徽農業科學,2010,38(13):6 756-6 758

[3] 馬玉芳,王黎俊,張慧,等.海南州人工增雨效果統計分析系統的設計與開發[J].青?？萍?2011(5):78-81

[4] 黃彥彬,姚展予,游積平，等.基于“.NET”的華南區域人工增雨效果統計檢驗共享平臺的設計與實現[J].氣象,2011,37(6):727-734

[5] 王黎俊,李侖格,楊毅.人工增雨效果檢驗的統計分析[J].青?？萍?2003(2):36-38

[6] 杜景林,尚金龍,薛建軍.人工影響天氣作業效果評估系統設計[J].計算機應用與軟件,2013,30(2):152-156

P208

B

1672-4623（2016）07-0065-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.020

孫李城，碩士研究生，研究方向為地理信息系統應用與開發。

2015-06-02。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41471330）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20113718110001）；山東科技大學科研創新團隊支持計劃資助項目（2011KYTD103）。