青島市環(huán)境空氣質(zhì)量預報服務平臺設計開發(fā)與應用

畢瑋　趙文雪　時曉曚　孫萌　張濤　王建林

摘 要：通過整理匯總2013—2015年青島地區(qū)霾污染天氣的一系列研究成果，利用多種計算機圖形顯示和交互技術，設計搭建了青島市環(huán)境空氣質(zhì)量預報服務平臺。該平臺不僅將研究成果進行了可視化顯示，還實現(xiàn)了青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計預報的人機交互功能，成為了第一個青島地區(qū)環(huán)保部門和氣象部門聯(lián)合制作發(fā)布青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量預報服務的綜合性業(yè)務平臺，大大提高了當?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量預報服務的工作效率。本文對該平臺的設計構(gòu)建及各項模塊的功能作用進行了詳細的介紹，以期為其他地區(qū)開展相關開發(fā)工作提供參考和幫助。

關鍵詞：環(huán)境空氣質(zhì)量 平臺設計 asp.net

中圖分類號：X32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0164-07

Abstract：According to summarizethe results of hazepollution daysresearch in 2013-2015 in Qingdao， Qingdao Environmental Air Quality Forecast Service System （EAQFS） is designed by using a variety of computer graphics and interactive techniques. EAQFSnot only displaysfigures and tables， but also completes human-computer interaction of the Qingdao environmental air quality statistical forecasting.EAQFS is the first online system to support communication between meteorological and environmental departments in Qingdao. It improves greatlyefficiency of the local environmental air quality forecast. This paper introduces design-points and functions of each modulein detail， so as to provide reference for other areas to carry out the similarworks.

Key Words：Environmental； Air quality； System Design； Asp.net

青島地處山東半島南部沿海，多受大霧天氣影響，相關研究頗多，而對霾天氣的機理知之甚少。由于常年海、陸風交替，與內(nèi)陸地區(qū)相比，青島霾天氣的發(fā)生發(fā)展也更加復雜。隨著近年來我國大城市霾天氣頻發(fā)，引發(fā)的環(huán)境問題引起廣泛關注，中國氣象局在2013年初出臺了我國新的霾天氣預警信號發(fā)布規(guī)范。以此為契機，青島市氣象局從2013年開始將霾天氣的相關研究作為重點科研方向之一，給予了大力的支持，先后向上級申報和自行設立了多個研究項目，取得了大量的研究成果。

為切實有效地將研究成果應用于業(yè)務實踐，實現(xiàn)理論知識到實際應用的快速轉(zhuǎn)化，開發(fā)建設了青島市環(huán)境空氣質(zhì)量預報服務平臺。該平臺將前期的研究成果進行了可視化顯示，實現(xiàn)了青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計預報的人機交互功能，成為制作發(fā)布青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量預報服務的綜合性業(yè)務平臺。

1 編程語言與數(shù)據(jù)庫

本業(yè)務平臺采用B/S和C/S結(jié)合的開發(fā)結(jié)構(gòu)，以asp.net為主，結(jié)合多種web開發(fā)技術進行平臺開發(fā)。前臺頁面程序使用html、java script等語言，后臺代碼開發(fā)采用C#語言。數(shù)據(jù)庫采用SQL server和Oracle 10G 兩種數(shù)據(jù)庫，其中Oracle10G存儲業(yè)務資料，SQL server存儲配置數(shù)據(jù)表和臨時表。控制臺應用程序設計采用了C#和java兩種語言，主要完成一些輔助性的功能，如資料的定時獲取、實時數(shù)據(jù)的計算等。控制臺應用程序通過數(shù)據(jù)表同前臺asp.net程序進行通訊，實現(xiàn)相應功能。

對于常規(guī)性需求，采用了.net經(jīng)典三層模式進行設計和開發(fā)。對于一些特殊需求，則采用了多種技術進行綜合處理，其中包括了web程序和控制臺程序的交互調(diào)用方式。在項目的建設中為了增強表現(xiàn)效果，本次開發(fā)還引用了一些功能性控件，如Dunds Chart；還有一些公共API接口，如百度地圖API等。

2 平臺功能模塊設計

根據(jù)實際業(yè)務需求和業(yè)務人員的工作習慣，青島市環(huán)境空氣質(zhì)量氣象預報服務平臺框架設計了九大功能模塊，包括青島空氣質(zhì)量實時監(jiān)控、空氣污染氣象條件分析、數(shù)值預報、各級指導預報、青島環(huán)境空氣質(zhì)量預報產(chǎn)品制作發(fā)布、環(huán)境空氣質(zhì)量預報質(zhì)量檢驗、歷史資料查詢、研究成果展示和相關業(yè)務規(guī)范下載等。實況監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于青島市氣象局與青島市環(huán)境監(jiān)測站共享的實時資料，氣象要素圖表由web應用程序定時生成，預報產(chǎn)品通過人機交互完成制作和顯示。

2.1 實況監(jiān)測

該模塊包括大氣污染監(jiān)測、氣象要素監(jiān)測和衛(wèi)星監(jiān)測三部分內(nèi)容，實現(xiàn)對污染物濃度、空氣質(zhì)量指數(shù)等空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和相關氣象要素的實時監(jiān)測，以及各類衛(wèi)星圖像的實時顯示。空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于青島市環(huán)境監(jiān)測中心站推送至Oracle數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)來源于青島全市氣象自動站10 min觀測資料，衛(wèi)星圖像以中央氣象臺提供的風云3A、3B和韓國COMS提供的各通道云圖為主。

本模塊在開發(fā)中采用了百度Map API公共接口，利用百度地圖投影，采用經(jīng)緯度定位各個站點，形象直接地展示了各區(qū)域空氣質(zhì)量信息。根據(jù)各個空氣污染要素濃度，利用數(shù)據(jù)庫函數(shù)計算實時AQI，并采用Dundas Chart控件來顯示實況資料的時序變化曲線。endprint

2.2 空氣污染氣象條件

該模塊包括水平擴散條件、垂直擴散條件和大氣濕度條件三部分內(nèi)容，主要以ArcGIS為后臺輔助，實現(xiàn)對大氣水平和垂直風場變化、大氣層結(jié)狀態(tài)和濕度條件的分析顯示。數(shù)據(jù)來源于每天兩次（08、20時）的高空探測資料和青島自動站逐時風場資料。

2.3 數(shù)值預報

該模塊綜合顯示了部分數(shù)值預報產(chǎn)品，主要選擇了一些業(yè)務人員常用的、對判斷未來空氣污染氣象條件有較好指示意義的數(shù)值模式，包括EC細網(wǎng)格、T639、本地WRF和模式TlogP四部分內(nèi)容，其中模式TlogP部分是把本地WRF 9km、3km分辨率和T639的青島本站（54857）TlogP預報圖單獨顯示，方便業(yè)務人員快速調(diào)取查看。

2.4 指導預報

該模塊包括了中國氣象局霧霾指導預報產(chǎn)品、上海環(huán)境氣象數(shù)值預報產(chǎn)品和山東省氣象臺空氣污染氣象條件指導預報產(chǎn)品。主要目的是為了業(yè)務人員方便快速地了解各級指導預報，為本地化服務提供預報依據(jù)。

本模塊中涉及到的產(chǎn)品均有相關的web路徑，為了項目的獨立性和完整性，開發(fā)人員開發(fā)了一套控制臺應用程序，定時去指定位置獲取業(yè)務產(chǎn)品和資料，并分類存儲于服務器上，方便本平臺自行使用。

2.5 預報產(chǎn)品

該模塊主要供業(yè)務人員制作發(fā)布青島空氣質(zhì)量預報產(chǎn)品，與青島市環(huán)境監(jiān)測中心站進行預報意見交流，內(nèi)容包括了市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計預報、未來24h市區(qū)空氣質(zhì)量預報、未來一周市區(qū)空氣污染氣象條件分級預報和霧霾預警信息。每天，統(tǒng)計預報后臺程序定時自動調(diào)取當日實況，業(yè)務人員根據(jù)預報結(jié)論，輸入次日氣象要素具體預報值，程序反饋統(tǒng)計預報結(jié)果。業(yè)務人員參考多種資料，結(jié)合統(tǒng)計預報結(jié)果給出未來24h市區(qū)空氣質(zhì)量主觀預報。市環(huán)境監(jiān)測中心站人員結(jié)合業(yè)務人員預報意見，給出最終空氣質(zhì)量預報結(jié)論，并通過平臺發(fā)布顯示。

在制作市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計預報時，由于業(yè)務流程的設計，需要實現(xiàn)根據(jù)獲得參數(shù)及輸入各要素預報值，通過web程序調(diào)用控制臺應用程序，完成AQI計算。由于windows平臺安全機制的問題，windows系統(tǒng)和.net framework存在共同的公共運行庫。通過對公共運行庫的進程進行調(diào)用和處理，再對瀏覽器的intranet功能匹配，實現(xiàn)web頁面調(diào)用服務器控制臺程序的功能。通過System.Diagnostics.Process的參數(shù)匹配，實現(xiàn)控制臺應用程序的參數(shù)獲取，并對控制臺應用程序生成的文本文件結(jié)果進行訪問，獲得運行結(jié)果。經(jīng)過這一系列的數(shù)據(jù)處理，可以完成預計的功能設計，實現(xiàn)預定設計目標。

2.6 預報檢驗

本模塊主要是對中國氣象局下發(fā)的模式指導預報和青島本地主觀預報進行每日自動化檢驗。檢驗內(nèi)容包括模式AQI等級預報檢驗、6種污染物濃度預報檢驗、青島AQI等級主觀預報檢驗、首要污染物檢驗。預報檢驗通過模式預報的結(jié)論同AQI實況進行對比生成對比圖表。由于數(shù)據(jù)庫基本資料只存有小時數(shù)據(jù)，所以設計控制臺應用程序生成逐日AQI值，然后再和預報結(jié)論進行對比，自動生成并顯示對比圖表。

2.7 歷史資料查詢、研究成果與文件規(guī)范

這三個模塊分別提供了從2003年—2013年青島中度污染以上的霾污染天氣的氣象資料和AQI分布情況的查詢功能、2013——2015年研究成果的展示，以及與空氣質(zhì)量技術規(guī)定和預報發(fā)布相關的文件規(guī)范下載，供業(yè)務人員隨時查詢和參考使用。

3 結(jié)語

青島市環(huán)境空氣質(zhì)量預報服務平臺是針對2013—2015年青島地區(qū)霾污染天氣取得的一系列研究成果的綜合展示和業(yè)務應用。該平臺利用多種計算機圖形顯示和交互技術，實現(xiàn)了氣象資料和環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的可視化顯示，以及青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量統(tǒng)計預報的人機交互功能，是青島地區(qū)環(huán)保部門和氣象部門聯(lián)合制作發(fā)布青島市區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量預報服務的第一個綜合性業(yè)務平臺。該平臺已經(jīng)投入業(yè)務運行近兩年時間，大大提高了青島環(huán)境空氣質(zhì)量預報服務的工作效率，極大地方便了青島地區(qū)氣象和環(huán)保兩部門間的信息共享和交流。

目前平臺性能比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)運行通暢，維護量低，效果反饋良好。隨著研究的不斷深入，后期還將對該平臺的功能進行不斷擴充和完善，并在顯示效果和數(shù)據(jù)時效性上做進一步的優(yōu)化增強，以提高平臺服務效果和性能。

參考文獻

[1] 程念亮，李紅霞，孟凡.等.山東省空氣質(zhì)量預報平臺設計及其預報效果評估[J].環(huán)境污染與防治，2015，37（9）：92-99.

[2] 畢瑋，萬夫敬，陸雪，等.青島地區(qū)霾污染天氣特征分析[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2015，45（5）：11-18.

[3] 徐偉嘉，尹萌，李紅霞.基于GIS的珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量實況發(fā)布平臺介紹[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015.31（4）：146-152.

[4] 高慶先，劉俊蓉，李文濤，等.中美空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）對比研究及啟示[J].環(huán)境科學，2015，36（4）：1141-1147.

[5] 朱燕玲，姚玉剛，丁銘.蘇州市環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息化平臺建設思路研究[J].環(huán)境科學與管理，2014，39（9）：138-140.

[6] 劉娟.長三角區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預測預警體系建設的思考[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28（4）：135-140.endprint