基于智慧氣象業(yè)務(wù)平臺的氣象數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù)研究

孫玫玲 左曉辰 楊昱 蘭輝

近年來，隨著氣象探測與預(yù)報服務(wù)技術(shù)的不斷進步，各類氣象數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用量急劇膨脹。在當(dāng)前相關(guān)氣象服務(wù)平臺建設(shè)過程中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理與應(yīng)用方式已經(jīng)不能滿足需要，如何將不同類型、格式與來源的龐大數(shù)據(jù)有機整合高效利用，是構(gòu)建集約化智慧氣象服務(wù)體系的重中之重。

天津市氣象服務(wù)中心依托智慧氣象公共服務(wù)惠民系統(tǒng)項目建設(shè)，在構(gòu)建精細(xì)化預(yù)報業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境、數(shù)值模式產(chǎn)品釋用和數(shù)據(jù)產(chǎn)品交互式訂正等方面進行了有益的探索與研究，本文主要針對上述三方面內(nèi)容的原理與實現(xiàn)方法進行闡述。

一、精細(xì)化預(yù)報業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境構(gòu)建

（一）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

實時質(zhì)量控制是利用簡單有效的方法，在保證時效的基礎(chǔ)上，實時檢查解碼后氣象要素的質(zhì)量，設(shè)置質(zhì)量控制碼，使數(shù)據(jù)有基本的質(zhì)量保證。實時質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)源為從解碼模塊傳遞過來的數(shù)組，生成的數(shù)據(jù)文件存儲入庫。

定時質(zhì)量控制是在整點后啟動，對本時次的實時資料進行更加嚴(yán)格的質(zhì)量控制，修訂質(zhì)量控制碼。定時質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)源首選從存儲系統(tǒng)基礎(chǔ)庫的數(shù)據(jù)庫表檢索數(shù)據(jù)。

非實時質(zhì)量控制是在本地的月報數(shù)據(jù)文件到齊后啟動，從庫中獲取月報數(shù)據(jù)文件，進行非實時質(zhì)量控制，按照月報數(shù)據(jù)格式重新生成帶有國家級或省級質(zhì)量控制碼的月報數(shù)據(jù)文件。

（二）數(shù)據(jù)解碼

數(shù)據(jù)解碼是根據(jù)業(yè)務(wù)配置，對實時資料進行解碼和格式轉(zhuǎn)換，生成報告級和要素級的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)產(chǎn)品。根據(jù)資料的種類和解碼策略的不同，分為TAC解碼、BUFR解碼、GRIB解碼和自定義格式解碼。

（三）數(shù)據(jù)預(yù)處理

氣象觀測站點數(shù)量多、分布廣，數(shù)據(jù)自動觀測。在設(shè)備發(fā)生故障時，觀測到的數(shù)據(jù)難免會出現(xiàn)錯測、漏測的現(xiàn)象，這就需要對實時氣象數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括極值檢查、內(nèi)部一致性檢查和時間序列檢查等。各項控制檢查內(nèi)容如下：

1、極值檢查

氣象資料要素值是否超出氣候統(tǒng)計最大值和最小值的檢查為極值檢查。對超出測站要素極值的觀測資料，須做進一步檢查，以判斷資料是否正確。主要統(tǒng)計全市各地區(qū)逐月的降雨量最大值，逐月的最高氣溫、最低氣溫最大值和最小值，逐月風(fēng)速最大值，然后形成極值判斷條件，加入系統(tǒng)進行極值檢查。

2、內(nèi)部一致性檢查

對固定觀測站在同一時間觀測的氣象要素記錄之間的關(guān)系必須符合一定規(guī)律的檢查稱為內(nèi)部一致性檢查。例如：氣壓和露點溫度與氣溫和相對濕度的一致性，海平面氣壓與本站氣壓、氣溫的一致性。 雨量和風(fēng)速不能出現(xiàn)負(fù)值；當(dāng)日各時風(fēng)速≤日最大風(fēng)速；當(dāng)日各時雨量≤日小時最大雨量≤日總降雨量。

3、時間序列檢查

根據(jù)氣候要素的自然變化規(guī)律，在相鄰的時間段內(nèi)，要素變化幅度必然在一定的波動范圍內(nèi)，因此設(shè)定閥值進行時間序列檢查，主要考慮：不同時間段內(nèi)降雨量差值、溫度升幅和溫度降幅。

（三）數(shù)據(jù)分類入庫

1、氣候背景資料庫

自動站月報包括近五年國家自動站與區(qū)域自動站觀測的：降水、溫度、能見度、風(fēng)場、氣壓、濕度、地溫、積雪、天氣現(xiàn)象等所有要素，上述資料均可包括分鐘、小時數(shù)據(jù)。

重要天氣報文包括霧、雷暴、大風(fēng)、冰雹、暴雨、浮塵、霾、沙塵暴、凍雨、霜凍、龍卷風(fēng)、積雪、短時強降水等。

2、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品庫

日常業(yè)務(wù)中所有數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和要素數(shù)據(jù)。模式可包括：T639細(xì)網(wǎng)格、T639粗網(wǎng)格、GRAPES細(xì)網(wǎng)格、GRAPES粗網(wǎng)格、DOGRAFS、EC細(xì)網(wǎng)格、EC粗網(wǎng)格、NCEP在分析細(xì)網(wǎng)格資料、集合預(yù)報、CUACE、中尺度模式預(yù)報產(chǎn)品等。

數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和要素數(shù)據(jù)如：降水要素數(shù)據(jù)（3小時降水量、6小時降水量、12小時降水量、24小時降水量等）、高空環(huán)流形式場數(shù)據(jù)（高度場、溫度場、風(fēng)場等）、地面要素數(shù)據(jù)（海平面氣壓、2m溫度、露點溫度、海平面溫度、表層溫度、10m風(fēng)場等）、水汽要素數(shù)據(jù)（比濕、相對濕度、露點溫度、水汽通量散度等）、動力要素數(shù)據(jù)（渦度、散度、垂直速度等）、能量要素數(shù)據(jù)（850-500溫差、K指數(shù)、總云量、低云量等）、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)（逆溫厚度、逆溫差、混合層厚度等）。

3、精細(xì)化網(wǎng)格產(chǎn)品庫

1公里及3公里精細(xì)化網(wǎng)格產(chǎn)品。

4、實況資料庫

自動站實況數(shù)據(jù)，實時提供國家自動站與區(qū)域自動站觀測的實況信息；高空、地面氣象觀測，包括地面天氣圖、高空天氣圖、常用物理量場等資料；雷達數(shù)據(jù)，包括單站雷達資料、拼圖產(chǎn)品、反演產(chǎn)品等；衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星類型（FY-2D、FY-2E、FY-2F、FY-2G、日本葵花、風(fēng)云三、風(fēng)云四、NOAA衛(wèi)星）、產(chǎn)品類型（可見光、紅外、水汽、近紅外）查看云圖。

5、短臨預(yù)報產(chǎn)品庫

包括雷達外推產(chǎn)品，Swan雷達外推短臨預(yù)報產(chǎn)品；閃電定位，默認(rèn)顯示最近3小時的數(shù)據(jù)，以填圖的方式顯示閃電定位信息。

6、客觀預(yù)報產(chǎn)品庫

存放通過計算機程序辨識的各類專業(yè)預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品、格點預(yù)報解析規(guī)則及模版，解析后的客觀預(yù)報產(chǎn)品、并分類建庫。

7、精細(xì)化預(yù)報產(chǎn)品庫（主觀訂正產(chǎn)品庫）

存放最終確認(rèn)發(fā)布的精細(xì)化格點預(yù)報產(chǎn)品、站點預(yù)報產(chǎn)品，并建庫。

8、訂正參考資料

地理信息數(shù)據(jù)：主要是本地的地形特征，特別是河流分布、海陸特征、海拔高度。

訂正特征量：氣象要素分布特征（特別是平均值、歷史極值、概率等）、氣象災(zāi)害類型和分布、移動路徑和隨時間變化特點等。

（四）數(shù)據(jù)提取

1、指導(dǎo)預(yù)報模塊提取

獲取中央臺指導(dǎo)預(yù)報的主觀預(yù)報模塊提取，包括天氣預(yù)報（降水量預(yù)報、1～3天氣溫、水文地質(zhì)、短期公報、中期公報）。全國城鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報指導(dǎo)預(yù)報產(chǎn)品，5X5公里格點產(chǎn)品包括實況和預(yù)報，全國城鎮(zhèn)站點預(yù)報產(chǎn)品。

2、短臨落區(qū)提取

關(guān)注雷達實況和外推短臨預(yù)報產(chǎn)品，人工畫落區(qū)，同時生成圖像產(chǎn)品和文字產(chǎn)品。文字產(chǎn)品自動識別圖像產(chǎn)品落區(qū)，默認(rèn)精確到區(qū)。手動干預(yù)精確范圍（默認(rèn)到區(qū)）。

二、數(shù)值模式產(chǎn)品釋用開發(fā)

（一）數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用

通過比較多種數(shù)值預(yù)報模式，選擇有一定的時空精度、預(yù)報準(zhǔn)確度較高的模式作為建立精細(xì)指導(dǎo)預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報模式資料。定義常規(guī)要素的精細(xì)預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)，將時間精度、空間精度、量級精度和預(yù)報要素的要求客觀明確地規(guī)定下來。同時，通過新技術(shù)、新方法的研究，將數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品已經(jīng)達到的預(yù)報準(zhǔn)確度和時空精度很好地解釋應(yīng)用出來。建立具有實際應(yīng)用效果、性能穩(wěn)定的客觀精細(xì)化指導(dǎo)預(yù)報方法，為基層臺站提供客觀、定量的精細(xì)化指導(dǎo)預(yù)報產(chǎn)品。分類型的數(shù)值模式物理量診斷（EC、NC、T639、GEEPAS、集合預(yù)報等），包括加工分析基于本地指標(biāo)的預(yù)報產(chǎn)品；可根據(jù)不同預(yù)報要素或天氣現(xiàn)象來選擇相關(guān)物理量診斷產(chǎn)品。

（二）精細(xì)化產(chǎn)品逐小時插值

將原有的精細(xì)化格點預(yù)報分辨率為3公里逐3小時的產(chǎn)品，通過時空插值為逐小時的精細(xì)化格點預(yù)報產(chǎn)品。

1、溫度時間內(nèi)插（溫度日變化曲線擬合法）

建立每個小時的溫度預(yù)報方程。但利用溫度日變化曲線特征，完全可以用少數(shù)幾個點溫度計算出任意點的溫度，關(guān)鍵是要先計算出擬合曲線的系數(shù)。根據(jù)正常溫度日變化類似正弦波（可用高斯曲線擬合）特征，我們只要得到每天4個點的溫度值。就可通過曲線擬合內(nèi)插出任何時刻的溫度。

2、相對濕度時間內(nèi)插（水汽含量守恒法）

相對濕度插值原理是：在一定時間段內(nèi)（比如6小時）認(rèn)為沒有新的水汽增加和減少（水汽含量守恒）。這時的相對濕度是溫度的函數(shù)，應(yīng)用內(nèi)插的溫度值即可算出內(nèi)插的相對濕度。

（三）高度訂正

通過分析各站溫度遞減率，根據(jù)數(shù)值預(yù)報模式具有預(yù)報要素完整垂直分布的特點，利用數(shù)值預(yù)報的要素垂直分布變化率來訂正。

溫度、相對濕度、風(fēng)速等要素預(yù)報值的海拔高度訂正是困惑業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)的一個難題，我們根據(jù)數(shù)值預(yù)報模式具有預(yù)報要素完整垂直分布的特點，找到一個海拔高度的訂正方法，就是利用數(shù)值預(yù)報的要素垂直分布變化率來訂正。例如溫度隨高度的變化非常敏感，所以對于溫度場資料的插值方案將考慮觀測場地理高度 DEM 信息，考慮了海拔高度對溫度的影響。

（四）站點預(yù)報建模

對多個模式的預(yù)報結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)合歷史資料提供的氣候特征量，對不同站點、不同時間、不同要素的敏感模式和敏感特征量進行提取，建立站點預(yù)報模型，選擇適合的數(shù)值模式釋用產(chǎn)品結(jié)合特征量進行預(yù)報。

（五）格點/站點插值計算

數(shù)值預(yù)報在一定區(qū)域范圍內(nèi)的預(yù)報水平和能力可以認(rèn)為是相同的，那么用測站要素建立的預(yù)報模型，在一定范圍內(nèi)（25km或50km）是可以平移慮用的；通過某鄉(xiāng)鎮(zhèn)點（格點或任意服務(wù)點）掃描一定范圍內(nèi)的測站。用這些測站的頂報模型來平移計算鄉(xiāng)鎮(zhèn)點的值，然后通過Cressman權(quán)重訂正和海拔高度訂正，就是該點的預(yù)報。 先建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報（格點預(yù)報）的掃描參數(shù)（測站數(shù)和其內(nèi)插權(quán)重參數(shù)）和海拔高度參數(shù)（包括測站的海拔高度），然后運算掃描范圍內(nèi)所有測站的預(yù)報方程，再通過Cressman權(quán)重內(nèi)插訂正和海拔高度訂正，最后可以計算出責(zé)任區(qū)域范圍內(nèi)的所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報和格點預(yù)報。該插值技術(shù)的一大優(yōu)點是，可以任意增加服務(wù)點的預(yù)報。

三、可視化交互訂正

（一）交互顯示功能

1、二維平面顯示

實現(xiàn)降水量、氣溫、氣壓、相對濕度等氣象單要素或多要素疊加顯示。氣象要素可以人機交互方式勾選，顯示方式分為格點和填色兩種方式，其中格點數(shù)據(jù)顯示密度可根據(jù)顯示區(qū)域大小自動調(diào)整，分級顯示確保顯示數(shù)據(jù)清晰。如圖1、2所示。

2、時間序列圖

可實現(xiàn)單要素和多要素的一維時間序列圖形顯示，要素可以人機交互方式勾選。如圖3所示。

3、時空剖面圖

能夠以人機交互方式任意設(shè)置或者選擇單點，實現(xiàn)多要素時間-高空垂直剖面序列圖的顯示，要素以人機交互方式勾選。如圖4所示。

4、空間剖面圖

能夠繪制任意兩點直線或多點折線多要素垂直剖面圖，要素以人機交互方式勾選，拐點經(jīng)緯度以人機交互方式任意設(shè)置。

5、對比分析顯示

能夠?qū)崿F(xiàn)多個預(yù)報時段降水預(yù)報趨勢分析，將多個預(yù)報時次降水信息進行對比，自動分析降水預(yù)報強度變化趨勢。如圖5所示。

（二）訂正工具

預(yù)報員可通過可視化界面對客觀預(yù)報產(chǎn)品進行主觀訂正，包括對單點的修正和對落區(qū)的修正，下級可對上級發(fā)布的客觀預(yù)報產(chǎn)品進行修正，并上傳到上一級部門進行協(xié)同訂正。訂正后的最終結(jié)果將作為精細(xì)化預(yù)報產(chǎn)品對外發(fā)布。

基本交互功能包括：落區(qū)增改、落區(qū)中心、落區(qū)刪除、落區(qū)清空、落區(qū)格點化、格點等值線化、點編輯工具、擦涂工具、圖刷工具、矩形工具、線工具、閾值過濾、區(qū)域選擇、修改區(qū)域值、移動區(qū)域、區(qū)域刪除、鎖定區(qū)域、加權(quán)平均、凹槽凸脊、系統(tǒng)新生、梯度法修改、手繪跟隨流場、差值調(diào)整和中尺度疊加。

格點編輯訂正功能：

對點的編輯修改：可對畫刷實施一定的寬度、數(shù)值或加減值，對掃過路徑點數(shù)值進行改變等操作。

對線的編輯修改：進行區(qū)域等值線編輯，可對等值線進行刪除、增加、拉伸等操作。

對面的編輯修改：建立區(qū)域的概念，可對區(qū)域內(nèi)或者外的值進行修改，也可實現(xiàn)對區(qū)域的復(fù)制移動，可對區(qū)域進行固定值的修改，也可對區(qū)域的數(shù)值進行加減，也可對區(qū)域數(shù)值進行線性漸變或者非線性漸變修改等操作。

站點編輯訂正功能：

對單站的編輯修改：進行單站要素進行數(shù)值修改，可以進行加減值修改等操作。

對多站的編輯修改：選定區(qū)域，可對區(qū)域內(nèi)多站要素的值進行修改，也可對區(qū)域內(nèi)多站的數(shù)值進行加減，也可對區(qū)域內(nèi)多站的數(shù)值進行線性漸變或者非線性漸變修改。

針對區(qū)地不同需求，可實現(xiàn)圖表結(jié)合方式的編輯功能。能夠?qū)崿F(xiàn)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等站點預(yù)報產(chǎn)品的編輯制作。

四、結(jié)論

主要介紹了依托智慧氣象公共服務(wù)惠民系統(tǒng)項目建設(shè)，在構(gòu)建精細(xì)化預(yù)報業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境，以及實現(xiàn)數(shù)值模式產(chǎn)品釋用和數(shù)據(jù)產(chǎn)品交互式訂正等功能時采用技術(shù)方法，并對實際業(yè)務(wù)應(yīng)用效果進行了展示。通過對各類氣象實況、預(yù)報數(shù)據(jù)進行集合分析處理，進一步提升了資源利用率，簡化了業(yè)務(wù)人員的工作流程，提高工作效率。