地市級災害天氣監測預警系統設計與實現

周運麗

摘? 要：針對目前氣象業務對突發災害性天氣監測與預警的需要，探索研發了以CIMISS平臺為數據源的災害天氣監測預警平臺，該系統實現了實時監測災害性天氣的發生和發展情況，有助于提高防災減災服務的能力。本文從系統設計、功能設計、運行情況等方面進行了簡要介紹。

關鍵詞：災害天氣;CIMISS;監測;預警

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： In response to current meteorological needs of monitoring and early warning of severe and catastrophic weather， we have explored and developed a catastrophic weather monitoring and early warning platform using the CIMISS （China Integrated Meteorological Information Sharing System） platform as a data source. This system enables real-time monitoring of occurrence and development of severe weather， which is helpful for disaster prevention and mitigation services. This article briefly introduces the aspects of system design， function design， and operation.

Keywords： severe weather; CIMISS; monitor; early warning system

1? ?引言（Introduction）

近年來災害性天氣頻發，對社會生產、人類活動和生命財產造成的危害極大[1]。由于短時強降水、大風等天氣具有很強的突發性，且時空分布不均勻，很容易造成災害，而預報難度大，監測發布的時效要求高，需要快速將災害性天氣實況信息上報，作出準確的監測跟蹤服務是基層臺站氣象業務人員所面臨的實際問題，同時也是防災減災工作關注的重點。

本文介紹的系統是在全國綜合氣象信息共享系統（CIMISS）的基礎上進行研發。CIMISS實現規范各類氣象數據的統一、規范、高效管理，為各級應用系統提供了唯一權威的數據接入服務。

2? ?系統設計（System design）

2.1? ?總體需求

山西省運城市位于山西省南端，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，氣候的基本特點是：冬季干燥寒冷，夏季炎熱多雨，春季干燥多風，秋季涼爽連陰。影響我市的主要氣象災害有：干旱、陰雨、霜凍、大風、冰雹、干熱風等[2]。常常給運城地區工農業生產、人們的生命與財產造成嚴重損失。因此建設通用型災害天氣監測預警平臺的目的就是為提高氣象部門災害性天氣監測預警能力，同時也是提升服務水平的重要手段和必然要求。

2.2? ?系統的總體結構

災害天氣監測預警系統包括災害天氣監測預警系統網頁版與災害天氣監測預警微信端兩個主要業務系統組成，整體結構如圖1所示。其中災害天氣監測預警微信端是基于運城微氣象微信公眾號訪問內部Web應用獲取災害性天氣詳細信息，災害性天氣監測預警系統是以Web方式訪問，界面直觀，可適應于局域網、廣域網及遠程操作。整個系統的數據是通過統一的API接口對接省級CIMISS[3];系統數據庫使用Sqlserver2008;Web應用服務器使用Apache Tomcat;Web前端使用HTML+JAVASCRIPT實現;模塊和部署應用使用JAVA語言編程實現[4]。

3? ?功能設計（Feature design）

3.1? ?災害天氣監測預警系統網頁版

災害天氣監測預警系統實現了實時監測識別災害性天氣和自動整理分析氣象災害發生發展的相關信息，及時將災害性天氣實況信息上報領導和相關業務人員以供參考[5]，災害天氣監測預警系統如圖2所示。

（1）閾值管理

系統識別判斷各種災害性天氣發生、發展直到結束的閾值監測，閾值大小可以通過后臺進行修改。警報閾值大小的設置直接影響系統服務的效果，不宜太低也不宜過高[6]。該系統的警報規則主要參考了災害性天氣預警發布標準，再根據地域特點、留有提前預知量等進行完善和優化，最后得到最佳的警報閾值、系統掃描時間間隔、警報的時間間隔以及警報信息模板等。

（2）數據完整性監控

一方面由于該系統對數據完整性要求比較高，區域氣象站地處偏遠，站點較多，維修人員對數據缺測發現不及時，因此必須對其數據完整性進行監控。另一方面可以減輕值班人員的監測工作壓力，一旦缺測時次數達到設定的閾值且當前時次該站點沒有數據，系統會自動對維修人員發出該站點的維護維修信息提醒。

（3）實時監測、展示

目前選取運城市易發的十幾種氣象災害性天氣，包括短時強降水、高溫、寒潮、連陰雨、冰雹、霜凍、大霧、大風、干旱、暴雪等，后期可以根據情況進行增加或修改。該版塊利用從CIMISS里獲取氣象觀測資料，實現了災害性天氣即將發生到整個過程結束，實時監測顯示災害發生的時間、地點、過程強度數值變化、分析圖等，在地圖上直觀的展示出來[7]。

（4）歷史資料查詢

歷史資料查詢分為災害天氣資料查詢和氣象數據查詢。其中災害天氣資料查詢中可以查詢發生過的災害天氣過程，并且能夠詳細的看某一次的災害天氣資料。氣象數據查詢可以通過時間、氣象要素、站點對相關氣象數據進行查詢，并以excel表形式將數據導出，以彌補資料查找不方便、不完整的缺陷，為各種災害性天氣的預報預警提供數據保障。

3.2? ?災害天氣監測預警微信端

由于災害性天氣的突發性，相關部門的專家和決策領導等除非正好在崗，否則都無法正常快速趕到，只能依靠手機來了解和指揮防災減災工作。本系統通過運城微氣象（微信公眾號）對災害性天氣實況進行描述后以模板消息方式將其發送并已WEBGIS方式詳細展現當前實況災情信息，使用戶可以借助智能手機，在任何地方獲得詳細的災害性天氣相關信息。除此之外，除氣象部門外多部門聯動的加強，氣象專業服務定制化，專項化的需求更加強烈，該系統可以針對不同的用戶，設立不同級別的閾值，建立不同用戶的模板，滿足不同用戶的需求，災害性天氣手機微信截圖如圖3所示。

4? ?關鍵技術（Key technology）

4.1? ?災害性天氣多要素疊加查詢監測功能

一般來說，部分災害性天氣的識別判斷不能只簡單監測一種天氣要素，有時需要同時對多種要素進行疊加分析來判斷。比如干熱風，需要同時滿足四個條件：一是5月中下旬至6月上旬;二是14時風速>=3m/s;三是最小相對濕度<=30%;四是日最高氣溫>=30℃。系統會在5月中下旬至6月上旬這個時間段內，每天定時監測，一一匹配各項要素能否滿足條件。

4.2? ?災害性天氣歷史資料檢索功能

結合CIMISS底層數據接口各項定義，讓用戶能夠按照地區、時間段、多種氣象要素等從CIMISS庫中檢索出歷史數據，并提供檢索結果文檔導出下載功能[8]。

4.3? ?定時器—任務調度技術

引入Quartz-定時任務調度框架，Quartz采用了基于多線程的架構，這樣就使Quartz可以同時并發執行成千上萬個任務。并且Quartz依賴一套松耦合的線程池來管理線程環境。有效確保各種災害性天氣能夠定時完成監測識別。

5? ?系統應用（System applications）

目前，該系統在山西省運城市氣象局投入業務試運行，效果良好。下面以其中的一次大霧過程舉例說明。氣象上定義小于1000米為霧，小于500米為大霧，小于200米為濃霧。大霧、濃霧可使人的視野模糊，容易引發交通事故、產生空氣污染，直接危害人體健康、影響農作物產品的質量和產量。閾值考慮到要有提前量，所以設為從1000米開始發出惡劣天氣預警，使業務人員及決策領導有時間上的緩沖和思想上的準備。考慮到災害數據的及時性對氣象自動站設置查詢時間為10分鐘，為了避免推送消息過多，按照當數值增大時微信消息推送給有關人員，但是相關數值和相關圖標仍然按照10分鐘去記錄。2020年3月1日6個站發生大霧天氣，其中以稷山站為例從4時起到10時結束，系統共查詢了420多條符合閾值記錄，推送消息10余次，全程播報了這次大霧過程。

6? ?結論（Conclusion）

本系統以新媒體為載體，設計出一個集約化的災害天氣預警系統，能夠監測多項突發災害天氣的發展過程，并直接向各類用戶提供定制化的實時災害性天氣信息服務，使用戶能夠隨時隨地通過手機或電腦了解災害性天氣的發生和發展詳細情況，滿足防災減災的需求。目前災害天氣監測預警系統是針對山西省運城市進行的設計，具有本地特色的災害性天氣監控，但由于是在CIMISS的基礎上進行的二次開發，所以可以通過后臺的修改同時適用于其他地市。不過本系統是實時監測，雖然有一定的提前量但是不具備預測功能，這是今后值得研究的方向。

參考文獻（References）

[1] Kaoru Tachiiri，Masato Shinoda.Quantitative risk assessment for future meteorological disasters[J].Climatic Change，2012，113（3）：867-882.

[2] Reid Basher.Global early warning systems for natural hazards：systematic and people-centred [J].Phil.Trans.R.Soc.A，2006（364）：67-82.

[3] 張正陽，朱倩雨.基于CIMISS環境的氣象數據統一訪問接口簡介[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（Z1）：134-136.

[4] 閻麗鳳，周雪松，吳煒，等.災害性天氣監測預警平臺設計與開發[J].氣象科技，2014，42（5）：804-810.

[5] 熊劦，鄧衛華，胡佳軍，等.基于CIMISS的區域災害性天氣實時監測與報警系統的設計與實現[J].氣象科技，2017，45（3）：453-458.

[6] 馬吉偉.吉林省突發氣象災害監測預警與信息發布機制研[D].長春：吉林大學，2013.

[7] 趙芳，熊安元，張小纓，等.全國綜合氣象信息共享平臺架構設計技術特征[J].應用氣象學報，2017，28（6）：750-758.

[8] 曾行吉，李濤，詹利群，等.基于MUSIC的特色數據與產品回寫CIMISS方法研究[J].氣象研究與應用，2018，39（1）：111-114.