精細化暴雨監測預報及風險預警系統的開發與應用

李爽爽

(浙江省氣象信息網絡中心,浙江 杭州 310017)

0 引 言

隨著社會經濟發展,人民生活水平提高,與大自然接觸越發增多,導致氣象災害更為頻繁地影響社會生產、人類活動甚至是生命財產,其中暴雨是一種較為常見的災害性天氣,尤其是在東南沿海地區,水網密集,縱橫交錯,加之地處熱帶、亞熱帶季風區,受西南急流、南支槽、切變線、臺風等系統影響,容易造成洪澇災害和嚴重的水土流失,導致工程失事、堤防潰決和農作物被淹等重大的經濟損失,對經濟社會發展和人民生命財產安全構成嚴重威脅[1-2]。面對這些與人們利益息息相關的災害性天氣,氣象部門紛紛開展了災害性天氣預報預警等相關業務的研究和建設工作,但存在的問題日益突出,如強天氣及時監測捕捉能力偏弱,對突發性、局地性強對流天氣無法監測、預報;短時臨近暴雨預報預警能力較弱,尤其是強降水的定時、定點、定量精細化預報水平不足;氣象災害預警信息覆蓋面有限,預警信息發布尚未做到全天候、無縫隙和全覆蓋,突發氣象災害預警信息快速全網發布機制尚未形成;公眾科學應用氣象預警信息的能力不足,預警信息在防災抗災中的作用尚未充分發揮[3-5]。

為此,近年來浙江省各市、縣(市、區)積極開展當地精細化暴雨監測預報預警工程,有力推動精細化暴雨監測預報及風險預警系統建設,實現了實況監測數據網格精度更高、更新更快;氣象預報更精細、體系更完善;風險災害判別更科學,落區預報更準確;監測告警更及時,預警發布更流暢。為保障經濟社會發展和人民生命財產安全發揮巨大作用[6-9]。

1 系統架構

1.1 系統架構

系統架構設計遵循平臺化、組件化的設計思想,基于B/S的應用模式和靈活模塊應用模式,采用統一的數據交換、統一的接口標準、統一的安全保障。各種服務按多層模式組織,這種多層架構可以搭建松散耦合、易于復用、可擴展性強的應用,除了方便軟件開發的組織和實施外,亦便于日后系統的維護和擴展。

如圖1所示,業務處理模塊、報表模塊、系統自動提醒模塊、系統管理模塊采用基于Web應用程序框架,采用B/S方式運行。Web應用程序框架具有可伸縮、事務處理能力強、可擴展且安全可靠等特點,其應用程序組件分為表示層、邏輯層和數據層,這使得系統具有清晰的結構,便于系統的設計、開發、測試和維護,能夠提高代碼重用率。基于Web的應用程序可以向用戶提供一致的、及時的、方便的訪問。另外,Web應用程序框架是一種開放、標準、高效、可靠的技術,采用此技術構建的系統容易實現不同系統間的集成。

圖1 系統組成示意圖

1.2 技術架構

系統架構設計遵循平臺化、組件化的設計思想,采用SOA(Service-Oriented Architecture,面向服務架構)模型實現靈活應用管理,形成統一數據交換、統一接口標準及統一安全保障,技術架構如圖2。

圖2 技術架構圖

1.2.1 基于Spring MVC開發平臺

Spring MVC是一個基于Java實現了MVC設計模式的請求驅動類型的輕量級Web框架,通過把Model、View、Controller分離,將Web層進行職責解耦,把復雜的Web應用分成邏輯清晰的幾部分,簡化開發,減少出錯。

實現快速搭建一個高性能、高可靠性、高擴展性的企業應用系統,降低施工成本和風險。

1.2.2 基于SOA架構

系統建設遵循面向服務體系(SOA)的架構原則,以Web Services技術為支撐,采用XML技術進行集成。

在這種體系結構下,由獨立可復用的服務構成系統功能,此類服務對外公布意義明確的接口,軟件開發通過接口調用來完成相應的應用功能。

1.2.3 基于3層架構模型

3層架構將整個業務應用劃分為:表現層(UI)、業務邏輯層(BLL)、數據訪問層(DAL)。區分層次的目的是為了“高內聚、低耦合”。

1)數據訪問層:對原始數據(數據庫或者文本文件等存放數據的形式)的操作層,不是指原始數據,也就是說,是對數據的操作,而不是數據庫,具體為業務邏輯層或表示層提供數據服務。

2)業務邏輯層:針對具體問題的操作,可理解成對數據層的操作,對數據業務邏輯處理。

3)表示層:位于最外層(最上層),最接近用戶;用于顯示數據和接收用戶輸入的數據,為用戶提供一種交互式操作的界面。

平臺通過3層架構降低層與層之間的依賴,開發過程中利于各層的邏輯復用，有利于標準化;在后期維護的時候,極大地降低了維護成本和維護時間。

2 系統功能

如圖3所示,以義烏市精細化暴雨監測預報及風險預警系統為例,該系統分成義烏市本地化氣象數據支撐子系統、突發暴雨監測子系統、精細化暴雨預報子系統、暴雨次生災害風險預警和評估子系統及暴雨預警服務發布子系統5大模塊,下文一一闡述。

圖3 精細化暴雨監測預報及風險預警系統功能結構

2.1 本地化氣象數據支撐子系統

本地化氣象數據支撐子系統以省級CIMISS(China Integrated Meteorological Information Service System,全國綜合氣象信息數據共享平臺)環境為基礎,建立本地化的應用加速節點,對于氣象通用的基礎數據和資料,通過MUSIC接口進行數據直接訪問,對該地域生成的各類數據和產品按照CIMISS的標準和規范進行文件目錄管理或數據庫存儲管理,實現氣象資料和業務產品的統一、高效和完整的存儲、服務和管理功能,為省級業務和科研用戶提供各類氣象數據和產品的綜合數據共享服務。

數據分為自動站監測、雷達、衛星遙感、閃電定位及水文數據等5大類數據,其中自動站數據涵蓋縣(市、區)級國家站和區域自動站實時數據,數據每5 min更新,數據內容包括氣溫、氣壓、降水量、風向風速及能見度等常規要素;雷達數據包括周邊單站雷達數據接入和雷達組網展示,數據每10 min更新,展示內容有基本反射率、組合反射率;衛星遙感接入FY2F、FY2G和葵花8系列數據,數據每30 min更新,展示內容為紅外、水汽和可見光數據;閃電定位數據是通過閃電定位儀監測到的閃電發送相關監測數據,通過外推方法進行預警,結合雷達產品計算臨時雷暴概率,數據每1 min更新,展示內容包括閃電發生位置、閃電強度、發生時間等;水文數據每5 min更新,展示內容包括水文站降水量、水位和徑向流速等信息。

2.2 突發暴雨監測子系統

突發暴雨監測子系統充分利用CIMMIS接口以及浙江省、市、縣(市、區)共享數據基礎上設計的系統接口實現監測數據資源的實時調用和當地氣象數據進一步挖掘處理;實現了以縣(市、區)區域、小流域、山洪溝、主要水庫庫區、洪水漬澇以及城鎮積澇災害區域等為單位,包括面雨量降水產品,雷達降水產品以及衛星降水產品的生成與顯示,實現生成降水例子識別產品功能。

系統提供預警類別、閾值設置判斷;各流域、山洪溝、主要水庫庫區及城鎮積澇區域等范圍的(面)雨量和過程面雨量分析;預警管理和動畫、聲訊及短信等方式告警展示;同時設計了歷史降水量和報警查詢庫,完成歷史降水過程和告警過程的回溯查詢。

2.3 精細化暴雨預報子系統

精細化暴雨預報子系統建設,實現多時段預報無縫連接、預報和服務統一數據源的智能網格暴雨“一張網”。

1)短臨預報:系統使用QPF逐小時的預報結果,以QPF為初始場進行格點訂正,訂正完成以后,系統自動插值到每個鄉(鎮、街道)代表站和面雨量計算(未來1 h降水累計、未來2 h降水累計、未來3 h降水累計),形成每個鄉(鎮、街道)和全縣(市、區)范圍的面雨量預報產品和每個鄉(鎮、街道)代表站的累計降水預報產品。

2)短期預報:基于ZJWARRS(Zhejiang WRF-ADAS Rapid Refresh System,浙江省快速更新同化數值天氣預報系統)雨量預報產品和模式雷達精細化融合降水預報,同時結合EC、GFS、T639及JMA等模式結果,根據客觀預報結果分析取最優的模式作為初始場,進行格點訂正、系統自動插值到每個鄉(鎮、街道)代表站和面雨量計算(提供未來12 h累計降水量預報),以WebGIS的方式顯示未來12 h暴雨落區及網格化數據。

3)中長期預報:基于Doswell提出的“基于構成要素的預報方法”,以NCEP歷史再分析資料、高空地面觀測資料等為基礎,建立業務模型方程,給出12～360 h暴雨預報;基于DERF2.0模式的解釋應用技術,形成逐旬滾動發布的強降水過程預報、逐候滾動發布的降水趨勢預報、逐日滾動發布的降水量預報3種產品有機結合的15～30 d延伸期預報整體業務體系。

4)診斷預報:針對短時強降水、冰雹、雷雨大風、龍卷、雷電等強對流天氣,系統根據雷達回波演變和移動趨勢,結合地面站的溫度、濕度、壓強和風等觀測要素,對雙偏振雷達資料識別得到的暴雨、冰雹、軟雹、濕雪和干雪的落區及發展演變趨勢進行分析診斷,形成逐10 min更新的高時空分辨率相態識別產品,應用于預報服務。

2.4 暴雨次生災害風險預警評估子系統

突發性強降水和持續性局地暴雨是引發山洪災害、造成中小河流漫堤潰堤、中小水庫出險的主要因素。通過子系統建設,打通風險點管理、模型搭建、風險評估和預警各個環節,實現暴雨次生災害全流程氣象服務保障。

1)風險點管理:針對中小河流、山洪溝、地質災害點的普查信息的完善和加工,結合根據國土等部門的各類地質災害隱患點等山洪地質資料,完善全縣(市、區)6-7級小流域的劃分、命名等基礎信息,建立和完善災害點數據庫。

2)風險模型:研究中小河流洪水、山洪、地質災害的預報模型,得到動態臨界雨量并進行檢驗修正;地質災害點的預報模型主要基于前期災害發生的歷史資料,統計得到臨界雨量,最終分別建立次生災害風險預警模型。

3)風險評估:通過在代表性強和易發洪水山洪地質災害的中小流域、山洪溝、地質災害點,加密布點雨量站、自動土壤水分觀測站,動態開展洪水山洪地質災害評估,完善試驗區臨界(面)雨量和預警指標評價和確定體系。

4)風險預警:對系統產生的各類報警預警信息進行實時監控、系統展示、集中管理,并提供歷史檢索、分類統計、地圖標注等管理功能。

2.5 暴雨預警服務發布子系統

暴雨預警服務發布子系統首先通過預警信息采集,將預警信息采集至發布管理平臺,發布管理平臺通過預警信息審核等環節發布預警信息,并通過發布手段將預警信息發送到受眾用戶。過程分為預警信息收集存儲、發布審核、信息發布、運行監控及系統管理等多個環節。

1)預警信息管理:實時收集各類預警信息,包括像災害預警信號、臺風報告單、決策服務材料(一周天氣、重要氣象報告、氣象信息內參、氣象呈閱件、天氣公報、天氣專報、重大氣象災害評估)、旬報及月報等,平臺提供多種數據接入方式,達到傳輸一次,多渠道發布的目標。

2)預警發布管理:系統構建從預警信息制作、初審、復審、終審到發布的預警信息發布標準化業務流程,并基于工作流引擎,構建預警信息發布審核業務平臺;建立短信、網站、傳真、郵件、國突平臺等多種發布渠道的終端集成,通過統一的“信息發布”后臺來實現發布功能,實現信息“一鍵式”發布;同時,系統實時監控發布渠道,通過定時的方式對各發布渠道進行連通性檢測,當某個渠道無法正常連接時,生成報警信息,及時地通知值班人員。

3)系統管理:實現系統用戶管理、權限管理、服務對象管理(包括聯系方式、發送渠道的精細化管理)、短信通知管理等管理設置。

3 系統優勢

3.1 多租戶技術

如圖4所示,該系統采用高并發和高容錯能力的多租戶分布式架構,新建租戶時,只需在可視化界面上配置,更加方便快捷,主要技術優勢如下。

圖4 多租戶技術架構示意圖

1)減少成本。多租戶技術可以讓多個租戶共用一個應用程序或運算環境,可以有效地降低環境建置的成本;同時通過不同的數據管理手段,多租戶技術的數據可以用不同的方式進行數據隔離,降低供應商的維護成本。

2)易于更新和開發。多租戶架構下所有用戶都共用相同的軟件環境,因此在軟件改版時可以只發布一次,就能在所有租戶的環境上生效。

3)方便管理。通過使用了多租戶架構能減少物理資源和軟件資源,由有經驗的云供應商統一進行運營,簡化了系統管理。

3.2 WebGIS技術

WebGIS是Internet技術應用于GIS開發的產物[10],本文的系統是浙江省氣象信息網絡中心數據中心自主研發的一套WebGIS系統,與以往的GIS系統相比大大提高了系統兼容和響應速度,具備以下優點。

1)擴大訪問范圍。用戶可以同時訪問多個位于不同地方的服務器上的最新數據,而這一Internet/Intranet所特有的優勢大大方便了GIS的數據管理,使分布式的多數據源的數據管理和合成更易于實現。

2)增強平臺獨立性。無論服務器/客戶機是何種機器,無論WebGIS服務器端使用何種GIS軟件,由于使用了通用的Web瀏覽器,用戶就可以透明地訪問WebGIS數據,在某個服務器或該機上進行分布式部件的動態組合和空間數據的協同處理與分析,實現遠程異構數據的共享。

3)降低系統成本。普通GIS在每個客戶端都要配備昂貴的專業GIS軟件,而用戶使用的經常只是一些最基本的功能,這實際上造成了極大的浪費。WebGIS在客戶端通常只需要使用Web瀏覽器(有時還要加一些插件)即可。其軟件成本與全套專業GIS相比明顯要節省得多。另外,由于客戶端的簡單性而節省的維護費用也不容忽視。

4)平衡高效的計算負載。傳統的GIS大都使用文件服務器結構的處理方式,其處理能力完全依賴于客戶端,效率較低。省局自主研發的WebGIS能充分利用網絡資源,將基礎性、全局性的處理交由服務器執行,而對數據量較小的簡單操作則由客戶端直接完成。這種計算模式能靈活高效地尋求計算負荷和網絡流量負載在服務器端和客戶端的合理分配,是一種較理想的優化模式。

4 應用實例

如圖5所示,系統通過數據層對數據統一管理,接入阿里巴巴自主研發的分布式關系型數據庫服務DRDS(Distributed Relational Database Service)和開放的表格存儲服務OTS(OpenTableService)接口,實現各類數據讀取。再利用模型算法服務器、Web網絡服務器和GIS應用服務器,實現氣象數據和空間數據的后臺計算、查詢、索引和調度等。系統經過專業的軟件測試程序,符合各項標準,驗證合格,目前已交付運行。

圖5 應用實例圖

數據展示頁面呈現相應義烏市的實況信息、預報信息、雷達定量降水預測、省級指導產品以及各家模式預報產品數據等;監測預警頁面主要是對相應區域內的所有鄉(鎮、街道)進行區域預警和災害預警;實況展示頁面實現各類氣象監測數據點線面圖形展示,同時支持各種氣象要素的統計和導出功能;歷史統計頁面提供所有基本要素的歷史信息,支持可查詢任意時間段的基本要素排名信息;模式預報頁面提供精細化預報、數值預報和省級指導產品的可視化展示,并提供定制化快報展示、查詢。

5 結 語

暴雨監測預報預警是市、縣(市、區)級氣象局重要關注點。系統依靠實況監測、遙感、預報、診斷分析、災害點及部門共享等數據作為支撐,依靠先進的多租戶技術和WebGIS技術,提供市、縣(市、區)域精細化目標區的暴雨監測、無縫隙預報、輔助決策、預警與服務的數字化、網格化、定量化的系統工程,有效地提高了氣象部門預警信息發布的時效性、便捷性和覆蓋率。隨著科技和氣象現代化發展水平的不斷提高,各級氣象臺將提供更加及時、準確的輔助決策支持服務產品,氣象系統對國民經濟的貢獻必將更加巨大。