氣象雷達組網產品生成業務系統的設計與實現

張玉潔，涂愛琴，邊 智，高 林

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031；2.山東省氣象局大氣探測技術保障中心，濟南 250031；3.泰安市氣象局，泰安 271000)

0 引言

為了提高災害性天氣的監測預報能力，中國在20世紀90年代后期開始建設新一代天氣雷達網并投入業務應用，新一代雷達觀測資料的應用提高了暴雨、冰雹、臺風、龍卷風等災害性天氣的監測和預警能力[1-3]。目前，國內在利用雷達資料融合觀測數據服務于預報業務方面有一些研究成果。周寧[4]等依據衛星與雷達估算降雨技術，融合站點觀測數據，探究了將多源降雨數據應用于山洪地質災害預報預警中；王旭東[5]等將海河流域16部雷達進行組網拼圖處理，結合實時降雨數據找出了適合流域的雷達定量降水估測技術方法；崔延星[6]等利用毫米波云雷達、C波段連續波雷達以及云和降水的觀測數據，對華南地區夏季的云和降水特征進行了研究；高曉榮[7]、張春龍[8]也對多源數據融合的雷達資料進行過研究。但隨著氣象現代化建設中綜合觀測資料的增多，雷達組網產品與多源觀測數據融合應用的不足之處日漸凸顯，為有效推進氣象部門天氣雷達觀測數據的組網應用，加強雷達數據與多源觀測數據的融合在預報業務中的應用，山東省氣象局以業務應用需求為導向，設計開發了集多源數據產品生成、應用和管理于一體的氣象雷達組網產品生成業務系統，將雷達組網產品融合多源觀測數據應用于氣象服務。文章詳述了該系統的設計與實現。

1 系統總體設計

1.1 系統技術架構

氣象雷達組網產品生成業務系統的技術架構見圖1所示。分為數據源、數據接入和業務服務3部分。數據源對接國家級綜合氣象觀測產品系統；數據接入采用反向代理技術將國家級綜合氣象觀測產品系統的實時數據接入本地；業務服務采用SOA技術體系，通過服務治理、文件緩存、地理信息服務、數據協議等方式完成數據服務，通過負載均衡、前端環境支撐、模擬數據構造、地理信息服務、三維可視化等技術實現系統可視化功能。

1.2 系統開發語言及平臺部署

系統主要采用Java語言開發，符合J2EE規范，可跨平臺部署。服務器端操作系統為Windows Server 2008。系統的信息發布主要采用Web方式，部分功能模塊采用GIS系統。

圖1 系統架構

2 系統功能設計

氣象雷達組網產品生成業務系統通過分布式數據庫、大數據分析、三維展示等技術解決數據龐雜、數據計算量大、數據展示要求高等需求，充分發揮天氣雷達資料的應用能力，加強天氣雷達基本產品和三維組網產品的應用。同時利用多種分發手段將國家級綜合氣象觀測系統的部分數據傳輸到省級氣象部門，以滿足當地預報和服務等業務需求，為MICAPS、SWAN等業務應用軟件及決策服務提供產品支撐，為預報會商系統提供數據產品應用服務支撐。

2.1 系統功能結構

系統功能結構設計分為觀測產品數據對接、本地化應用管理、產品應用展示3個子系統。其中，觀測產品數據對接分為數據接口對接、文件接口對接、圖像產品接口對接3個功能模塊；本地化應用管理分為區域配置、產品配置、告警配置3個功能模塊；產品應用展示主要實現觀測數據和觀測產品的展示，分為現在天氣、綜合觀測、監測預警3個功能模塊。

2.2 系統主要功能設計

2.2.1 觀測產品數據對接設計

依托國家級業務內網訪問端口，向省級提供本地化的基本產品、強天氣產品、綜合產品等。接口調用方式支持HTTP或HTTPS協議請求通信。涉及敏感數據和數據傳輸安全時，如用戶密碼和SSH密鑰對，則使用HTTPS方式進行傳輸，安全性高[9-11]。

數據接口對接采用反向代理技術，與國家級綜合氣象觀測產品系統進行實時數據對接，對數據接口的狀態、內容進行定義轉發處理，將處理后的數據內容返回到客戶端，采用內部文件緩存或內存緩存方式對數據進行緩沖處理，提高數據接口并發能力。

靜態文件接口由于文件數據量大、占用帶寬高，尤其是地圖、常用的開發庫等文件，文件基本不發生變化，但是調用的頻率高。因此，在設計上采用熱點文件管理方式[12]對經常使用的文件自動調入內存，提高文件訪問效率。

圖像產品接口對接通過文件鏡像或反向代理技術，將國家級綜合氣象觀測產品系統生成的產品映射到某個特定的接口，本地客戶端或者系統可通過該接口訪問圖像產品。

2.2.2 本地化應用管理設計

針對基本產品、強天氣產品、綜合產品等信息，根據不同應用手段提供信息格式轉換接口，實現本地化的應用管理。區域配置模塊配置相應區域的產品種類，依據地區屬性，顯示該地區下的相關產品和數據；產品配置模塊為客戶端配置不同的產品，實現針對不同地區顯示不同的產品；告警配置模塊依據區域特點，設置不同天氣要素的告警級別，實現天氣實況告警級別的自動提示。

2.2.3 產品應用展示設計

結合地理信息系統，對本地區定制的綜合觀測產品進行集中展示、統計、分析和跟蹤天氣過程。

1)現在天氣

針對天氣現象按要素類別(氣溫、氣壓、風、降水等)顯示各類要素的天氣狀況，將不同要素的結果進行集中顯示，達到協同觀測分析的目的。現在天氣涵蓋重要天氣與氣象要素兩個子模塊，重要天氣主要針對冰雹、雷暴、大風、高溫、臺風等高影響天氣；氣象要素以多源觀測為目標，實現天氣雷達、溫度、氣壓、相對濕度、風、降水、云、能見度等重要氣象要素的同要素多手段觀測產品的綜合展示。

2)綜合觀測

按天氣雷達、地面、風廓線等不同觀測設備分類，根據天氣狀態分析天氣形勢和潛在影響。該模塊涵蓋天氣雷達、風廓線雷達、雷電、地面、高空、水汽、土壤水分和大氣成分八大觀測設備。

3)監測預警

提供深度定制區域監測預警服務，采用“行動值”、“警戒值”、“預警值”三級告警圈進行智能告警，實現對關注區域25 km、50 km、100 km范圍內發生的雷暴、冰雹、大霧等高影響天氣進行告警提示；該模塊還接入天氣雷達流數據，快速處理定制區域內天氣雷達單站基數據；監測預警模塊還設計了數據疊加輔助決策功能，提供用戶定制區域內的雷達拼圖、雷電、冰雹、大風、降水、低能見度、高溫等高影響天氣的變化情況，為預報及決策提供服務。

3 系統關鍵技術設計

3.1 系統數據存儲設計

氣象雷達組網產品生成業務系統的數據包含結構化數據和文件類型數據，因此，數據中心的數據存儲架構要滿足多種類格式數據存儲能力、海量數據存儲能力、讀寫并發效率和數據擴展能力。針對數據存儲需求，系統設計時采用了關系型數據庫[13](MySQL)與文件型數據庫(MongoDB)混合搭建的方式來解決這一問題。氣象觀測數據及產品每天會產生TB級大量小文件(如大部分圖片、txt、bin文件等)，系統采用了MongoDB GridFS技術[14]實現分布式文件數據庫來管理這些文件的增、刪、改、查詢、統計等功能。

3.2 數據可視化技術

系統針對數據可視化展示需求，采用WebGL(Web Graphics Library)技術進行革新，屏蔽了C/S架構軟件系統的弊端。WebGL是一種3D繪圖標準，這種繪圖技術標準允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結合在一起，增加OpenGL ES 2.0的一個JavaScript綁定，可流暢地展示3D場景和模型，創建出復雜的導航和數據視覺化[15]效果。系統采用這種可視化技術，通過調取三維CAPPI圖像，就能提供雷達資料三維場景的展示功能。

3.3 業務擴展能力設計

為滿足不斷變化的氣象業務需求，同時避免系統的重復開發，系統設計時應具備業務擴展能力，可滿足如新增觀測設備類別、觀測設備屬性變更、業務流程新增、業務考核評估擴展等需求。因此，系統采用了微服務+工作流引擎的方式保障氣象業務不斷變化的需求[16]。微服務設計，即將氣象探測業務根據業務形態劃分為各個獨立的業務服務，將所有服務形成統一的服務集，并對服務集中的每個服務系統進行監控和管理，每個服務都是獨立部署、獨立運行，當其中一個服務宕機不會影響整個平臺運行。服務集中的每個服務都是高可用的，保證了系統的穩定性。自動調度中心使用工作流引擎，通過配置業務流程和依賴關系，系統會根據配置規則自動將業務流程串聯運行，實現業務流程自動化[17]。

4 系統主要產品設計及實現

雷達組網產品生成業務系統可提供冰雹監測、雷達流數據快速拼圖、多源融合降水、多源組合風場、雷暴監測、臺風定位、降水類型識別、急流等多種豐富的產品。文章選取冰雹監測產品、多源融合降水產品、多源組合風場產品、臺風定位產品，闡述其設計與實現。

4.1 冰雹監測產品

利用新一代天氣雷達組網三維數據，融入高空探測資料，結合天氣雷達組網格點數據和雷達冰雹探測理論方法，引入了0 ℃、-20 ℃層高度等本地化參數，設計開發了定量化冰雹指數、概率、直徑等格點產品監測功能，跟蹤冰雹天氣的發生、發展過程。冰雹監測產品技術路線見圖2所示。

圖2 冰雹監測產品設計技術路線

中國氣象局災情直報資料顯示2019-05-17T18：00-21：00北京市通州區、大興區等地出現冰雹天氣。該系統成功監測到此次冰雹天氣過程，其中，雷達組合反射率因子最大值69 dBz，回波頂高超過14 km，強冰雹指數72，冰雹概率91%，冰雹直徑52 mm。系統監測到的冰雹大小及落區與實況基本一致。

4.2 多源融合降水產品

基于新一代天氣雷達、自動氣象站以及衛星多通道資料等多源觀測數據，在選取研究區域均值和標準差特征的基礎上結合天氣雷達定量估測降水產品，利用人工智能方法進行訓練和擬合來獲得多源融合降水產品。系統可提供1 h、3 h或24 h多源融合降水產品。產品時間分辨率為1 h，空間分辨率為1 km×1 km。

4.3 多源組合風場產品

多源組合風場產品將風廓線雷達、天氣雷達的速度方位顯示產品以及探空產品進行組合，形成水平風場。對天氣系統及次天氣系統環流的強度、位置進行準確描述。產品技術路線包含了單站和組網數據的處理。首先對風廓線雷達與天氣雷達的單站數據進行處理及質控，再經組網均一性質控，即結合探空與EC背景場進行質控，最終輸出水平風組網產品。

4.4 臺風定位產品

基于天氣雷達組網數據，利用深度學習和計算機視覺的方法，實現對臺風旋轉中心的及時準確定位，提供臺風中心位置、臺風融合風場、臺風移動速度等定量數據產品。

使用系統中3 km高度的CAPPI數據，針對臺風“安比”、“溫比亞”以及“山竹”等個例，進行臺風中心的識別。系統給出了臺風安比的中心定位結果及其在經緯度方向上的誤差，經緯度方向上的擬合相關系數分別為0.9804和0.9941，臺風定位產品的中心識別相關性較好。

5 結束語

1)系統采用Java語言，基于反向代理、分布式數據庫、大數據統計分析、三維展示等技術，實現了集產品生成、應用和管理于一體的業務服務。在數據產品的分析應用上融合了更多觀測資料，涵蓋了觀測數據及產品展示、數據分析、雷達三維剖面分析、監測告警、用戶定制等應用服務，為氣象觀測和強天氣監測提供精準分析。

2)系統采用關系型數據庫與文件型數據庫混合搭建的方式解決多種類數據存儲問題。在未來業務擴展方面，采用微服務+工作流引擎架構建設了應用服務層，為業務擴展提供服務和定制流程服務。采用WebGL技術對數據三維可視化展示進行革新，將JavaScript與OpenGL ES 2.0相結合，基于雷達拼圖數據實現三維可視化展示，提升了天氣預報分析工作的“可視化”程度。

3)系統以加強天氣雷達基本產品和三維組網產品應用為重點，并基于多源觀測數據發展冰雹、多源融合降水、風場、臺風定位定強、雷暴監測、降水類型識別、急流等綜合觀測產品，提高了強天氣監測產品的制作能力，改善了強天氣過程實況預警能力。產品應用效果滿足實際業務需求，為預報和服務提供了高分辨率精細化產品。