氣象歷史資料查詢與統計系統的設計與應用

張 茜，孫少明，王楠楠，陳陽權

(民航新疆空中交通管理局，烏魯木齊 830016)

0 引言

隨著新疆被確定為絲綢之路經濟帶核心區，烏魯木齊國際機場作為西部樞紐機場的地位逐漸被確立，氣象用戶對氣象預報、氣象實況、氣象預警、氣象要素、氣候統計資料以及日常業務化報表統計效率的要求不斷提高[1]。民航新疆空管局氣象中心作為烏魯木齊氣象監視臺，監視新疆22個機場的天氣實況，隨著新疆支線機場數量和航班流量的快速增長，新疆民航逐步進入大流量時代，原有的氣象歷史資料查詢與統計系統目前已經不能滿足航空用戶對氣象資料查詢及統計需求。氣象信息在用戶決策過程中的作用越來越明顯，對歷史氣象數據和天氣個例進行分析研究是提高氣象預報和服務水平的有效方式。同時，在日常工作中向用戶提供氣象歷史數據和數據統計等信息以及上報各種報表(如周報、月報)等都需要使用歷史資料。無論是天氣研究還是統計報表，人工篩選和統計歷史數據都是非常困難的，需要耗費大量的人力和時間。為使用戶能夠方便快捷地查詢和使用各類氣象資料以及幫助氣象預報員高效便捷地查詢和收集歷史資料，設計一套歷史資料查詢與統計系統是非常有必要的。

1 設計方案

使用C#語言對機場自動觀測數據進行解碼，將解碼后的數據寫為特定的格式，歷史資料查詢和統計功能模塊將以ASP.NET為底層架構，通過使用HTML、JavaScript、CSS、Echarts、FineUI等Web技術搭建Web平臺[2]，通過谷歌等瀏覽器進行顯示，并且用戶可通過瀏覽器進行交互式操作，該系統目前獨立運行，將來可以依托氣象信息綜合服務系統進行整合，以插件方式在服務系統中向使用者提供歷史資料查詢和統計功能。該系統所使用歷史數據主要包括機場實況、機場預報、重要氣象情報和低空氣象情報等報文數據，這些數據源以文件系統和數據庫兩種方式提供[3]，二者互為備份，同時使用各類預警和通報產品，在統計報表時給用戶提供方便，數據源以文件系統方式提供[4]，總體架構如圖1所示。

圖1 歷史資料查詢與統計系統方案架構

氣象歷史資料查詢與統計系統采用B/S架構，整體框架包括3級結構：1)數據環境，包括數據收集、處理、清洗、加工；2)計算層：相對濕度、報文信息、重要天氣日數、溫度信息和預警通報等信息的統計計算；3)顯示層：產品綜合顯示與交互分析。其中，數據環境負責數據的收集、處理，主要包括整點或半點的METAR報文數據資料的收集與加工；計算層負責將觀測到的溫度、露點溫度、氣壓等氣象要素作為輸入值計算。顯示層負責產品的顯示與分析，顯示歷史資料查詢結果、歷史要素查詢結果、報表統計查詢結果。顯示層在用戶交互查詢后，通過AJAX以json數據格式與后臺進行交換。

2 系統方案實現

氣象歷史資料查詢與統計系統，分別是歷史報文查詢、歷史要素查詢、報表統計查詢3個子系統。各個子系統在設計過程中相互獨立，能夠實現航空氣象報文、航空氣象要素、統計分析數據的查詢和下載。該系統的數據源包括與報文數據相關的歷史氣象數據庫，該數據庫為MySQL數據庫，主要存儲新疆區域METAR、SPECI、SIGMET、AIRMET、TAF、航空器空中報告等報文的歷史數據，并在文件系統中以文件方式進行備份，其他預警數據存儲在數據服務器文件系統中。查詢和統計分析主要依靠數據庫和文件系統兩種方式進行。

數據查詢和解碼的關鍵是對數據的清洗和校驗，清洗數據主要是對實況數據中重復項和錯誤項進行消除。由于實況和預報數據為協調世界時，在做統計時需要將數據時間轉化為北京時。

數據檢索時，對不同的報文需要設計不同的sql檢索語句。實況和預報的檢索語句為“select odate，otime，rptcontent from metmsg where odate>=@start and odate<=@end and cccc=@airport and tt=@type”，對于低空氣象情報和重要氣象情報，檢索語句為“select odate，otime，rptcontent from metabbr where odate>=@start and odate<=@end and cccc=@airport and tt=@type”。其中airport為機場的四字代碼，實況和預報的type為SP、SA、FC、FT等，低空氣象情報和重要氣象情報的type為WA和WS。數據檢索的關鍵代碼如下所示：

MySqlDataReader read=cmd.ExecuteReader()：

if (read!=null &&read.HasRows)

{

while (read.Read())

{

stringodate=(string)read["odate"]：

stringotime=(string)read["otime"]：

stringrptcontent=(string)read["rptcontent"]：

string data =odate + "，" + rptcontent：

dataList.Add(data)：

}

}

通過dataList.Distinct().ToList()語句去除重復。在獲取到報文數據列表dataList時，需要對錯誤數據進行處理，錯誤數據的更正在報文中以COR標識，去除錯誤時保留該時間最后一個COR報文，該報文即為正確且唯一的報文數據。另外在統計時，還需要對數據的時間進行處理，通過正則表達式獲取時間信息，對該時間加8即可轉換為北京時。通過上述處理，可獲取到數據列表并進行前端顯示、下載、數據解析等。

2.1 歷史報文查詢子系統

歷史報文查詢處理子系統實現歷史報文查詢、下載和圖形化功能。此功能包括實況報文、機場預報、重要氣象情報、低空氣象情報的查詢和下載，在實況報文中對航空有重要影響的天氣如大風、強降水、強對流、低能見度、凍降水等天氣現象，以醒目的顏色進行標識，用戶可以更清楚地發現所查詢的重要天氣，并根據需要對數據進行下載，下載結果按時間存儲為excel格式。除報文數據外，此功能還可對實況數據進行解碼，以圖形化方式提供所選時段內溫度、露點溫度、主導能見度、跑道視程的要素變化圖。

歷史資料查詢處理子系統收集的相關資料包括新疆轄區內22個機場的機場例行觀測、特殊觀測數據、機場預報、重要氣象情報、低空氣象情報、機場AWOS氣象要素變化圖形顯示資料等，在用戶選擇目標機場方面支持輸入機場四字代碼和點擊機場列表兩種選擇方式，起止日期選擇采用日歷形式且歷史時長不做限制。以風速為例，當實況或者預報風速超過5 m/s時，METAR報或者FC報顯示為藍色，當實況或者預報風速超過12 m/s時，METAR報或者FC報顯示為紅色，極大地提高了流量室和區域管制管制員、航空公司簽派員、機場監視臺預報員對當時或者未來將可能發生危險天氣機場的監視和檢索效率。

2.2 歷史要素查詢子系統

歷史要素查詢子系統實時收集新疆轄區各機場天氣報告、特殊天氣報告，并對這些資料進行解碼和質量控制[5，6]。歷史要素查詢子系統包含查詢和下載功能，在用戶選擇目標機場方面同樣支持輸入機場四字代碼和點擊機場列表兩種選擇方式，起止日期選擇采用日歷形式且歷史時長不做限制。歷史要素查詢子系統對機場實況進行解析，可以得到逐小時或逐半小時的風向、風速、陣風、能見度、跑道視程、溫度、露點、相對濕度、修正海壓、天氣現象和云組等要素信息，并以表格形式按時間排序向用戶呈現，同時對要素中大風、低能見度、低云和重要天氣現象以醒目顏色進行標識[7]，例如，當烏魯木齊主導能見度低于1000 m，能見度顯示為紅色。用戶可以根據需要下載所查詢的表格，所下載的數據為excel表格數據，同時可以根據需要進行圖形繪制。歷史要素查詢子系統極大地減輕了氣候統計時由METAR報分解氣象要素的工作量，提高了生成氣象統計要素EXCEL表格的效率和質量。

2.3 報表統計查詢子系統

報表統計查詢子系統包含報文信息統計、重要天氣日數、溫度信息和預警通報信息4個子目錄。報文信息統計子目錄包含觀測類和預報類，觀測類包括實況報文份數、特殊報文份數、更正報文份數、修訂報文份數、趨勢預報份數；預報類包括FC/FT報文份數、FC/FT修訂份數、FC/FT更正份數。重要天氣日數是指在航空氣象用戶所選時段內，出現某種重要天氣現象的天數(如降水日數、大風日數等)，天氣現象的日數反映了各種重要天氣現象在某時段內的頻繁程度。在統計重要天氣日數子目錄中，常用的有降雨、中雨、大霧、冰雹、大霧、沙暴、浮塵、雷暴、大風等重要天氣現象日數。在低能見度日數中又細分為Vis<1000 m，Vis<800 m，Vis<550 m，Vis<350 m；在跑道視程日數中又細分為RVR<550 m，RVR<400 m，RVR<200 m；并且在表格的下方顯示出重要天氣發生的具體時間，報表統計查詢子系統極大縮減了航空氣象用戶對特定時段內重要天氣的檢索時間[8]。在溫度信息子目錄統計中，包括最高溫度、最低溫度、平均溫度、最高溫度出現時間、最低溫度出現時間。在預警通報信息子目錄中包括等級預警、機場警報、風切變機場警報、區域預警、終端區預警、AIRMET份數、SIGMET份數、對流協同預報份數、48 h天氣通報、24 h天氣通報、12 h天氣通報、航空器報告、顛簸報告、積冰報告、風切變報告和8.4海里報告等預警統計類別。另外報表統計查詢子系統還包含為新疆空管局氣象中心預報室定制的周四信息統計、周日信息統計、月信息統計等個性化功能，這些功能的開發大大提高了報表的準確率和工作效率[9]。

3 結束語

基于B/S架構的歷史資料查詢處理子系統的構建滿足了新疆空管局氣象中心人員對報文及歷史氣象要素統計的需求，歷史資料查詢處理子系統極大地提高了流量室和區域管制室管制員、航空公司簽派員、機場監視臺預報員監視和檢索當時或者未來將可能發生危險天氣機場的效率，下一步可推廣至新疆空管局管制單位、轄區內航空公司和支線機場氣象臺，且推廣前景廣闊。歷史要素查詢子系統具備生成EXCEL氣象要素表格功能，該項功能極大地減輕了航空氣象用戶在氣候統計時由METAR報分解氣象要素的工作量，提高了氣象統計要素EXCEL表格的效率和質量。報表統計查詢子系統提高了檢索報文信息、重要天氣日數、溫度信息的統計檢索效率，另外還包含了專門為新疆空管局氣象中心定制的周四信息統計、周日信息統計、月信息統計等個性化功能，這些功能的開發提高了報表的準確率。