CMPAS-1KM 產(chǎn)品在內(nèi)蒙區(qū)域雨情圖的應(yīng)用

杜 宇，陶 鑫

（內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象數(shù)據(jù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，降水獲取的方法越來(lái)越豐富，常規(guī)獲取降水的方法是通過(guò)建設(shè)觀測(cè)站觀測(cè)降水量，但是這只能表示區(qū)域中某點(diǎn)或一小范圍的降水情況；比較新的手段則是通過(guò)雷達(dá)測(cè)雨和衛(wèi)星反演降水。目前為止，觀測(cè)站網(wǎng)仍舊是觀測(cè)降水的主要手段，但是其觀測(cè)的降水量在空間上是非規(guī)則離散分布的且大部分區(qū)域建設(shè)的觀測(cè)站密度比較稀疏，不能完整地反映真實(shí)降水在空間上的連續(xù)分布，需要利用現(xiàn)有的觀測(cè)站的數(shù)據(jù)通過(guò)空間插值的方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到一個(gè)均勻分布的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星、雷達(dá)估測(cè)降水和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，多源融合降水資料逐漸在網(wǎng)格數(shù)據(jù)的計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)家氣象信息中心研制的CMPAS 降水實(shí)況產(chǎn)品分辨率也從最初的5KM 提高到了1KM，許多數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果表明：CMPAS-1KM 產(chǎn)品總體質(zhì)量高于地面觀測(cè)站單一來(lái)源的降水，對(duì)強(qiáng)降水和空間分布的細(xì)節(jié)把握更加準(zhǔn)確[1]，文中將對(duì)CMPAS-1KM 產(chǎn)品在內(nèi)蒙區(qū)域的雨情圖制作應(yīng)用做詳細(xì)介紹。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)說(shuō)明

1.1 研究區(qū)域

內(nèi)蒙古自治區(qū)，簡(jiǎn)稱“內(nèi)蒙古”，地處中國(guó)北部，地理上位于北緯37 度24 分至53 度23 分，東經(jīng)97 度12 分至126 度04 分之間，平均海拔高度1KM 左右。地勢(shì)由東北向西南斜伸，呈狹長(zhǎng)形。全區(qū)地形涵蓋平原丘陵、山地，地貌涵蓋草地、濕地、裸地、灌木地、人造地表、耕地、森林、水體，全區(qū)觀測(cè)站點(diǎn)分布東西稀疏。

1.2 數(shù)據(jù)說(shuō)明

地面降水觀測(cè)資料：內(nèi)蒙古自治區(qū)119 個(gè)國(guó)家級(jí)地面自動(dòng)站、33 個(gè)無(wú)人站和2285 個(gè)區(qū)域自動(dòng)站中質(zhì)控碼為0、3、4（正確、修改和訂正）的逐小時(shí)降水觀測(cè)數(shù)據(jù)。

CMPAS-1K 產(chǎn)品：內(nèi)蒙古區(qū)域逐小時(shí)降水實(shí)時(shí)融合實(shí)況分析產(chǎn)品，來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心，時(shí)間分辨率為1h、空間分辨率0.01 度*0.01 度，是將地面資料、衛(wèi)星資料和雷達(dá)資料三種產(chǎn)品，使用概率密度PDF（Probability Density Function）匹配方法、貝葉斯模式平均法，采用最優(yōu)插值方法將三種數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合生成的多源融合降水產(chǎn)品[2-3]。

2 研究方法

內(nèi)蒙區(qū)域雨情圖繪制是基于Python 語(yǔ)言和cartopy類庫(kù)開(kāi)發(fā)的，目前僅支持全區(qū)降水色斑圖的制作，由于微信小程序部署在互聯(lián)網(wǎng)，繪圖程序部署在內(nèi)網(wǎng)，因此需要將生成的色斑圖進(jìn)行Base64 編碼保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后在客戶端進(jìn)行解碼顯示。

2.1 數(shù)據(jù)下載

地面降水觀測(cè)資料和CMPAS-1KM 產(chǎn)品均存儲(chǔ)在內(nèi)蒙古氣象數(shù)據(jù)中心核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)-內(nèi)蒙區(qū)氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱天擎）數(shù)據(jù)環(huán)境中，為了方便用戶快速便捷的下載數(shù)據(jù)，提供了全國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)豐富的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口和應(yīng)用編程接口，用于數(shù)據(jù)下載，天擎的服務(wù)接口主要功能：

1.強(qiáng)大的數(shù)據(jù)服務(wù)能力。無(wú)需編寫sql 語(yǔ)句，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載，包括站點(diǎn)數(shù)據(jù)的檢索、統(tǒng)計(jì)，格點(diǎn)資料的下載和解析。此外，還提供了數(shù)據(jù)寫入功能，包括對(duì)站點(diǎn)資料、文件產(chǎn)品寫入。

2.多樣的數(shù)據(jù)服務(wù)方式。包括客戶端調(diào)用服務(wù)、REST 服務(wù)和腳本方式。客戶端調(diào)用服務(wù)場(chǎng)景是大數(shù)據(jù)量下載；REST 服務(wù)主要面向WEB 工程的前臺(tái)交互應(yīng)用；腳本方式則是服務(wù)不擅長(zhǎng)編程的科研用戶，無(wú)需編程也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載。

3.跨平臺(tái)、多語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)場(chǎng)景。REST 服務(wù)支持所有平臺(tái)和語(yǔ)言的調(diào)用。客戶端調(diào)用服務(wù)和腳本服務(wù)，支持主流的操作系統(tǒng)，其包括了Linux 64bit、HP-UX、Windows 64bit 等，提供多種語(yǔ)言的客戶端開(kāi)發(fā)包，包括C#、Java、Python 等。

內(nèi)蒙區(qū)域雨情圖制作所用到的資料包括中國(guó)地面逐小時(shí)資料的資料代碼是SURF_CHN_MUL_HOR，服務(wù)接口是statSurfEleInRegion；CMPAS-1KM 產(chǎn)品的資料代碼是SURF_CMPAS_MUL_1KM_RT，服務(wù)接口是getSurfFileByTime Range，為了確保數(shù)據(jù)安全，對(duì)數(shù)據(jù)下載拼接的URL 進(jìn)行加密。

2.2 數(shù)據(jù)加工處理

通過(guò)天擎接口下載的中國(guó)地面逐小時(shí)資料通過(guò)調(diào)用統(tǒng)計(jì)接口即可完成24 小時(shí)累積降水的加工，但是CMPAS-1KM 產(chǎn)品是GRB2 數(shù)據(jù)格式，需要進(jìn)行解碼統(tǒng)計(jì)才可實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)累積降水的計(jì)算，而且該小時(shí)產(chǎn)品是不定時(shí)更新的，同一觀測(cè)時(shí)次可能會(huì)下載到多個(gè)產(chǎn)品，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)下載的產(chǎn)品文件進(jìn)行加工處理。

1.預(yù)處理：預(yù)處理的主要作用是去除24 小時(shí)內(nèi)重復(fù)的產(chǎn)品，CMPAS-1KM 產(chǎn)品文件命名規(guī)則為Z_SURF_C_BABJ_yyyymmddhh24miss_P_CMPA_RT_BEHT_0P01_HORPRE-yyyymmddhh24.GRB2,為了保障數(shù)據(jù)的及時(shí)性，CMP AS 產(chǎn)品在同一時(shí)次會(huì)滾動(dòng)更新從而生成多個(gè)文件，為了保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性則需要剔除一些重復(fù)的產(chǎn)品。剔除方法是定義一個(gè)字典，遍歷當(dāng)前時(shí)次所有產(chǎn)品，以資料時(shí)間為鍵值，將產(chǎn)品文件路徑存儲(chǔ)到字典中，然后按照資料生成的時(shí)間比較同一時(shí)次產(chǎn)品，選取最新生成時(shí)間的產(chǎn)品替換字典中的產(chǎn)品，從而獲得最準(zhǔn)確的CMPAS-1KM 產(chǎn)品。

2.完整性檢查：判斷預(yù)處理流程字典大小，字典存儲(chǔ)24 個(gè)文件則資料完整進(jìn)入第三步完成加工統(tǒng)計(jì)生成新的產(chǎn)品，否則進(jìn)行補(bǔ)掉回算。

3.加工統(tǒng)計(jì)：解碼選用的是ecCodes 工具，它是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)文件I/O 程序集，提供了GRIB、GRIB2、BUFR3、BUFR4 和GTS等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件解碼接口。

遍歷24個(gè)時(shí)次的逐小時(shí)CMPAS-1KM產(chǎn)品，利用ecCodes的codes_grib_new_from_file 函數(shù)打開(kāi)文件，codes_get_values 函數(shù)讀取每個(gè)格點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)，codes_get 函數(shù)獲取產(chǎn)品的經(jīng)度和緯度，然后將24 個(gè)時(shí)次的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行累積。為了繪制雨情圖，將統(tǒng)計(jì)后的24 小時(shí)累積降水?dāng)?shù)據(jù)重新生成NC 文件存儲(chǔ)，ecCodes 讀取的降水?dāng)?shù)據(jù)是一維的，需要結(jié)合經(jīng)緯度信息將一維轉(zhuǎn)換為二維存儲(chǔ)，主要代碼如表1 所示[4]。

表1

2.3 雨情圖生成

Cartopy是一個(gè)開(kāi)源免費(fèi)的第三方Python擴(kuò)展包，主要利用Matplotlib 來(lái)畫圖，內(nèi)置了投影接口、底圖接口和填充圖接口。站點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制雨情圖，需要通過(guò)插值算法將分布不均勻的站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到空間分布的格點(diǎn)，而CMPAS-24H 產(chǎn)品是標(biāo)準(zhǔn)的等經(jīng)緯度NC 格點(diǎn)數(shù)據(jù)，不需要插值，可以直接使用Cartoy 繪制雨情圖[5-6]。

1.數(shù)據(jù)解析：NETCDF 文件包含維度、變量和屬性信息，其中維度表示的是真實(shí)的物理維度，如時(shí)間、經(jīng)度、緯度和高度等信息，變量則表示同一類型值的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)則存儲(chǔ)在變量中，大小由維度決定，屬性則是存儲(chǔ)輔助數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)。利用NETCDF 包的Dataset 函數(shù)讀取CMPAS-24H 統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品，獲取內(nèi)蒙區(qū)域的經(jīng)度、緯度和降水網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

2.畫布設(shè)置：設(shè)置色斑圖繪制畫布，圖片大小為400dpi，常用的投影有默認(rèn)投影、墨卡托投影和蘭勃脫投影。默認(rèn)投影適合單獨(dú)省份或者地級(jí)市的繪制，蘭勃脫投影適合中緯度大范圍繪制，比如繪制全國(guó)、東亞形勢(shì)、西北太平洋等；墨卡托投影適合低緯度赤道附近的繪制，一般研究臺(tái)風(fēng)、緯向環(huán)流等為等經(jīng)緯度投影，文中使用默認(rèn)投影。

3.邊界設(shè)置：包括底圖信息和顯示區(qū)域。添加底圖信息，讀取內(nèi)蒙區(qū)域的shap 文件并調(diào)用axe.add_feature 函數(shù)實(shí)現(xiàn)；定義顯示區(qū)域則設(shè)置經(jīng)緯度范圍為[95,128,35,55]并調(diào)用set_extent 函數(shù)。

4.色標(biāo)配置：不同月份降水相態(tài)不同，夏季為雨，冬季為雪，根據(jù)降雨或降雪量級(jí)設(shè)置不同的色標(biāo)。（見(jiàn)表2）

表2

調(diào) 用matplotlib.colors 的ListedColormap 函 數(shù)生成顏色數(shù)組，然后調(diào)用BoundaryNorm 函數(shù)將顏色數(shù)組和降水量實(shí)現(xiàn)映射。

5.雨情圖繪制及掩膜配置：繪制雨情圖需要先將經(jīng)度和緯度網(wǎng)格化，然后實(shí)現(xiàn)雨情圖繪制，傳遞的參數(shù)包括經(jīng)度網(wǎng)格、緯度網(wǎng)格、色標(biāo)及投影等信息；繪制的圖形是標(biāo)準(zhǔn)的矩形，為了更突出內(nèi)蒙區(qū)域，讀取中國(guó)shape 文件，將內(nèi)蒙區(qū)域外進(jìn)行白化處理，只繪制內(nèi)蒙區(qū)域的降水色斑圖。

3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

分別基于CMPAS-1KM 產(chǎn)品和觀測(cè)站點(diǎn)繪制了內(nèi)蒙區(qū)域雨情圖，總體分布趨勢(shì)，二者表現(xiàn)是一致的，但是CMPAS-1KM 產(chǎn)品繪制的雨情圖在站點(diǎn)稀疏的區(qū)域更加平滑，且對(duì)降水量較大的區(qū)域表現(xiàn)更為準(zhǔn)確。CMPAS-1KM 產(chǎn)品具有覆蓋全面、分布均勻的優(yōu)勢(shì)，能夠精確地反映雨量的實(shí)況，為內(nèi)蒙區(qū)域的雨量監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，“雨在哪”微信小程序?qū)崿F(xiàn)了內(nèi)蒙區(qū)域滾動(dòng)24 小時(shí)雨情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)家氣象信息中心已經(jīng)將多源數(shù)據(jù)融合實(shí)況分析產(chǎn)品制作算法打包封裝為工具下發(fā)至省級(jí)，計(jì)劃開(kāi)展融合本省特色資料，加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，利用此算法在本地生成內(nèi)蒙區(qū)域的多源降水融合產(chǎn)品，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的生成時(shí)效和質(zhì)量。