華東區域自動站數據實時融合顯示與多級警示技術研究

華韻子　林紅

摘 要：為提高華東區域自動氣象站快速共享及顯示查詢效率，重點研究數據庫引擎優化技術、自動站插值與GIS信息疊加技術及實況信息警示技術。在探討適用于自動站數據顯示方法的基礎上，設計并開發了華東區域自動氣象站顯示查詢系統。平臺基于B/S架構設計多層框架模型，結合.NET技術和Oracle數據庫技術，實現對華東區域六省一市1200多個自動站的融合顯示查詢及多級自動報警等功能。系統多年來業務運行穩定，為區域短時臨近天氣預報業務及災害天氣早發現提供重要分析基礎。

關鍵詞：Oracle；自動氣象站；自動警示

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

Abstract：In order to improve the efficiency of fast sharing and inquiry in automatic weather stations in east China，this paper focuses on database engine optimization technology，interpolation and GIS information overlapping technology and warning information technology.After exploring suitable data displaying methods for automatic weather stations，the paper designs and develops a data inquery system for automatic weather stations in east China.The platform designs a multi-layered frame model based on B/S architecture and combines.NET and Oracle database technology.This system realizes the real time aggregated inquiry and the multi-level automatic alarming function for more than 1200 automatic weather stations in east China.The system has been smoothly working for several years，which provides the significant analytical basis for the latest weather forecast and the disaster weather prediction.

Keywords：oracle；AWS；automatic warning

1 引言（Introduction）

近年來華東區域氣象現代化快速發展，自動氣象站數據已成為短時臨近預報的重要分析基礎。目前，華東區域六省一市內共享的地面自動氣象站共計1200余個，其中國家級自動氣象站約70個，區域自動氣象站約1080個。然而，現有的自動站查詢系統僅支持本省市內的資料，如何將區域共享的自動站信息快速呈現給預報員是迫切需要解決的問題。

為解決這個問題，在研究適用于自動站數據顯示方法的基礎上，設計并開發了華東區域自動站顯示查詢系統。該系統是長三角短時臨近一體化預報平臺的子系統，可實現共享資料快速處理入庫，高分辨率信息的融合顯示，區域自動站產品的多級自動報警等功能。

2 系統架構及關鍵技術（System framework and key technology）

2.1 系統架構設計

根據對華東區域氣象自動站顯示查詢系統需求調研，系統采用B/S架構設計，主要由三部分組成。底層為數據采集及數據庫優化模塊和華東區域氣象自動站實時數據庫；中間層為應用服務端，實現自動站插值、自動站融合顯示及自動警示等業務功能。最上層為瀏覽器端，實現數據顯示分析等用戶交互功能。整個系統如圖1所示基于多層體系架構，硬件方面主要包括Oracle數據服務器、WEB應用服務器等。

2.2 關鍵技術

（1）數據庫引擎優化技術

由于氣象自動站數據更新速度快、數據量大、實時性要求高的特點，需要對數據庫分區及索引技術進行研發，以提高自動站數據在系統中的獲取效率。數據庫選用Oracle 11g，實現了數據庫引擎的優化及應用的大量壓縮技術，使得讀寫數據的速度得到了大幅度提高，同時也降低了存儲成本。同時對自動站數據庫結構進行了調整和優化，將Oracle中的新技術間隔分區應用到華東區域自動站數據庫的建設中，大幅度提高了數據庫的建設和維護的效率，分區表的設計有效地提高了查詢效率。經過優化后的自動站實時數據庫可實現華東區域平均每10分鐘1200多個自動站的實時解析及ORACLE歷史數據的存儲，從觀測到系統中顯示查詢的時間差縮短到10分鐘左右，其中上海市的自動站只需要3—5分鐘。

如圖2所示，數據采集及優化模塊分為批量解碼與存儲過程兩個部分。其中批量解碼分為資料預處理、編碼解析、規范器三個部分。存儲過程分為編譯器、查詢優化器、SQL管理器、表達式服務四個部分。當各個省的資料匯總后，首先對資料進行預處理，通過編碼解析和規范器進行批量解碼，再通過存儲過程實現數據矩陣的編譯和查詢優化，最終利用SQL管理器和表達式服務存儲到數據庫中。

在自動站數據庫的分區技術方面，將自動站要素表和分鐘雨量表分離在若干個不同的表空間上，以支持無限增長的表空間。使用該技術可以改善海量數據的維護、備份、查詢的性能[1，2]。分區表的建立是以觀測時間這個數據列作為分區鍵，并以月為單位進行分區表的建設。利用間隔分區技術對范圍分區進行擴展，實現了自動化的等距范圍分區。將分區創建為元數據，只有分區開始部分是不變的，附加的段是當數據抵達時才分配的，附加分區和本地索引則自動創建，其創建代碼如下：

CREATE TABLE ZDZ_MINRAIN

（STATION CHAR（5） NOT NULL，

SDATE DATE NOT NULL，

MIN_RAIN NUMBER（8，1）

）

PARTITION BY RANGE （SDATE）

INTERVAL （NUMTOYMINTERVAL（1，'month'）

（PARTITION p_first VALUES LESS THAN （'01-JAN-2014'）；

其中NUMTOYMINTERVAL函數轉換一個數字為間隔一年至一個月的文字（年或月）。間隔分區的引入，大幅度提高了數據庫的建設和維護的效率[3]。通過在oracle數據庫服務中編寫插入記錄的存儲過程，使得入庫效率較傳統入庫方式提高了20倍，自動站表入庫速度達到每秒1萬條記錄，分鐘雨量表因表中字段較少，入庫速度達到每秒4萬條記錄。

（2）自動站插值與GIS信息疊加技術

自動氣象站實時資料是一種離散點資料，對于預報員來說需要將其轉化成地圖格點數據來方便研究空間上的分布情況，因此需要將站點要素進行插值并疊加精細化地理信息。首先需要利用GIS技術及空間映射技術將精細化的華東區域地圖底圖轉化為氣象專業軟件通用的底圖數據文件，如MICAPS格式或GRADS地圖格式；并且為配合地圖資料的精確配準，底圖原始數據坐標系采用蘭勃特投影，并轉換成直角坐標顯示。底圖范圍選擇中尺度底圖，即兩種網格點精度：1 km×1 km與5 km×5 km網格，而地圖底圖按不同需求可疊加省行政區邊界、地區界、高速公路、水系湖泊、鄉鎮街道、城市道路等信息。將所有預處理數據轉換為統一的網格資料為后續圖形處理、等值線處理、數據疊加等提供標準化的數據同化手段。其次對自動站要素進行插值計算。確定插值的空間分辨率確定后，系統選用了IDW反權重插值法。IDW（Inverse Distance Weighted）是一種常用而簡便的空間插值方法，它以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大[4，5]。設平面上分布一系列離散點，已知其坐標和值為Xi，Yi，Zi（i=1，2，…，n）通過距離加權值求Z點值，其基本公式：

通過IDW插值生成格點數據，再按照各個要素不同的色標等級進行繪圖，如圖3所示。對于溫度要素采用2℃間隔進行圖像渲染；而風速雨量等要素則按照中國氣象局相應規定進行間隔化的圖像渲染。

（3）實況信息警示技術

實況信息警示技術可幫助預報員監視災害性天氣信息，有助于高影響天氣的早期發現，避免突發災害天氣的遺漏。該技術利用數據識別技術解析預警數據，主要通過針對多種非圖像數據存儲方式進行數據查詢解析得到預警信息。系統根據設置的閾值，采用SQL語言具有針對性的方法挖掘數據中的有價值信息，并根據信息的關聯規則提取出強天氣預警信息。SQL（Structured Query Language）是高級的非過程化編程語言[6]，允許用戶在高層數據結構上工作，具有極大的靈活性和強大的功能[7]，方便系統從多種數據源中提取相互關聯的、有用的預警信息。

根據中國氣象局規定的預警信號發布規則及預報員多年的預報經驗總結，研制完成了自動站資料的預警初值。同時系統還提供專門的預警初值配置文件，可在后臺通過配置程序進行配置，并提供預警初值的查看和修改功能，根據不同季節以及天氣背景條件，可以方便的修改災害天氣的預警閾值。

報警方式設計方面，實時警示技術研究了新穎實用的圖眉報警方式，實現自動站信息的多級自動報警技術，并與中國氣象局發布的四色預警色碼進行匹配，有利于預警信號的發布。

3 系統實現（System implementation）

3.1 開發環境

系統是基于.NET應用框架構建的，其用戶界面及操作均遵循Microsoft Windows中文版及Microsoft .NET Framework v4.0的要求與規范[8]。采用B/S架構，能充分發揮B/S架構跨平臺、無需安裝程序、維護方便等優點[9]。前臺系統編程基于Microsoft Visual Studio集成開發環境，使用Microsoft Visual C#語言；后臺系統根據不同需求使用JAVA及Microsoft Visual C#語言。

3.2 功能模塊

根據系統架構設計，華東區域氣象自動站顯示查詢應用服務主要包括：自動站插值、融合顯示模塊、自動警示模塊三大模塊。

（1）自動站插值模塊

利用自動站插值技術，針對自動站溫度、雨量、氣壓和風向風速四要素，每10分鐘進行一次將離散點的資料轉換為網格資料處理，網格點插值精度為1 km×1 km、5 km×5 km兩種。這種網格資料與雷達、云圖等資料的網格點相同，可直接疊加使用。對于處理為網格點后的資料，使用NCEP/NCAR繪圖軟件包和GrADS繪圖軟件，將這些網格資料處理為等值線圖供預報分析使用[10]。

（2）融合顯示模塊

融合顯示模塊主要研究自動站信息的綜合顯示技術，實現信息的快速顯示分析。顯示查詢方式是否多樣化、是否具備實用性、易用性，對于方便用戶使用和豐富系統的表現力具有很大的影響力。綜合顯示查詢模塊是基于ASP.NET開發的B/S架構查詢模塊，它提供多種可視化數據查詢統計功能。本系統中最終采用了以下三種查詢顯示方式。

（a）按單要素等值線圖

為了方便預報員綜合瀏覽實時自動站資料，系統使用長三角一體化平臺的縮微技術以電視墻的方式融合顯示自動站單要素等值線信息，如圖4所示。首先將后臺插值子模塊生成等值線產品轉換為統一的圖形文件，然后縮小為合適的圖像尺寸，排列顯示在主頁面上，可以讓預報員一目了然的綜觀所有資料。并提供小圖放大、動畫等功能。

（b）按要素統計排序表

系統提供按照自動站雨量、最低溫度、最高溫度、風向風速、等要素分類排序的功能。預報員可查詢區域內任意時間段內任意氣象要素的排序情況。排序分為整個區域自動站要素極值前10位排序、各個省內自動站要素值的正序（或者逆序）排序。

（c）按單站查詢統計表

單站查詢統計功能提供針對某一個自動站單站在任意時間段內所有要素的時間序列列表信息。并統計其最高溫度、最低溫度、最大陣風風速、最小相對濕度、累計雨量。

（3）自動警示模塊

預警顯示采用了對應縮微圖的圖眉顯示方式，即將探測資料以圖形方式顯示，然后將圖按比例進行縮微成為小圖，在小圖的上端設計預警顯示區，對應該圖預先設置的閾值進行不同顏色的預警顯示，如圖4所示。每幅小圖圖像的眉首設計為一條報警色條，點擊小圖可如圖5所示直接彈出預警的詳細信息。這種顯示方式可以從大量信息數據中及時、準確地為預報人員提取出優先需要關注的重要信息。

4 結論（Conclusion）

通過對數據庫引擎優化技術、自動站插值技術及實況信息警示技術的研究，在探討適用于自動站數據顯示方法的基礎上，設計并開發了華東區域自動氣象站顯示查詢系統。該系統具有以下優勢：（1）入庫模塊使用數據庫分區及索引技術，大大提高了自動站數據處理及存儲效率；（2）研發多種自動站數據融合顯示查詢方式，更加貼合預報人員的使用習慣；（3）自動警示模塊可從大量實時數據中提取優先需要關注的信息，有助于災害天氣的早期發現；（4）系統基于B/S架構實現，后臺數據處理及維護均在服務器端完成，具有操作方便、可視化效果顯著、高度集約化的特點。

參考文獻（References）

[1] Dong M，et al.Composite Differential Evolution with Modified Oracle Penalty Method for Constrained Optimization Problems[J].Mathematical Problems in Engineering，2014：1-15.

[2] Devolder O，Glineur F，Nesterov Y.First-order methods of smooth convex optimization with inexact oracle[J].Mathematical Programming，2013，146（1-2）：37-75.

[3] Agarwal A，et al.Information-Theoretic Lower Bounds on the Oracle Complexity of Stochastic Convex Optimization[J].IEEE Transactions on Information Theory，2010，58（5）：3235-3249.

[4] 王興，等.臺站溫度質量控制中IDW算法改進及應用[J].氣象科技，2014，42（4）：605-611.

[5] 陸忠艷，等.基于GIS的氣溫和降水推算方法研究[J].氣象科技，2008，36（4）：389-395.

[6] 李洪進.LINQ to SQL技術在Web開發中的應用[J].計算機與信息技術，2012（01）：20-22.

[7] 袁佰順，等.基于ORACLE的隴東南區域自動氣象站數據庫設計及應用[J].干旱氣象，2014，32（3）：475-480.

[8] 特羅爾森，著.朱曄，等，譯.C#與.NET4高級程序設計（第5版）[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[9] 閻麗鳳，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.

[10] 劉瑾，等.利用區域自動站資料分析核桃花期凍害氣象條件及成因[J].氣象科技，2014，42（6）：1100-1105.

作者簡介：

華韻子（1981-），女，碩士，工程師.研究領域：氣象行業軟件研發.

林 紅（1966-），女，碩士，高級工程師.研究領域：氣象行業軟件研發.