徐州市霾天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)

王霄

摘要： 為了滿足徐州市氣象觀測(cè)和預(yù)報(bào)的需求，采用基于MFC單文檔C/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，讓用戶僅使用客戶端程序即可完成所有操作。軟件開(kāi)發(fā)使用Microsoft VC6.0編程工具，并在平臺(tái)上配置了OpenCV用作圖像處理，采用的編程語(yǔ)言為C++。平臺(tái)的各類人機(jī)交互操作、信息查詢、圖形操作等能實(shí)時(shí)響應(yīng)；信息查詢、操作、輸出界面用圖形、文字和數(shù)據(jù)三種方式在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)。開(kāi)發(fā)出集徐州市霾天氣的記錄、監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警等功能為一體的平臺(tái)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，該軟件可以較好地適用于氣象、環(huán)保等相關(guān)部門。對(duì)公眾愈加關(guān)注的霾天氣預(yù)報(bào)提供技術(shù)支持，為徐州市霾的預(yù)測(cè)、防治及其影響評(píng)估提供了充分的科學(xué)依據(jù)。

Abstract： In order to meet the needs of meteorological observation and forecast in Xuzhou， the software design based on MFC single document C/S structure is adopted， so that users can only use the client program to complete all operations. Software development uses Microsoft VC6.0 programming tools， and the platform configures opencv in image processing， the programming language is C++. Various types of human-computer interaction operation， information query， graphics operations of the platform can response at real-time； information query， operation， output interface are shown by graphics， text and data on the computer. The platform takes recording， monitoring and forecast and early warning function fir the haze weather as a whole is developed for Xuzhou. Trough practical test， it can be well applied to the relevant departments of meteorology， environmental protection， etc. And it provides technical support for the haze weather and provide sufficient scientific basis for the forecast， prevention， cure and impact assessment of haze in Xuzhou.

關(guān)鍵詞： 觀測(cè)；預(yù)報(bào)；VC6.0；OpenCVC；霾；預(yù)警

Key words： observation；forecast；VC6.0；OpenCV；haze；early warning

中圖分類號(hào)：X84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）06-0183-05

0 引言

2003年中國(guó)氣象局的《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》（2003）中定義“霾”[1-4]是指大量極細(xì)微的干塵粒，均勻地浮游在空中，使空氣普遍渾濁，水平能見(jiàn)度小于10km的現(xiàn)象，遠(yuǎn)處光亮物微帶黃色，紅色，使黑暗物體微帶藍(lán)色。形成霾的天氣條件一般是氣團(tuán)穩(wěn)定、較干燥，在一天中任何時(shí)候均可出現(xiàn)。霾作為一種能夠?qū)е乱暢陶系K的天氣，其影響不不僅僅是對(duì)能見(jiàn)度的影響，更顯著的影響在于它的污染性。霾天氣出現(xiàn)時(shí)，空氣中細(xì)粒子濃度升高，進(jìn)而造成對(duì)大氣環(huán)境[5]和人體健康[6]造成負(fù)面影響。相對(duì)濕度通過(guò)影響顆粒物的粒徑分布對(duì)能見(jiàn)度造成影響。因此，對(duì)霾天氣的判別有必要從霾天氣的污染物特征[7-10]和氣象特征[11-12]等多個(gè)角度綜合考慮。

自改革開(kāi)放以來(lái)，隨著徐州經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城區(qū)的大氣氣溶膠顆粒物污染[13-15]狀況日益嚴(yán)重，霾的出現(xiàn)日益頻繁，引起了廣大市民的廣泛關(guān)注。因此，對(duì)霾的研究具有重大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

開(kāi)發(fā)集徐州市霾天氣的記錄、監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警等功能為一體的平臺(tái)，可適用于氣象、環(huán)保等相關(guān)部門，對(duì)公眾愈加關(guān)注的霾天氣預(yù)報(bào)提供技術(shù)支持，為徐州市霾的預(yù)測(cè)[16-17]、防治[18]及其影響評(píng)估[19]提供了充分的科學(xué)依據(jù)。

軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用基于MFC單文檔C/S結(jié)構(gòu)[20]，用戶使用客戶端程序能夠完成所有操作。軟件開(kāi)發(fā)采用Microsoft VC6.0[21]，并在平臺(tái)上配置了OpenCV[22-26]用作圖像處理，采用的編程語(yǔ)言為C++[27-29]。平臺(tái)的各類人機(jī)交互操作[30-32]、信息查詢、圖形操作等能實(shí)時(shí)響應(yīng)；信息查詢、操作、輸出界面用圖形、文字和數(shù)據(jù)三種方式在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)。

功能之一為資料采集處理模塊：該模塊針對(duì)每小時(shí)的地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料[33]、污染物濃度逐小時(shí)資料[34]、分時(shí)效數(shù)值預(yù)報(bào)[35-36]等資料實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集處理。其中地面自動(dòng)氣象站資料和污染物濃度均為站點(diǎn)資料，數(shù)值預(yù)報(bào)資料為0.5*0.5分辨率的格點(diǎn)數(shù)據(jù)資料。

功能之二為霾天氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊：該模塊在所采集到的最新自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料和能見(jiàn)度[37]、相對(duì)濕度[38]等氣象要素資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)徐州市區(qū)及各縣范圍內(nèi)霾天氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。可根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、按照對(duì)應(yīng)色標(biāo)分區(qū)顯示當(dāng)前的霾天氣監(jiān)測(cè)實(shí)況，顯示徐州市各區(qū)縣不同的霾天氣等級(jí)（輕微霾、輕度霾、中度霾、重度霾）[39]色斑圖。

功能之三為霾天氣預(yù)報(bào)預(yù)警模塊：該模塊對(duì)于在所采集到的最新自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料、氣象要素資料、數(shù)值預(yù)報(bào)等多種資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析處理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)顯示徐州市區(qū)及各縣范圍內(nèi)霾天氣的分區(qū)預(yù)報(bào)和預(yù)警結(jié)果。可根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、按照對(duì)應(yīng)色標(biāo)分區(qū)顯示未來(lái)的霾天氣預(yù)報(bào)預(yù)警結(jié)果[40-45]。

軟件總體技術(shù)指標(biāo)：

開(kāi)放性：支持多種硬件平臺(tái)，采用通用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，具備良好的可移植性[46]，支持與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和共享，支持與其它商品軟件的數(shù)據(jù)交換。

標(biāo)準(zhǔn)化：所有各項(xiàng)軟件開(kāi)發(fā)工具和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)符合我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、信息產(chǎn)業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家氣象局相關(guān)技術(shù)規(guī)范和要求。

參數(shù)化：實(shí)現(xiàn)完全模塊化設(shè)計(jì)，支持參數(shù)化配置，支持組件及組件的動(dòng)態(tài)加載。

容錯(cuò)性：提供有效的故障診斷工具，具備數(shù)據(jù)錯(cuò)誤記錄功能。

安全性：用戶認(rèn)證、授權(quán)和訪問(wèn)控制，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)加密，數(shù)據(jù)交換的信息包加密，數(shù)據(jù)傳輸通道加密，可采用DES加密算法，發(fā)生安全事件時(shí)，能以事件觸發(fā)的方式通知系統(tǒng)管理員處理。

可靠性：能夠連續(xù)7×24小時(shí)不間斷工作，平均無(wú)故障時(shí)間>8760小時(shí)，出現(xiàn)故障能及時(shí)報(bào)警，軟件系統(tǒng)具備自動(dòng)或手動(dòng)恢復(fù)措施，自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間<15分鐘，手工恢復(fù)時(shí)間<12小時(shí)，便于在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)能夠快速地恢復(fù)正常運(yùn)行。

兼容性：軟件版本易于升級(jí)，能適應(yīng)氣象部門和防汛抗旱指揮系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，任何一個(gè)模塊的維護(hù)和更新以及新模塊的追加都不影響其它模塊，且在升級(jí)的過(guò)程中不影響系統(tǒng)的性能與運(yùn)行。

易用性：具有良好的簡(jiǎn)體中文操作界面、詳細(xì)的幫助信息，系統(tǒng)參數(shù)的維護(hù)與管理通過(guò)操作界面完成。

軟件的總體性能：

①軟件系統(tǒng)的各類人機(jī)交互操作、信息查詢、圖形操作等能實(shí)時(shí)響應(yīng)；信息查詢、操作、輸出界面用圖形、文字和數(shù)據(jù)三種方式在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)；系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單易用。

②通過(guò)客戶端軟件來(lái)訪問(wèn)軟件服務(wù)，對(duì)于霾監(jiān)測(cè)、霾預(yù)警響應(yīng)的相關(guān)處理，都能在軟件上進(jìn)行可視化處理查詢。

③速度要求：軟件響應(yīng)速度：<5秒；資料采集計(jì)算響應(yīng)速度：<5秒；計(jì)算結(jié)果圖形呈現(xiàn)響應(yīng)速度：<5秒。

1 資料和相關(guān)工作介紹

1.1 資料

該軟件平臺(tái)需要訪問(wèn)國(guó)家氣象局的觀測(cè)資料和Micaps預(yù)報(bào)資料[47]，因此首先需要先映射網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器，打通數(shù)據(jù)路徑，具體的配置過(guò)程如圖1所示。

1.2 相關(guān)工作介紹

1.2.1 霾的量級(jí)及判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)能見(jiàn)度的不同，將霾分為四個(gè)量級(jí)，由輕到重分別為輕微霾、輕度霾、中度霾和重度霾，具體分類情況如圖2和表1所示。

1.2.2 霾預(yù)警信號(hào)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2.1 霾黃色預(yù)警信號(hào)

標(biāo)準(zhǔn)：預(yù)計(jì)未來(lái)24小時(shí)內(nèi)可能出現(xiàn)下列條件之一并將持續(xù)或?qū)崨r已達(dá)到下列條件之一并可能持續(xù)：

①能見(jiàn)度小于2000m且相對(duì)濕度小于80%的霾。

②能見(jiàn)度小于2000m且相對(duì)濕度大于等于80%，PM2.5濃度大于150微克/立方米且小于等于250微克/立方米。

③能見(jiàn)度小于5000m，PM2.5濃度大于250微克/立方米且小于等于500微克/立方米。

預(yù)報(bào)用語(yǔ)：預(yù)計(jì)未來(lái)24小時(shí)內(nèi)將出現(xiàn)中度霾，易形成中度空氣污染。

防御指南：

①空氣質(zhì)量明顯降低，人員需適當(dāng)防護(hù)；

②一般人群適量減少戶外活動(dòng)，兒童、老人及易感人群應(yīng)減少外出。

1.2.2.2 霾橙色預(yù)警信號(hào)

標(biāo)準(zhǔn)：預(yù)計(jì)未來(lái)24小時(shí)內(nèi)可能出現(xiàn)下列條件之一并將持續(xù)或?qū)崨r已達(dá)到下列條件之一并可能持續(xù)：

①能見(jiàn)度小于1000m且相對(duì)濕度小于80%的霾。

②能見(jiàn)度小于1000m且相對(duì)濕度大于等于80%，PM2.5濃度大于250微克/立方米且小于等于500微克/立方米。

③能見(jiàn)度小于5000m，PM2.5濃度大于500微克/立方米。

預(yù)報(bào)用語(yǔ)：預(yù)計(jì)未來(lái)24小時(shí)內(nèi)將出現(xiàn)重度霾，易形成重度空氣污染。

防御指南：

①空氣質(zhì)量差，人員需適當(dāng)防護(hù)；

②一般人群減少戶外活動(dòng)，兒童、老人及易感人群應(yīng)盡量避免外出。

2 軟件平臺(tái)功能詳述

2.1 運(yùn)行環(huán)境

2.1.1 硬件配置

軟件平臺(tái)得以正常運(yùn)行的的硬件最低配置應(yīng)當(dāng)滿足：

CPU：P4或以上；

內(nèi)存：2G或以上；

硬盤：100G以上可用空間；

顯示器：1024*768或以上。

2.1.2 軟件支持

操作系統(tǒng)Windows XP或以上版本支持；

Microsoft Office 2003或以上版本支持；

Microsoft Visual C++ 6.0；

此外，因?yàn)橐M(jìn)行圖像處理操作，故需要在VC6.0中配置OpenCV。

2.2 配置軟件的啟動(dòng)界面

軟件的啟動(dòng)界面如圖3所示，在菜單欄上可以看到四個(gè)設(shè)計(jì)模塊：霾記錄、霾監(jiān)測(cè)、霾預(yù)報(bào)和霾預(yù)警，每個(gè)菜單下又可細(xì)分為徐州（58027）、豐縣（58012）、沛縣（58013）、睢寧（58130）、邳州（58026）、新沂（58035）六個(gè)子菜單，用戶則可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇點(diǎn)擊不同菜單以獲取有用的氣象信息。

2.3 軟件模塊功能介紹

2.3.1 霾記錄模塊

該模塊的功能主要是根據(jù)用戶選擇的站點(diǎn)，來(lái)訪問(wèn)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的自動(dòng)站觀測(cè)資料長(zhǎng)Z文件，讀取人工觀測(cè)霾的情況，判斷實(shí)時(shí)霾的情況是有霾、無(wú)霾，可以更細(xì)致地區(qū)分為白天霾和夜間霾。讀取的報(bào)文MW行表示霾的觀測(cè)記錄情況，如果該行內(nèi)容是“MW //，.”，表示無(wú)霾；如果該行出現(xiàn)05，且05在（ ）內(nèi)，表示夜間有霾；反之，如果05在（ ）外，表示白天有霾。長(zhǎng)Z文件的內(nèi)容如圖4所示。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。用戶選擇了徐州站，只用點(diǎn)擊刷新按鈕，即可讓軟件自動(dòng)去讀取報(bào)文，并將反饋信息以對(duì)話框的形式告知。

2.3.2 霾監(jiān)測(cè)模塊

該模塊的功能主要是根據(jù)用戶選擇的站點(diǎn)，來(lái)訪問(wèn)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的自動(dòng)站觀測(cè)資料長(zhǎng)Z文件，讀取報(bào)文中TH行的相對(duì)濕度和VV行的能見(jiàn)度，根據(jù)表2所示的限制性條件判斷實(shí)時(shí)霾的情況是無(wú)霾、輕微霾、輕度霾、中度霾還是重度霾。

程序在用戶選擇點(diǎn)擊刷新按鈕后，根據(jù)對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)選擇讀取對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的當(dāng)前最近時(shí)次的報(bào)文，自動(dòng)分析判斷出霾的量級(jí)，并按照固定的色標(biāo)繪制出各行政區(qū)域的色版圖，以對(duì)話框地形式將圖和當(dāng)前報(bào)文反饋給用戶。需要強(qiáng)調(diào)的是，選擇徐州子菜單顯示的是徐州全境的6個(gè)區(qū)縣的拼圖，而選擇豐縣、沛縣、睢寧、邳州、新沂則顯示的是當(dāng)前單個(gè)區(qū)或者縣的情況，對(duì)應(yīng)的色版圖和報(bào)文情況如圖5所示。

2.3.3 霾預(yù)報(bào)模塊

該模塊主要分為色斑圖顯示和預(yù)報(bào)產(chǎn)兩大顯示區(qū)域，根據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)次選擇讀取對(duì)應(yīng)micaps預(yù)報(bào)資料中的報(bào)文，自動(dòng)分析判斷出未來(lái)霾的量級(jí)，并按照固定的色標(biāo)繪制出各行政區(qū)域的色版圖，在色斑圖顯示區(qū)域內(nèi)將該時(shí)段的霾預(yù)報(bào)情況顯示出來(lái)，反饋給用戶。對(duì)應(yīng)的色斑圖和預(yù)報(bào)產(chǎn)品如圖6所示。

2.3.4 霾預(yù)警模塊

該模塊主要分為當(dāng)前狀態(tài)獲取和霾預(yù)警發(fā)布兩大顯示區(qū)域。在當(dāng)前狀態(tài)中點(diǎn)擊獲取當(dāng)前狀態(tài)，軟件即可根據(jù)當(dāng)前的時(shí)間去自動(dòng)選擇讀取對(duì)應(yīng)的自動(dòng)站觀測(cè)資料，按照規(guī)定的霾量級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)分析判斷出未來(lái)霾的量級(jí)，并獲取與當(dāng)前霾量級(jí)所對(duì)應(yīng)的色標(biāo)，并給出指導(dǎo)意見(jiàn)。在霾預(yù)警發(fā)布顯示區(qū)域，根據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)次選擇讀取對(duì)應(yīng)micaps預(yù)報(bào)資料中的報(bào)文，自動(dòng)分析判斷出未來(lái)霾的預(yù)警情況，并按照霾預(yù)警發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)獲得對(duì)應(yīng)的霾預(yù)警信號(hào)，并給出指導(dǎo)意見(jiàn)反饋。具體的功能實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

3 小結(jié)

本軟件需要維護(hù)的首先是保證軟件配置文件的完整性、準(zhǔn)確性，并保證軟件產(chǎn)品目錄的完整性，配置文件中路徑設(shè)置要正確，再就是軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)中要有VC6.0運(yùn)行環(huán)境支持。這些是軟件正常運(yùn)行、正確讀取氣象資料最根本保障。從項(xiàng)目實(shí)用的角度依托于VC6.0編寫(xiě)的應(yīng)用程序平臺(tái)對(duì)氣象常規(guī)資料進(jìn)行規(guī)整同化，最終實(shí)現(xiàn)了徐州本地的霾記錄、霾監(jiān)測(cè)、霾預(yù)報(bào)和霾預(yù)警，為日常的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作提供更為及時(shí)的資料參考。通過(guò)反復(fù)地調(diào)試檢驗(yàn)，產(chǎn)品的時(shí)效性、精細(xì)化、實(shí)用性得到了大部分預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)人員的肯定。另外在試用中也發(fā)現(xiàn)了以下不足有待完善。①由于常規(guī)氣象資料的長(zhǎng)期存在的不同步問(wèn)題，造成本平臺(tái)產(chǎn)品間的疊層比較總有一定的時(shí)間差，不能充分發(fā)揮平臺(tái)產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。②由于Micaps中第四類資料采用的網(wǎng)格算法精度為0.5*0.5km，細(xì)化到徐州市來(lái)說(shuō)過(guò)于寬泛，這也導(dǎo)致了預(yù)報(bào)產(chǎn)品在圖像處理上存在一定的困難。③由于當(dāng)前徐州市觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量上有限，也造成了軟件在處理繪制色斑圖時(shí)比較粗糙，這需要?dú)庀蟛块T增加自動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)和提高觀測(cè)質(zhì)量。

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