GPS-MET數(shù)據(jù)整合研究及實現(xiàn)

李濤 劉俊宏 李亞玲

摘? 要： GPS-MET探測精度較高，并且能進行全天候觀測，所以歷來受到氣象部門的高度重視。文章針對四川省氣象局現(xiàn)有GPS-MET站點和地震局共享的站點，根據(jù)四川的實際情況和數(shù)據(jù)處理流程，研究地震局站點數(shù)據(jù)和氣象部門站點數(shù)據(jù)在現(xiàn)有的氣象通信系統(tǒng)上統(tǒng)一數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)融合的方法，并提供上行傳輸和共享服務(wù)，為數(shù)據(jù)解碼應(yīng)用和數(shù)值天氣預(yù)報研究提供可靠數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞： GPS-MET; 氣象通信系統(tǒng); 數(shù)據(jù)整合; 共享服務(wù)

中圖分類號：P413? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2018）12-01-02

Abstract： GPS-MET detection is highly accurate and can be observed in all-weather， so it has always been highly valued by the meteorological department. This paper focuses on the existing GPS-MET stations of Sichuan Meteorological Bureau and the stations shared by the Seismological Bureau. Based on the actual situation of Sichuan and the data processing， this paper studies the method of unified data integration and data fusion on the meteorological communication system， and provides uplink transmission and sharing services， which provides reliable data support for the data decoding application and numerical weather prediction research.

Key words： GPS-MET; meteorological communication system; data integration; shared services

0 引言

水汽在大氣能量循環(huán)和天氣系統(tǒng)演變中起著很重要的作用，它也是災(zāi)害性天氣形成和發(fā)展的重要因素。雖然目前水汽探測手段有很多，但總是存在諸多限制。伴隨著GPS技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，研究人員也愈來愈關(guān)注GPS水汽數(shù)據(jù)在大氣研究和天氣預(yù)報中的應(yīng)用。研究表明：GPS探測與其他探測手段相比，具有高時效性、時間分辨率高、易于維護和更新、費用較低、全天候觀測、受大氣中氣溶膠粒子影響較小等優(yōu)點。因此GPS探測技術(shù)[1-3]的這些優(yōu)點使其能對大氣進行有效監(jiān)測，并且豐富了現(xiàn)有的大氣探測手段，對完善氣象預(yù)測系統(tǒng)以及加強短臨天氣預(yù)報系統(tǒng)的建設(shè)有積極意義，而且對重大天氣預(yù)報預(yù)警和氣候預(yù)測具有促進作用。

目前氣象部門的GPS站點建設(shè)很有限，但是地震部門和測繪部門也有站點建設(shè)，考慮到部門間的數(shù)據(jù)共享，就可以把這些GPS數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的整合和融合，然后在部門間進行數(shù)據(jù)共享。本文針對于地震部門和氣象部門的GPS-MET數(shù)據(jù)，把兩者在氣象通信系統(tǒng)上進行集中整合處理，形成規(guī)范的數(shù)據(jù)文件，提供給后端進行數(shù)據(jù)反演、解碼和共享應(yīng)用，并且為數(shù)值天氣預(yù)報提供數(shù)據(jù)輸入。

1 GPS-MET的原理

GPS衛(wèi)星的核心是一個高質(zhì)量的振蕩發(fā)射器，發(fā)射的L波段無線電波信號，根據(jù)發(fā)射頻率不同有兩種：L1（1.575 42 GHz）和L2（1.227 6 GHz）。無線電波在穿過大氣層時受到電離層電子作用以及對流層大氣對電波的折射作用，引起電波速度減弱或者傳播路徑發(fā)生改變，從而造成電波信號的延遲。受到電離層影響的部分稱為電離層延遲，受到對流層大氣影響的部分稱為對流層延遲。對流層延遲的主要原因是：大氣中自由干燥氣體對電波的折射，且大氣中的水汽也可以引起電波傳播的延遲。因此，利用GPS處理軟件可以估計對流層延遲，然后通過對這種延遲的監(jiān)測來反演大氣折射率情況，然后來實現(xiàn)遙感大氣中可降水量。

2 GPS-MET數(shù)據(jù)應(yīng)用和整合

2.1 GPS數(shù)據(jù)的應(yīng)用

數(shù)值天氣預(yù)報（Numerical Weather Prediction）越來越占有很大的分量，但是它在制作過程中必須用三維溫、壓、濕和風(fēng)數(shù)據(jù)作為初始值，然后進行演算。目前，提供這些初始化數(shù)據(jù)探測網(wǎng)絡(luò)的時空密度限制了預(yù)報模式的精度。目前探空資料一天兩到三個時次，時空的密集程度遠不能滿足數(shù)值天氣預(yù)報的要求。氣象衛(wèi)星的資料雖可以進行反演，但有限的分辨率使得它們難以對預(yù)報模式有較大的影響。借助于GPS-MET站點探測距離較遠的優(yōu)勢，并可進行全天候的連續(xù)探測，加上觀測值的高精度和高垂直分辨率[4-5]，使得數(shù)值天氣預(yù)報的精度提高變?yōu)榭赡堋?/p>

2.2 GPS數(shù)據(jù)的整合

由于氣象部門GPS站點較少，提供的數(shù)據(jù)很有限。考慮到綜合效益和數(shù)據(jù)共享，把地震部門共享的GPS數(shù)據(jù)也納入整合。首先，在共享服務(wù)器獲取地震局?jǐn)?shù)據(jù)，然后把該數(shù)據(jù)和氣象局自建站數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)上進行統(tǒng)一整合處理，整合總體流程見圖1。

在設(shè)計中為了內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全，選擇DMZ區(qū)的共享服務(wù)器作為外網(wǎng)接入中間過渡，在相關(guān)網(wǎng)絡(luò)防火墻上進行訪問控制的設(shè)定，充分隔離外網(wǎng)，保證內(nèi)網(wǎng)接入的安全。氣象部門站點網(wǎng)絡(luò)直接接入氣象通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)匯總后進行統(tǒng)一的文件規(guī)整處理。o文件即為觀測文件;m文件是數(shù)據(jù)文件（該文件需要和自動站數(shù)據(jù)文件進行匹配）;n文件為導(dǎo)航文件[6]。導(dǎo)航文件和觀測文件為站臺自動上傳，數(shù)據(jù)文件則需要根據(jù)該站點的溫度數(shù)據(jù)、氣壓數(shù)據(jù)和相對濕度數(shù)據(jù)進行生成，該文件生成有兩種方法：①通過解碼氣象站的Z文件，獲取溫度、氣壓和相對濕度數(shù)據(jù)，然后生成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)文件;②通過讀取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件。本文使用第一種方法生成m文件，數(shù)據(jù)文件名命名格式是ccccdddl.yrm（注：cccc代表站臺代碼;ddd代表一年中的日數(shù);l代表一天的小時，由A～X表示;yr表示年份后兩位）。生成m文件算法結(jié)構(gòu)見圖2。

在整合目錄中對文件處理流程為：①判斷同一個站前一個時次的GPS上傳文件是否為空，如果某一個文件為空，則該文件不予整合，對不為空的文件進行整合。②判斷包中o文件、n文件和m文件是否齊全，齊全的包直接進入發(fā)送目錄并進行原始文件留底，三個文件不全的包則會等待缺失文件再進行追加打包，再走發(fā)送流程。整合流程見圖3。

2.3 整合數(shù)據(jù)的監(jiān)控

通過對程序的充分測試和GPS數(shù)據(jù)進行比較，整合數(shù)據(jù)符合中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)規(guī)范要求，經(jīng)過后端系統(tǒng)一致性檢查和反演計算，數(shù)據(jù)完整性達到應(yīng)用要求，整個數(shù)據(jù)整合試驗結(jié)果表明整合方案切實可行。GPS-MET數(shù)據(jù)整合監(jiān)控顯示如圖4所示。

3 結(jié)束語

GPS技術(shù)在氣象學(xué)領(lǐng)域的研究目前還處于初步發(fā)展階段，隨著GPS技術(shù)發(fā)展和其他氣象探測資料的綜合利用，將會更有效地提高GPS數(shù)據(jù)的精確度。本文通過把氣象部門和地震部門的GPS資料進行整合和統(tǒng)一處理，提高數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用的能力，研究成果已經(jīng)在四川省氣象局投入業(yè)務(wù)運行，為四川GPS數(shù)據(jù)反演解算及數(shù)值天氣預(yù)報研究提供較強的數(shù)據(jù)支持。

在高并發(fā)處理數(shù)據(jù)方面，本文方法還有需改進的方面。一是處理程序的并發(fā)流程有待優(yōu)化;二是高并發(fā)中的數(shù)據(jù)精確度需要進一步提高。

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