安徽省智能網格預報編輯系統的實現與應用

朱佳寧，邱學興，安晶晶，姚 晨，趙青松

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安徽省智能網格預報編輯系統的實現與應用

朱佳寧，邱學興，安晶晶，姚 晨，趙青松

（安徽省氣象臺，安徽 合肥 230031）

準確、及時、高效的天氣預報信息是地方政府部門指揮工農業生產、防汛抗旱和防災減災等工作的重要科學依據。為了提高中短期預報時間和空間的精度，更好地為政府部門和公眾服務，研發了基于瀏覽器/服務器（B/S）框架的安徽省智能網格編輯系統。該系統實現了安徽省0-10天（逐3小時）時效內2.5 KM分辨率氣象要素格點預報，0-72小時（逐3小時）災害性落區預報，實現“全省共織一張網”。目前，安徽省智能網格預報編輯系統已成為安徽省氣象臺預報業務的主要支撐平臺，該系統已業務應用一年，在中短期預報工作中發揮了重要的支撐作用。

智能網格預報；格點編輯；消息中間件；WebGIS

0 引言

天氣預報的主要內容是一個地區或城市未來一段時期內的天氣現象、最高最低氣溫、風向風力及特殊的災害性天氣。但是，傳統的城鎮天氣預報內容只包括2400多個城鎮的天氣現象、高低溫和風向風力預報，頻次也只是一天三次，預報的時間精度和空間精度不夠高。因此，如何提高天氣預報時間和空間的精度，提供更加精確的天氣預報產品是氣象預報服務中亟待解決的問題。依托安徽省氣象局資源池，基于CIMISS數據標準體系，建設安徽省智能網格預報編輯系統[1-4]。該系統具有定量化預報、智能化訂正、省市互動、集約開放等特點，實現安徽省天氣預報（0-10天）時效內氣象要素格點預報制作“全省一張網”編輯，實現各類預報指標、本地客觀預報方法的動態調整功能，實現單要素時空分布協調、多要素間相互協調的要素編輯訂正功能。

1 系統功能

實現安徽省0-10天（逐3小時）時效內2.5KM分辨率氣象要素格點站點預報，0-72小時，逐3小時災害性落區預報，實現“全省共織一張網”。

（1）基本功能

基本要求：地理信息、全省用戶統一存儲管理、分級用戶管理、業務流程管理、登錄管理、用戶瀏覽、幫助文檔、自動升級功能等；

任務列表：任務管理、任務操作、時間定制等；

共性功能：常用MICAPS（氣象信息綜合處理系統）格式產品顯示、監視模式與歷史數據查詢模式、圖層管理功能；預報服務監控：記錄預報員的操作、服務記錄、業務監控、系統記錄查看等。

（2）省級功能

智能預報制作：支持高分辨率、多要素格點訂正、不同用戶（或崗位）登錄后可訂正的要素與時次不同（后臺可配置）、格點訂正引擎、累加要素自動分配功能、連續要素自動插值功能、錯誤檢查提示、協同訂正、災害性天氣落區格點化預報制作、預報產品存儲；

站點預報制作：訂正底稿自動生成、表格式訂正、多種訂正并存；

（3）市級功能

精細化到格點、站點（城鎮/鄉鎮）的0-24小時預報制作。

2 技術路線

2.1 與中國氣象局系統、軟件無縫對接

安徽省智能網格預報系統與中國氣象局現有運行的數據系統包括基于WINDOWS SERVER 的CIMISS全國綜合氣象信息共享系統，業務系統包括基于WINDOWS的格點站點一體化編輯平臺等無縫對接。采用跨平臺程序設計，可以在多種硬件平臺、操作系統、數據庫上運行，無縫對接LINUX和WINDOWS SERVER的系統和這些系統所提供的數據接口、數據庫等。可通過客戶端模式、WEBSERVICE模式等多種模式與系統進行無縫對接，做到系統數據互通互聯。

2.2 消息總線技術

1）消息總線（圖1）是一種通信技術，可在不同機器間互相傳遞消息、文本等。

2）消息總線采用消息生產者與消息消費者的模式，消息生產者指消息的發送方，消息消費者指消息的接收方，例如當數據采集平臺采集完某類數據時，可及時將信息發送至數據計算與分析平臺進行處理。

圖1 消息總線技術圖

3）使用消息總線技術[5]，各平臺、各模塊間將大大降低耦合度，使整個系統可做到插件式開發，并可在不同機器間進行任務協調。

2.3 數據庫平臺的選擇

在氣象領域經常采用到的大型數據庫有Oracle數據庫[6]以及SqlServer數據庫。數據庫的數據處理能力對于整個平臺的穩定性至關重要。考慮到Oracle數據庫的數據處理能力明顯強于后者，并且它可以部署于Linux操作系統上，為保證將來可能的數據平臺遷移需求，設計平臺采用Oracle數據庫系統。

2.4 消息中間件的選擇

消息中間件（message oriented middleware）[7-8]是指支持與保障分布式應用程序之間同步/異步收發消息的中間件。一般地，實時性要求較高的業務采用同步方式處理，實時性要求不高的業務采用異步方式進行處理。消息中間件已廣泛應用于各類分布式應用系統中。

消息中間件的基本工作原理（圖2）為：在消息發送方，消息發送者調用發送消息的API函數，將需要發送的消息經消息隊列服務存儲到發送消息隊列中；通過雙方消息傳遞服務之間的交互，經消息隊列服務將需要發送的消息從發送隊列取出，并送到接收方；接收方再經它的消息隊列服務將接收到的消息存放到它的接收消息隊列中；在消息接收方，消息接收者調用接收消息的API函數，同樣經過消息隊列服務，將需要的消息從接收隊列中取出，并進行處理。消息在發送或接收成功后，消息隊列服務將對相應的消息隊列進行管理。

消息總線技術是現在大數據技術中一個主要技術，它與內存數據庫技術一起能穩定快速的實現各個子系統間的協同工作。并能方便實現掛載在其上的子系統的負載均衡。由于掛載在其上的子系統是松耦合方式，這樣就為子系統的擴展提供了方便性與可維護性。

圖2 消息中間件原理圖

智能網格預報編輯系統的基礎數據環境要采集入庫大量不同類型的氣象數據，并要將它們解析、加工、融合、統計成各種不同的氣象中間產品及服務產品，這就需要開發大量的數據入庫子系統、數據處理子系統，并且隨著業務需求的不斷增加，子系統的數量也會不斷增加。消息總線技術的應用則可以很好的保證子系統的方便掛載。

智能網格預報編輯系統需要省市協同編輯，通過消息總線的實時性，也可及時的反應各個編輯客戶端的編輯結果。

目前流行消息總線中間件有ActiveMQ、Kafka、Rabbitmq等，它們各有優缺點，考慮到中國氣象局正在建設的公眾服務云中采用的是ActiveMQ中間件，為了保證與其的技術路線一致，系統設計也采用該中間件框架。

2.5 WebGIS平臺的選擇

WebGIS[9]支持在PC瀏覽器，又支持移動端Web的GIS引擎。具備簡便、高性能和可用性好的設計框架，在主要桌面應用和移動平臺能高效運作，在現代瀏覽器上利用HTML5、AJAX和CSS3的優勢，同時也支持舊的瀏覽器訪問，支持插件擴展。該框架除了實現常規WebGIS引擎基本功能外，還封裝了在氣象領域使用到的格點場疊加功能。已成功運用于多個氣象數據展現平臺上。

智能網格預報平臺選用了B/S模式的WebGIS技術，免去安裝升級客戶端的繁瑣操作，并且數據產品合成，各氣象要素的協同也在服務器端進行，對本地計算機的性能要求非常小。

3 總體架構

安徽省智能網格預報編輯系統總體架構如圖3所示。

整個系統分為支撐層、數據資源層、應用支撐層、業務應用層和用戶層。

支撐層：平臺建設的基礎。

數據資源層：系統基礎數據環境，包含各種氣象實況數據、格點預報數據、模式數據的采集，處理；格點數據的降尺度，融合等。

應用支撐層：平臺運行需要的各種中間件，算法插件等。

業務應用層：智能網格編輯系統以及各個模塊，主要是格點編輯、數據監控、系統設置等。

用戶層：管理用戶可對系統的權限、配置、流程等進行管理。省級用戶可使用通用功能、省級功能、業務管理功能，市級用戶可以使用通用功能和業務功能。

4 系統結構

基于集約化、現代化、智能化的原則，建成可支撐安徽省市兩級格點/站點一體化的定量化預報、智能化訂正，實現全省格點預報指導與訂正反饋的即時互動和實時共享的智能網格編輯系統（圖4）；并與現有安徽省中短期天氣預報業務有機銜接，形成格點預報業務流程、業務規范。分為數據環境建設、業務操作系統兩個部分。

數據環境建設按照多線程分布式計算、存儲的方式進行設計，實現各類數據的標準化處理存儲、實現不同數據產品的繪圖處理、實現歷史數據的歸一化處理等，確保操作系統的處理響應速度達到秒級。

圖3 總體架構圖

圖4 功能結構圖

業務操作系統界面設計新穎，具有格點預報產品訂正、省市共享協同、集約開放的智能網格預報編輯系統，可以實現全省中短期（0-10天）時效內氣象要素格點預報、災害性天氣落區預報制作“全省一張網”編輯。主要包括格點編輯、數據監控、系統管理等模塊。

5 功能設計

通過采集各類原始數據，將其降尺度成2.5* 2.5 KM的產品。通過格點預報檢驗后動態取優，生成基礎格點預報產品（圖5）傳入智能網格預報編輯系統（圖6），在編輯系統中對格點站點進行編輯、主客觀融合、要素協同、省市協同，生成格點預報產品，再通過預報解析平臺解析生成文字產品。

圖5 格點預報基礎數據資源池建立模型圖

圖6 格點編輯界面展示

實現全省0-12小時（逐1小時）、1-10天（逐3小時）時效內2.5KM分辨率氣象要素格點站點預報，0-72小時，逐3小時災害性落區預報，實現“全省共織一張網”（圖7）。

實現從基礎產品的輸入，到通過智能工具箱、智能規則、人工訂正編輯，再到調用格點預報產品資源，最終生成服務產品的全過程。

6 功能說明

6.1 客觀融合

通過選定一個區域范圍，計算出區域內的最大值（不含無效值）和最小值，修改最大值和最小值，以等比的方式調整區域內的所有格點值，區域內出現無效值時使用新的最小值填充。

圖7 “全省共織一張網”流程圖

公式：原格點場最大值Max1，最小值Min1，格點值 A，改后格點最大值 Max2，最小值Min2，格點值B：

比例值：C=(Max2-Min2)/(Max1-Min1)

B=（A-min1）*C+Min2

(A-min1)/(Max1-Min1)=(B-min2)/(Max2-Min2)

6.2 權重修改

通過選定一個區域范圍，默認標出區域內的一個中心點，用戶可以移動或增加減少這個權重點，設置邊界的值與權重點的值，以反距離加權法算出區域內所有格點值。

6.3 畫筆工具（畫塊區）

選擇畫塊區工具，通過選擇色譜上點值或自定義值，選擇屬性（定值、增值、減值），

在格點場上畫一塊區域，把區域內的格點值按選定的屬性與值重新計算出格點值。

6.4 落區工具

畫出N個的落區線，落區可以從里到外，由大到小的降水等級，計算出落區會影響的所有格點，使用反距離加權法算出格點的值。

6.5 區域權重工具

在畫出的塊區，可以對底板格點跟多個參考資料設定每個模式的權重系數后計算出來的各模式的值累加起來應用到格點。

6.6 站點編輯工具

使用站點編輯工具，只會修改到關鍵點（站點）與對應的最近格點，及0.05公里分辨率下與關鍵點（站點）最近的點，其它格點不會修改。

6.7 圖表編輯工具

選擇某個關鍵點（站點）時序圖，調整這個站點的趨勢。再從站點返回到格點（最近點，及0.05公里的最近點值），實現站點格點同步。同步站點時，以當前編輯的格點值修改到被同步的格點值。

6.8 任意區域趨勢

選擇一個區域，以這個區域的平均值，建立一個時序圖，調整這個曲線，以調整的變化量去修改整個選擇的區域內的每個格點值。

6.9 任意區域移動

選擇一塊區域，通過鼠標拖動到一個新的位置，原來的被移動的位置用無效值填充，新地方使用選擇的區域填充。

6.10 任意時段

選擇一個開始時間、結束時間，計算出這段時間段內的累計降水，并展示在GIS地圖上。

圖8 圖表編輯界面展示

6.11 參考資料之格點應用

把參考資料選中的地區范圍內的格點替換到當前編輯的數據中。

6.12 參考資料之站點應用

把參考資料選中的地區范圍內的站點（關鍵點）替換到當前編輯的數據中，只會修改到關鍵點（站點）與對應的最近格點，及0.05公里分辨率下與關鍵點（站點）最近的點，其它格點不會修改。

6.13 監控管理

1）流程監控：以表格方式展示各地市和省臺格點預報上傳情況監控信息；

2）數據監控：對格點背景場數據進行監控：包括濕度、風、最高氣溫、最低氣溫、氣溫、總云量、天氣現象、能見度。

7 智能網格預報產品應用

安徽省市預報員制作完成智能網格預報產品之后，后臺自動形成安徽省智能網格預報產品數據庫，包括天氣現象，溫度、風向風速、降水量等各類氣象要素。給定安徽省任意地點地理位置信息后，便可自動獲取該地0～10天各類氣象要素預報（圖9），并能以文字圖表等形式（圖10）呈現，能滿足政府部門各種氣象服務需求，這彌補了傳統城鎮天氣預報時間和空間精度上的不足。

8 結論與討論

1）智能網格預報平臺選用了B/S模式的WebGIS技術，免去安裝升級客戶端的繁瑣操作，并且數據產品合成，各氣象要素的協同也在服務器端進行，對本地計算機的性能要求非常小。

2）預報員通過交互工具方便地調整各氣象要素場落區或趨勢，并能快速把各類模式預報場或實況格點場應用到當前預報時段，預報員的主觀訂正意愿能更高效地執行。

3）智能網格預報產品制作完畢后，系統自動形成安徽省智能網格預報數據庫，可輸出任意地點的1～10天多種氣象要素預報，并能以各類文字圖表形式呈現，能滿足政府部門各種氣象服務需求，這彌補了傳統城鎮天氣預報時間和空間精度上的不足。

4）目前，安徽省智能網格編輯系統已經完全代替傳統站點預報編輯系統，所有安徽城鎮預報及其他所有中短期預報產品都由智能網格預報產品導出，該系統已經在安徽省省市級氣象部門穩定運行一年，取得了較好的中短期預報服務支撐效果。

圖9 智能網格預報產品應用1

[1] 賀雅楠, 高嵩, 薛峰, 等. 基于MICAPS4的智能網格預報平臺設計與實現[J]. 應用氣象學報, 2018, 29(1): 13-24.

[2] 高嵩, 代刊, 薛峰. 基于MICAPS3.2平臺的格點編輯平臺設計與開發[J]. 氣象, 2014, 40(9): 1152-1158.

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[5] 魚朝偉, 詹舒波. 基于RabbitMQ的異步全雙工消息總線的實現[J]. 軟件, 2016, 37(02): 139-146.

[6] 姚樹春. 大型數據庫ORACLE數據庫的優化設計方案[J]. 軟件, 2013, 34(11): 131-132.

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Implementation and Application of The Intelligent Grid Forecasting Editing System of Anhui

ZHU Jia-ning, QIU Xue-xing, AN Jing-jing, YAO Chen, ZHAO Qing-song

(Anhui Meteorological Observatory, Hefei 230031, China)

Accurate, timely and efficient weather forecast information is an important scientific basis for local government departments to command industrial and agricultural production, flood control and drought resistance and disaster prevention and reduction. In order to improve the accuracy of time and space for short and medium-range weather forecasting, and serve the government departments and the public better, intelligent grid editing system based on the B/S frame of Anhui was developed. This system has achieved the grid forecasting of 2.5km resolution weather element within the aging period of 0-10 days (3 hours by 3 hours) in Anhui province, 0-72 hours (3 hours by 3 hours) disaster area forecasting, it can achieve "a total of the province's network." At present, the intelligent grid forecasting and editing system in Anhui province has become the main supporting platform of weather forecasting business in Anhui province, this system has been in service for a year and has played an important supporting role in short and medium-range forecasting.

Intelligent grid forecasting; Grid editing; Message middleware; WebGIS

TP315

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.10.047

朱佳寧(1982-)，男，工程師，主要從事中短期天氣預報及軟件開發工作；邱學興(1979-)，男，高級工程師，主要研究方向：中短期天氣預報及數值預報解釋應用；安晶晶(1986-)，男，工程師，主要研究方向：氣象資料處理；姚晨(1982-)，女，高級工程師，主要研究方向：中短期天氣預報技術；趙青松(1974-），男，工程師，主要研究方向：應用氣象與氣象服務技術研發。

朱佳寧，邱學興，安晶晶，等. 安徽省智能網格預報編輯系統的實現與應用[J]. 軟件，2018，39（10）：242-249