浙江省新一代海洋氣象業務平臺設計和開發應用

樓茂園 沈翊

(浙江省氣象臺, 浙江 杭州 310017)

0 引 言

隨著我國海洋戰略的調整和浙江社會經濟的高速發展,社會各界對海洋氣象預報及服務的需求與日俱增,對精細化精準化的需求也越來越高[1-4]。由于海洋氣象預報更多依賴非常規的觀測數據,因此需要對浮標站數據、衛星數據等進行更好的顯示應用。同時,氣象現代化預報業務也對海洋氣象預報提出了更高的要求,傳統的海區預報、主觀預報必將被精細化格點化訂正的海洋氣象要素預報所取代。因此,開發新一代海洋氣象預報業務平臺來為預報員提供精細化海洋預報產品分析顯示、預報制作等成為當務之急。除此之外,隨著海洋和臺風預報業務及服務水平的不斷發展,業務流程不斷調整優化,對于客觀預報產品、臺風報告單產品等的應用也對海洋業務平臺提出了更高要求,也需要該平臺提供高效、精準的數據支撐。

目前,中央氣象臺和各地方臺開發了多種適合現代化氣象預報服務業務的工作平臺[5-12],在開發手段上也用到了許多新技術新方法[13-15],取得了很好的效果。

而浙江省氣象臺此前使用的省級海洋業務平臺因為開發應用多年,且主要功能以多種產品顯示為主,不具有GIS縮放、格點訂正等功能,無法很好展示近年來發展的海洋氣象客觀預報產品的精細化程度,已不能滿足現代化海洋預報業務的需求。為此,省氣象臺及時組織力量開發新一代省級海洋預報業務平臺。新一代海洋預報業務平臺是立足于為全省氣象預報員服務,基于海洋業務扁平化的理念,提供集數據采集、精細分析、格點訂正、預報制作、快速發布、產品展示、工作記錄等功能于一體,基于Silverlight和SQL數據庫技術進行開發的專業業務平臺,并將在使用中不斷發展來更好滿足臺風和海洋氣象預報業務需求。

1 總體框架和主要功能

1.1 總體框架

浙江省新一代海洋預報業務平臺采用面向服務(Service Oriented Architecture,SOA)和多層體系的結構,這種框架結構屬于開放式、松耦合的服務結構,使得平臺中各部件的連接更加靈活,有利于平臺隨著海洋氣象業務發展變動而迅速更新。整個平臺框架如圖1所示。

圖1 新一代海洋氣象業務平臺總體框架

最底層為數據層,負責將省臺多個海洋和臺風數據庫及多種數據文件整合,包括對數據的采集、處理加工、入庫出庫、更新維護等,對上層不透明,利用一個數據中間件與上層發生關系,便于平臺對數據的使用維護,當省臺數據結構或者文件存儲出現變化時,不需要改變上層結構,只需要對數據中間件進行更新即可。

中間層是應用組件層,負責將底層的數據和上層的業務進行銜接,通過統一接口完成資源和應用的集成,為業務層提供功能支持,包括基本組件和功能組件。

最上層是業務服務層,負責直接面對用戶,采用交互式界面,將平臺所有功能及海洋臺風產品靈活、高效、友好地提供給用戶使用,同時接收用戶請求并快速返回數據。

平臺采用可配置設計原則,將所有參數存放于多個配置文件中,便于對平臺各模塊的動態調整,也方便日常維護和后期升級。同時采用可視化、分布式設計保證平臺管理和日常使用的高效、安全、可靠、穩定。

1.2 主要功能

本平臺面向一線預報員,加強了對省臺精細化格點化客觀產品的顯示分析應用,對省臺分散存儲的各類數據和數據庫進行梳理,結合省臺的海洋氣象業務流程,提供海洋預報產品制作功能,并記錄工作日志,確保預報工作留痕可查。

1.2.1 數據管理

本平臺具備完備及便捷的數據管理功能,包括對臺風和海洋數據的查看、修改、轉移等功能。數據管理程序使用.net平臺開發,部署于省臺SQL數據庫服務器中,采用優良的人機交互界面,預報員即使不會SQL命令也可以方便的檢索相應數據。

臺風數據管理程序可對各家臺風中心(中國、美國、日本、歐洲、香港等)發布的主客觀臺風報文實時存入數據庫,使用數據中間件和WebService接口,預報員可很方便的在網頁上查看各種臺風和海洋預報產品、檢驗數據,包括查看和下載臺風實況資料。同時程序集成自學習模塊,在后臺自動對數據庫中數據進行校驗,并對其中預報數據定時進行檢驗,將檢驗數據存入數據庫中,方便預報員在前臺實時了解和比較各家的預報準確率情況。

海洋數據管理程序可對所有海洋產品數據進行監控,如有數據缺失會實時顯示,并指出數據地址,方便預報員或相關技術人員查看(圖略)。同時對省臺海洋精細化預報產品自動進行檢驗,并將檢驗數據也存入數據庫中。

1.2.2 預報產品制作

本平臺將原先分散的產品制作小程序及Word編輯功能集中到預報產品制作模塊中,使得預報員可以通過一個平臺制作所有海洋氣象預報產品,省去了不同制作軟件之間的切換,提高了工作效率。平臺按照崗位工作流程定時提醒預報員制作相應產品,后臺自動在工作日志中記錄預報員操作,同時預報員也可以隨時查看工作日志并手動填寫工作日志。管理員和預報員可以通過平臺查詢歷史工作記錄(圖略)。預報產品可通過格點訂正工具進行主觀訂正,并支持預覽,然后通過一鍵發布按鈕進行產品保存和快速發布,這可滿足現代天氣預報的檢驗與訂正業務所需。所有產品在平臺后臺自動保存,確保數據不丟失,并通過一鍵發布的形式,以多種手段(FTP、直接拷貝、推送)等形式發布到制定地址,供其他用戶使用。

1.2.3 臺風實況顯示

本平臺將臺風實況,包括臺風位置、臺風路徑、臺風強度、風圈半徑、臺風預報等信息,并采用不同顏色的點和線顯示不同等級的臺風中心位置及其路徑(圖2)。對不同預報線路也采用不同顏色表示,平臺可同時顯示一個或多個臺風信息,所有臺風有關信息都可以顯示或消隱,并具備測距、地形疊加等GIS功能,方便預報員參考。同時平臺也對省臺臺風報告單制作系統提供良好支持。

圖2 平臺可顯示豐富的臺風信息

1.2.4 海洋產品顯示和應用

本平臺可顯示各種格點及站點的省臺海洋氣象精細化預報產品、檢測產品、各種要素的海洋氣象實況資料,如海霧監測和客觀預報產品(圖3a),海上極大風監測和預報產品(圖3b),海上精細化天氣現象產品,海島精細化預報產品,海浪預報產品,海島站、浮標站實況資料,衛星實況資料,雷達拼圖資料。

圖3 平臺顯示格點化海上大霧預報產品(a)和海上極大風預報產品(b)

產品顯示功能模塊還支持多要素疊加顯示,提供數據空間過濾功能,可對氣象要素、地圖、區域、色標、填色、線條等所有顯示要素進行精細化調整,滿足預報員制作預報產品和服務產品的需求。平臺中所有展示色彩可設置固定色彩,也可根據要素值采用分段、點對點、連續過度等方式色標填充。展示符號的大小、線條的粗細可根據地圖比例自適應縮放,確保平臺各要素能得到清晰展示。

1.2.5 海洋氣象個例查詢

該平臺集成海洋氣象個例庫和預報手冊功能。平臺將我省海上大風、大霧、臺風等典型個例、預報指標和預報經驗及相關資料、技術文檔、業務規范、業務流程等集中歸檔入庫,建立海洋氣象個例庫,并提供便捷查詢功能,方便預報員隨時調用閱讀。

個例庫以文檔形式存于省臺分布式服務器中,其中資料可手動添加,隨時更新,并確保查詢的快捷高效和資料的安全。

1.2.6 海洋產品檢驗和訂正

平臺默認展示24、48、72 h預報時效的海洋及臺風預報檢驗產品,將各類客觀化的海洋及臺風預報產品檢驗結果通過圖表形式展示,預報員也可根據自己需要查看特定時間段或特定臺風的預報檢驗結果,為預報員的主觀訂正提供依據。平臺同時開發了一個格點訂正的工具,可幫助預報員根據預報檢驗結果以及預報員主觀分析的綜合意見,對大風或海霧產品進行主觀格點訂正,也可供預報員對其他客觀產品的格點數據進行主觀訂正。

2 關鍵技術

2.1 數據資料接入技術

新一代海洋氣象業務平臺涉及的原始資料包括數據庫、共享文件、FTP、Web頁面等多種形式。數據庫資料存儲于省臺SQL數據庫服務器中,部分格點數據以文件形式分散存于多個存儲服務器中。為便于上層調用,采用數據庫中間件的方式,集中管理分散的數據來源,并采用GIS數據接入服務平臺統一管理,滿足精細化產品多種顯示方式的需求,以WebService方式供前臺調用,滿足跨平臺需求。

為滿足性能和靈活性要求,前端采用Silverlight開發矢量/柵格混合顯示環境,在GIS地理信息系統平臺客戶端上實現基于GIS的多要素疊加展示,通過統一配合規則描述多個要素的數據路徑、時間規則、顯示樣式等,調用WebService接入原始數據。

2.2 坐標系統和空間定位技術

該平臺面向用戶界面統一采用直接經緯度坐標系統,所有非經緯度坐標的原始資料在服務器端轉換成經緯度,由于目前氣象要素顯示精度要求不高(最大精度也就0.01度),各種大地坐標基準之間的差別可以忽略不計。

2.3 圖形展示技術

需要展示的氣象要素包括規則格點和離散站點兩大類。規則格點資料原始數據形式由Micaps4類或13類等二維網格表示形式和Micaps2類的站點列表表示形式,Micaps4類或13類格式數據用自適應網格數據提取技術,根據顯示比例和展示的樣式尺寸自動計算出適合展示的網格密度,隨著地圖縮放自動調整。Micaps2類格式數據通過對各點坐標的分析計算出網格參數后轉換成網格形式再進行后續處理。離散站點由于站點密度分布不規則,無法采用規則格點方式自動計算,本平臺采用分級展示技術,根據站點級別/重要性等將站點分組,隨著縮放比例自動確定顯示哪些組,確保內容顯示完整性和版面的可讀性。

控制展示模式通過前端jQuery調用Silverlight內的方法實現,集成第三方網頁方面通過服務器上定制過濾規律,移除X-Frame-Options HTTP響應頭,讓部分無法嵌入網頁展示的網站可以嵌入到展示平臺中。平臺通過PDF插件將文件轉化為保存在服務器,通過Viewjs插件實現文件的在線預覽、下載。采用Highcharts控件,通過調用Highcharts API,結合自定義的json配置文件,支持直線圖、曲線圖等數據可視化展示,同時可集成在同一個圖形中形成綜合圖。

2.4 產品制作技術

通過基礎平臺的引擎和數據庫集合對文件資料進行監管,通過基礎平臺的文件引擎對文件進行統計,并將統計信息寫入SQLServer數據庫中，并和數據庫的配置的問價規則進行匹配,得到統計的實時信息。然后將統計信息或者文件內容通過Dictionary和對字符串的基本處理根據要求展示其統計信息和文件數量等信息。

在數據齊全前提下,通過基礎平臺的產品引擎和調用Frame框架里API規則定義文檔模板,自動生成簡單的信息編輯框來輸入信息和自動生成Word文檔,平臺上可以預覽Word文檔并且進行下載,并通過一鍵點擊“發布”或者“保存”將信息和文檔自動保存入庫或上傳到指定的服務器。

2.5 格點訂正技術

本平臺具有海平面大風的格點訂正功能,兩者的原始數據均為Grib格式,但由于Grib文件較大,并且dat/ctl文件的原始資料是蘭伯特投影的,需要解析成需要的Micaps4類或Micaps2類數據進行展示。由于實時解析速度過慢,影響業務實際操作,所以采用基礎平臺的數據抓取技術,定時抓取文件,保存到目錄下,從而滿足24、48、72 h內大風和海霧格點訂正需求。

平臺開發的格點訂正工具是通過OpenGL4.2接口調用顯卡資源來進行繪圖的,將繪圖所需的坐標轉換、頂點渲染等矢量運算調用顯卡輔助計算,確保圖形化格點訂正操作的快速流暢,并確保充分利用計算資源(圖4)?？紤]到大風要素的連續性,對于風速,平臺采用簡單多點平滑方法,自動在主觀訂正與原始格式的邊緣進行處理;對于風向,平臺采用伯格斯方程對u、v風場在主觀訂正與原始格式的邊緣進行平滑[16]。

圖4 省臺客觀格點化海上極大風數據(a),使用客觀風力預報圖及風力訂正工具經過主觀訂正的風力預報圖(b)和實況風力(c)對比

3 業務應用

浙江省新一代海洋氣象業務平臺于2018年3月完成主體框架和主要功能,并同期在省氣象臺部署應用,本著邊開發、邊應用、邊改進的理念,始終緊盯業務一線的需求,不斷更新完善平臺的各項功能,使省臺海洋氣象預報產品制作效率大大提高,產品調用更加便捷高效。

在產品顯示方面,通過先進的圖形技術,將省臺海洋精細化產品和臺風各類信息美觀清晰的顯示給預報員使用,尤其對縮放功能可對東海海區細小的海區進行顯示分析,大大提高了精細化預報程度,針對性更強,圖形也更美觀,對日常業務和臺風預報服務提供了極好的平臺支撐作用。在預報制作方面,通過統一制作平臺的方式,減少了預報員頻繁切換多種產品制作軟件的時間,減輕了軟件維護難度,有效提高了預報員制作海上氣象預報產品的效率。

4 結 語

浙江省新一代海洋氣象業務平臺已作為浙江省氣象臺海洋氣象預報預警業務的主要工作平臺投入業務應用,明顯提高了現代海洋預報的服務能力。該平臺具有以下特點:

1)遵循先進設計理念,采用多層體系結構,具備穩定高效、跨平臺、易維護、易擴展的特性。

2)具有的GIS圖形等功能,可快速查詢查看省臺多種海洋氣象預報產品和臺風數據,提供靈活多樣的展示方式,基本滿足預報和服務的需求。

3)緊密結合業務規范和工作流程,在產品制作上極大提高預報員的工作效率,有效減小出現錯誤的環節,并自動記錄工作日志,方便留痕管理和檢查。

4)平臺采用多種技術開發格點訂正功能,方便預報員制作主客觀融合的預報產品,同時平臺具備一鍵分發功能,提高業務效率。

浙江省新一代海洋氣象業務平臺目前主要針對省一級需求開發,未來探討各沿海市縣的需求,加入更多功能、開發更多產品問題。同時繼續加強數據庫建設,擴展基于CIMISS的數據環境接口,不斷提高平臺對數據獲取的高效穩定及快速檢索,提高數據檢驗模塊的執行效率和展示接口,提供更加友好靈活的檢驗結果展示。