基于Surfer平臺的鄉鎮精細化預報服務產品制作

王忠云，高 娜，姜茹茵，王 冰

(1.山東省萊州市氣象局，山東 煙臺 261400；2.山東省煙臺經濟技術開發區氣象局， 山東 煙臺 264006；3.山東省煙臺市氣象局，山東 煙臺 264003)

0 引言

隨著社會經濟的發展，對氣象服務的需求越來越多樣化，對氣象服務產品的精細化程度要求也越來越高,精細化的服務產品可提供更高效的公眾及決策服務。基層氣象臺站是氣象防災減災的第一線，突發氣象災害預警服務責任重大，鄉鎮精細化的預警服務可為基層政府提出災害應急防御，有效減少人員傷亡和災害損失，有很多研究人員已開展精細到鄉鎮的氣象預報技術研究[1-7]，快速制作精細化預報服務產品是提高服務能力的有效途徑。當前氣象上常用的制圖軟件有Grads、NCL、MeteoInfo、Matlab等，上述作圖軟件雖然處理數據功能強大, 但是需要有一定編程基礎，難以在基層臺站推廣使用。MICAPS系統可以實現簡單制圖，但出圖質量不高、不能同時滿足數據處理的需要。Surfer是美國Golden Software公司編制的一款畫三維圖的軟件，具有的強大插值功能和繪制圖件能力，可輕松制作基面圖、數據點位圖、分類數據圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢圖、矢量圖以及三維表面圖等，軟件提供12種當前流行的數據計算方法，提供各種圖形圖像文件格式以及輸入輸出，方便了文件和數據的交換。當前有不少氣象學者使Surfer軟件進行氣象數據分析和研究[8-13]，取得了很好的效果，本文就該軟件在鄉鎮精細化預報服務產品制作進行討論，試圖明確該軟件在鄉鎮精細化預報服務產品制作的流程，期待結果能夠提高基層氣象部門服務能力[14]和決策服務水平[15-19]。本文利用Surfer15版本對鄉鎮精細化預報服務產品進行演示制作。

1 基本思路

精細化的圖形服務產品，可精準表述氣象災害的強度、落區、影響范圍等要素，讓鄉鎮氣象防災減災更加清晰，有針對性。鄉鎮站點預報已逐步開展，如何將氣象數據融入到衛星遙感影像、地形高程、交通地圖等GIS影像中是值得思考的問題，解決上述問題可以制作出更加清晰、直觀、專業、特色的氣象服務產品[20-21]，廣泛用于決策服務、專業服務、科研論文等(圖1)，一個好的平臺方便數據交換，可以整體提升基層氣象科技水平。

圖1 產品制作框架Fig.1 Product fabrication framework

2 基本流程

Surfer軟件能夠接受多種文件格式的數據，兼容性好，作為產品制作平臺有良好的基礎。將氣象數據進行格式標準化后，通過Surfer進行網格化計算，再使用地理信息文件對網格文件白化，最后加載矢量數據、地形高程、衛星影像等不同的數據后，對各種數據組合變換、編輯美化，制作出各種精細化的氣象服務產品。具體過程可參照流程示意圖(圖2)，不同的產品制作過程略有差別。

圖2 產品制作流程Fig.2 Production process

3 制圖準備

基底圖文件是制圖基礎，在Surfer中，底圖文件可采用kml、bln等多種地理信息文件，也可使用tif、bmp、jpg等圖像格式，其中tif格式的圖像攜帶經緯度信息，無需進行地理配準。其余大部分圖像格式不包含GIS信息，需要進行地理配準。kml文件是谷歌公司創建的一種地理信息文件，用于描述和保存時間、地點、經緯度、海拔高度等軌跡參數，可作為基底圖文件首選。交通地圖、衛星遙感影像、地形高程等圖像做為基底圖，能夠讓氣象服務產品豐富內涵，氣象數據與遙感、地理數據的結合，可以更好的對中小尺度天氣系統的分析提供參考。制圖過程需要用到天氣現象符號庫進行標注，比如風速、天氣現象等，可以自行收集備用。

4 數據處理

4.1 數據文件

本文全部采用模擬數據進行圖文處理。數據格式采用XYZ三列式結構，其中X、Y為經緯度，采用十進制，Z列為氣象數據，文件格式為xls、dat、txt均可，Excel格式便于數據編輯，可優先考慮。數據文件中可使用多列Z值(Z1、Z2、Z3…)，用于不同氣象要素值，其中Z值數據格式采用數值型、文本型均可，文本型數據格式僅能用于標注，不能用于網格計算，數值型數據既可以用于標注，也可以進行網格計算。

4.2 網格化計算

數據網格化是Surfer最基礎的應用，就是從XYZ數據文件創建一個基于網格的各類圖形。自Surfer11版本開始，可提供12 種基本算法，常用的主要是反距離加權插值法和克里金插值法兩種。選擇網格化算法，要根據客觀環境特征及自身數據特點，特別是考量樣品數及采樣網格規則程度這兩個指標，來選擇最合適的網格化算法。打開XYZ數據文件，選取網格算法及幾何范圍，然后生成網格grd文件。從新建等值線圖打開grd文件，即可將網格文件自動顯示為等值線。

4.3 白化

白化的目的就是讓網格數據與多邊型邊界文件一致，剪除多余數據，讓圖像更加清晰、簡潔。白化需要用到兩個文件，即grd網格數據文件和多邊型邊界文件，邊界文件采用kml、bln、shp格式均可，進行外部白化后(圖3)，即可生成新的等值線。

4.4 后期處理

根據白化后的格點文件，使用圖形工具中的“按坐標疊加圖形”功能，實現基底圖、等值線圖、散點圖等各種數據的疊加組合。再根據需要，對圖形進行外框線、標注字體、線條樣式、圖例、比例尺、經緯網、斷面等各種要素的編輯添加，可制作出各種圖形產品。將各圖層保存為srf場景文件，后期使用過程中，僅對數據文件(xls)的Z值數據進行修改，然后在Surfer中‘重載圖形數據’即可完成數據更新，然后導出圖像。

圖3 網格數據白化設置Fig.3 Grid data whitening Settings

5 產品制作示例

5.1 綜合預報

借鑒MICAPS3.0地面綜合填圖模式，使用Surfer可以實現站點的綜合預報(圖4)，利用多種數據疊加，組合顯示最高氣溫、最低氣溫、降水、風向風力預報結果，可以減少圖像數量，給公眾節省閱讀時間。其中風力等級符號的顯示，通過添加分類散點圖，自動實現風力符號的自動更新與分級。

5.2 等值線圖

等值線制作是Surfer最常用的工具之一，直接打開數據網格化計算后的格點文件，即可顯示等值線條，經過編輯加工后，可顯示降水、氣溫、風力等要素的等值線預報圖。

圖4 萊州市24 h綜合預報示意圖Fig.4 Schematic diagram of comprehensive forecast

5.3 格點圖

格點圖是grd網格文件的直觀顯示，可以實現坐標定點預報，便于查看同緯度或同經度預報要素分布情況(圖5)，網格大小、密度可以任意調整。

圖5 氣溫格點預報示意圖Fig.5 Schematic diagram of temperature grid forecast

5.4 風險預警產品

氣象災害風險預警主要指暴雨誘發的中小河流洪水、山洪和地質災害氣象風險預警。制作圖形產品是氣象風險預警的業務需要，也是必然趨勢。基于萊州市DEM高程數據，顯示中小河流(小沽河)流域在萊州市區域位置及流域面積，在此基礎上，對相關圖層進行編輯。

圖6 氣象風險預警示意圖Fig.6 Schematic diagram of meteorological risk warning

5.5 短臨預警產品

對于短時強降水、冰雹、雷雨大風等短臨預警產品的制作，可以借助圖形編輯功能，實現對天氣區的圖形及符號顯示；也可以根據天氣類型特點，對災害性天氣進行級別分類，再進行網格計算，利用等值線顯示天氣區域。以一次冰雹天氣過程為例進行演示，在天氣過程中通常包含陣雨、雷暴、冰雹等幾種現象，根據對流的強弱，可以分別賦予不同的Z值(表1)，便于進行區域網格計算。根據Z值進行網格化計算，計算方法應采用最小曲率法，可以讓線條更加圓滑，然后進行白化，再使用網格編輯器功能對等值線進行修正。通過等值線屬性設置顯示陣雨區、雷暴區、冰雹區，再進行填色美化，可得到最終產品。

表1 天氣區與Z值對應表Tab.1 Corresponding table of weather zone and Z value

5.6 實況分析

在各種影像圖(三維影像、地形高程、交通地圖、衛星影像)中疊加降水量等值線(圖7)，可以觀察地形地貌與降水存關的關聯，便于積累預報經驗和分析地方性小氣候，特別是對分析局地性天氣有很好的輔助作用。

6 結論

①Surfer軟件操作簡單、功能強大、成圖速度快，通過短時間學習就可以做出精美氣象服務產品，適合在基層臺站推廣使用。多樣化的氣象服務產品，使決策氣象服務材料更加美觀、實用，讓氣象服務水平更上一個臺階。具有強大的插值功能和繪制圖件能力，可以解決不同狀況氣象要素插值計算問題。

②Surfer與當前流行的GIS軟件文件格式通用性好，配合使用可實現專業性更強的服務產品制作，可以隨時融入最新數據處理技術和圖像文件格式，擴展性好。

③將氣象數據格式標準化后進行網格化計算，再使用地理信息文件對網格文件白化，最后加載矢量數據、地形高程、衛星影像等不同的影像數據后，對各數據組合變換、編輯美化，可制作出各種精細化的鄉鎮氣象服務產品。

④使用Surfer平臺，利用多種數據疊加，能夠綜合顯示最高氣溫、最低氣溫、降水、風向風力預報結果，減少圖像數量，節省閱讀時間。

⑤對于短時強降水、冰雹、雷雨大風等短臨預警、風險預警產品的制作，可以根據天氣類型特點，對災害性天氣進行級別分類，再進行網格計算，利用等值線顯示天氣區域。計算方法應采用最小曲率法，然后進行白化，再使用網格編輯器功能對等值線進行修正。風險預警產品的分級分類顯示。

⑥支持多種影像圖疊加，便于基層業務人員積累經驗，更好地了解、掌握地方性小氣候，也適用于針對不同行業開展的專業氣象服務產品制作。充分表明，利用 Surfer平臺，可以實現快速豐富制作鄉鎮精細化預報產品，節省了自行開發、維護平臺費用。

圖7 降水量等值線圖(a.三維影像，b.地形高程，c.交通地圖，d.衛星影像)Fig.7 Precipitation contour map (a.3d image, b.Topographic elevation, c.Traffic map, d.Satellite image)