基于SMS的氣象災害短時臨近自動預警系統設計與實現

姜小云，吳 俞，張永莉

(1.海南省氣象探測中心，海口 570203； 2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海口 5702033.海南省氣象臺，海口 570203； 4.成都信息工程大學，成都 610225)

0 引言

目前災害性天氣現象頻發，我國境內的氣象災害主要有暴雨、冰雹、龍卷、颮線、雷雨大風等中小尺度災害性天氣系統。這些氣象災害具有局地性強、歷時短、來勢猛、破壞性大等一些特點，并且往往威脅人民群眾生命財產安全, 經常造成國民經濟損失。因此預警信息發布的時效要求很高, 需要在第一時間內將預警信息傳達到各級領導和災害天氣即將發生的地區范圍的群眾手中, 以便及時防范和應對，盡量減少災害造成的損失。

隨著手機短信在天氣預報和氣象預警信息發布中的廣泛應用，越來越多的氣象科技工作者開發了許多基于短信的氣象預警服務系統。 如羅保華,童以長,張深壽等人對地市級氣象災害短信預警系統進行了探討[1]，提出了地市級氣象災害短信預警的方法和思路。王赟,段燕楠,姚愚等人對基于WebService的氣象預警短信發布系統設計與實現進行了探討[2], 提出了基于WebService技術直接接入電信短信網關，實現了氣象預警信息的高效發布，提高了氣象服務的整體質量和效率。徐瓊芳,聶菊榮,馮海旭等人提出了基于微信平臺的氣象預警信息發布系統[3]。姜小云等人對新一代天氣雷達的運行監控和報警等進行了探討[5-7]。鄒書平等對建立氣象決策短信服務平臺系統進行探討[8-10]。本文針對目前已經投入業務運行的各種氣象探測設備觀測數據進行實時分析并根據災害性天氣發生時氣象數據達到的閾值通過手機短信平臺發送到各級氣象預報服務業務人員手機，以便其在第一時間內進一步分析和處理。

1 系統總體設計

如圖1所示，本氣象災害短時臨近自動預警系統對主要氣象觀測系統設備運行狀態進行實時監控。具體包括了新一代天氣雷達觀測系統、國家級自動氣象站觀測系統、山洪防治氣象觀測系統、區域自動氣象站觀測系統和土壤水分自動觀測系統等設備。其中，新一代天氣雷達系統預警包括雷達設備故障監控預警、雷電預警、冰雹預警和龍卷預警。預警指標為當天氣雷達反射率因子達到45 dBZ以上或組合反射率因子達到50 dBZ以上時立即自動發布雷電預警給短息平臺，再由短信平臺發送給相關各級氣象預報業務服務人員。國家級自動氣象站系統預警主要有高溫預警、大風預警、大霧預警和暴雨預警等。山洪防治氣象站主要監控其降水量。當降水量達到可能誘發山洪災害的閾值指標時立即發送預警信息到短信平臺，再由短信平臺發送給相關各級氣象決策部門，以便第一時間進行災害防御處置工作。土壤水分自動觀測站系統主要為干旱預警。當土壤水分自動觀測站系統觀測的體積含水量達到相應指標時候立即發送干旱預警信息到短信平臺，再由短信平臺發送給相關各級農業氣象服務部門，以便第一時間進行氣象為農服務工作。具體的設計參數如表1所示。

表1 系統設計參數

圖1 系統總體設計框圖

2 分系統設計

2.1 新一代天氣雷達監控預警

2.1.1 雷達回波強度預警值目標位置搜索

根據本地災害性天氣在新一代天氣雷達觀測資料中顯示的特征和預報預警經驗，可以選擇一些新一代天氣雷達回

波預警閾值來實現當實時觀測資料達到某些閾值時立即自動發布相應級別的氣象災害預警信息短信給相關業務人員手機，以便提醒其進一步確認和轉發給上級預警發布中心，從而實現全社會的氣象災害突發事件及時預警。例如，選取當基本反射率因子達到45 dBZ以上時發布相應級別的雷電預警，當新一代天氣雷達垂直液態含水量(VIL)達到50時可以發布冰雹等災害性天氣短時臨近預警。圖2為新一代天氣雷達觀測到的一張基本反射率因子回波圖，圖中，在昌江和萬寧出現反射率因子大于45 dBZ的地方，那么本文所設計的系統將自動識別和自動發布預警短信給相關天氣預報業務人員。

圖2 海口新一代天氣雷達反射率回波圖(觀測時間：2016年5月25日15時34分)

新一代天氣雷達回波強度預警值目標位置搜索的方法是方塊區域數據滑動平均，如圖3所示，從新一代天氣雷達基數據文件解碼獲得的反射率因子數據中當沒有探測到目標時數據解碼為-33 dBZ，根據新一代天氣雷達觀測產品物理量的連續性，某一塊回波最大值一般會出現在回波中心位置，那么當搜索到最大值大于預警閾值時，還需計算以最大值為中心上下左右各偏離一定范圍的區域平均值，當該平均值也大于預警值閾值時即將發布氣象災害預警信息。在圖3中，行表示新一代天氣雷達掃描的方位角，列表示新一代天氣雷達掃描的距離庫。

圖3 新一代天氣雷達反射率數據

2.1.2 回波極坐標轉換成地理經緯度

當識別出雷電等災害級別的雷達回波并記錄其坐標位置，在新一代天氣雷達基數據文件里，坐標是極坐標形式，所以還得把極坐標位置轉換為地理經緯度坐標，從而可以通過下一步的處理得出其行政區劃位置以便通過SMS短信把災害天氣出現的地區等信息發送給相關各級業務值班人員手機里。那么，已知新一代天氣雷達站的經緯度以及災害天氣出現地區的距離和方位角，可以計算出該位置的經緯度信息。

本文假設A為新一代天氣雷達站的位置，B為出現的災害性天氣的目標位置。那么，Aj為A點經度，Aw為A點緯度，Bj為B點經度，Bw為B點緯度。設定北緯為正，南緯為負，東經為正，西經為負。經緯度單位使用度，如果是度分秒為單位的經緯度要轉換成以度為單位的經緯度信息。角度單位統一采用角度值，不是弧度值，以避免出錯。R為地球平均半徑，Az為方位角，以真北為0度起點，由東向南向西順時針旋轉為正值，如旋轉了30度，那Az等于30度。

如圖4所示，A、B和C為地球表面上3個位置點，O為地球中心點，Lab為A和B的球面距離，a、b和c分別為角BOC、角AOC和角AOB。由于新一代天氣雷達站的經緯度在新建雷達站時由測繪部門實地測量獲得準確的經緯度信息，那么Aj和Aw就是已知的。雷達探測到的災害天氣位置極坐標也是已知的，即，災害性天氣回波離新一代天氣雷達站的距離Lab和方位也是已知的，查找有關文獻地球平均半徑R等于6 371.004公里。

圖4 極坐標轉換成經緯度計算示意圖

首先計算角度c，如公式(1)：

c=(L/R)×(180/π)

(1)

再求解角度a，將已知量代入公式(2)：

a=arcos(cos(90-Aw)×cos(c)+sin(90-Aw)×

sin(c)×cos(Az)

(2)

最后根據公式(3)求解C：

C=arcsin(sin(c)×sin(Az)/sin(a))

(3)

那么，災害性天氣的目標位置B的經度Bj等于Aj+C，緯度Bw等于90-a。

2.1.3 回波經緯度解析成行政區劃地名

圖5是根據百度地圖地理信息系統API函數所做的應用軟件，它可以批量將經緯度信息轉換成對應的行政區劃地名。該軟件自動讀取上一節所述的新一代天氣雷達探測到的災害性天氣目標位置的經緯度信息文件，然后自動批處理轉換成相應的行政區劃地名并保存為地名信息文件，以便下一步將氣象災害信息通過短信平臺自動發布給相應行政地區的各級氣象業務人員。

圖5 經緯度解析成地名軟件界面 圖6 新一代天氣雷達故障監控軟件界面

2.1.4 雷達故障監控

由于新一代天氣雷達全天候24小時不間斷運行，本文實現的監控程序實時監視新一代天氣雷達主程序工作目錄下是否有告警文件生成或修改，如有則讀取該告警文件，提取出故障內容代碼，并從故障信息數據庫中找到與故障代碼相匹配的故障內容實時發送到短信平臺程序，從而將故障告警信息第一時間內發送給相關業務人員，以便迅速搶修雷達故障[11]。

2.2 國家級自動氣象站監控預警

根據國家地面氣象觀測規范[8]，國家級自動氣象站是對地球表面一定范圍內的氣象狀況及其變化過程進行系統地、連續地觀察和測定，為天氣預報、氣象情報、氣候分析、科學研究和氣象服務提供重要的依據。目前，國家級自動氣象觀測站能自動測量的要素有云、能見度、氣壓、空氣的溫度、濕度、風向、風速、降水、太陽輻射、蒸發、地面溫度和雪深等項目。圖7為自動監控到國家級自動氣象站高溫、暴雨災害的實時監控界面，同時將這些報警信息通過短信平臺及時發送到各級相關氣象業務人員手機里，以便業務人員及時發布相應預警信息。其中報警級別根據中國氣象局有關文件定義。本系統采用的設計參數見表1。

圖7 自動站實況監測自動預警軟件界面

2.3 山洪防治氣象站監控預警

山洪災害是由于山洪暴發而所帶來的危害。山洪災害突發性強、危害大，已經成為我國當前防災減災工作中的突出問題。暴雨是誘發山洪發生的主要因素，這些系統多為中小尺度強對流系統。山洪防治氣象站主要是數量眾多的單雨量站。當監控系統監測到有暴雨級別的降雨時立即發布預警信息給各級氣象業務人員手機里，以便業務人員立即處置，并編發相應預警信息發布給各級決策部門。

2.4 區域自動氣象站監控預警

區域自動氣象站的大規模建設對提高我國地面氣象觀測業務水平及區域性災害性天氣的監測預警服務能力具有重要作用。區域自動氣象站是國家級自動氣象站的重要補充，大大加密了氣象觀測空間范圍。可以無縫隙監測災害性天氣的發生、發展和結束。如圖7所示，區域氣象站的要素實時監控類似國家級自動氣象站，監控時間間隔為每10分鐘。

2.5 土壤水分自動站監控預警

土壤水分對農作物的生長有重大影響。經常對土壤水分進行監測，掌握其變化規律，對農作物生產實時服務和理論研究都很重要。土壤水分自動站可以快速、方便的在同一地點進行不同層面的土壤水分進行觀測，獲取具有準確性、代表性和可比較性的土壤水分連續觀測數據，可大大減輕人工取土式觀測勞動量、并且提高了觀測數據的時空密度，為農業氣象預報、干旱監測和服務提供了高質量的土壤水分監測數據。其觀測要素為10、20、30、40和50厘米等深度的土壤單位體積含水量。通過把干旱災害發生時的土壤水分觀測值作為預警值，及時發送該預警信息給相關農業氣象業務人員手機，以便及時為農服務，提高農作物效益。

2.6 自動短信發布平臺

如圖8所示，該界面為短信自動發布平臺系統，當其他模塊實時檢測到氣象災害發生時，立即將該氣象災害預警信息發送到本短信平臺，然后短信平臺立即轉發給各級相關取消業務人員手機里，以便第一時間提醒工作人員。該短信平臺一般在后臺實時運行，不得關閉。否則，監測到的預警信息不能最終發送到業務人員手機里從而錯過災害性天氣發生時應急處置的時機，影響氣象決策服務的效益。

圖8 自動短信發布平臺軟件界面

2.7 實驗結果與分析

在系統開發完成后進行了半年的試運行。在試運行過程中，統計了系統自動發布氣象災害預警和沒采用系統自動預警的方法而是采用人工定時查看的方法兩者的預警時間提前量的差別。結果如表2所示。從表中可以看出，采用系統自動發布氣象災害預警的時間比人工查看的時間有約1小時的提前量。而且人工查看的方法耗費大量的人工勞動，效率低。

表2 系統運行效果

3 系統應用情況

本氣象災害短時臨近預警系統是在目前氣象災害多發的前提下，為了最大可能的不漏發氣象災害預警信息，依靠計算機智能化設備將各種氣象觀測資料定時進行自動分析和監控，如有達到氣象災害閾值時立即發送手機短信給各級氣象業務工作人員手機，以便第一時間通知提醒業務人員。業務人員再根據氣象災害的輕重緩急程度逐級上報，從而最大限度的減少人員傷亡和財產損失，更好發揮氣象探測設備服務民生、國防、漁業、農業等的作用。本系統自開發完畢并投入業務應用以來，多次提醒了我省廣大氣象業務人員及時發布氣象災害信息(夜間強雷電、冰雹和龍卷等)，避免了或減少了人們生命財產損失。

4 結束語

針對目前已經投入業務運行的各種氣象探測設備觀測數據進行實時分析并根據災害性天氣發生時氣象數據達到的閾值條件通過手機短信發送相應氣象災害信息到各級氣象預報服務業務人員手機，以便其在第一時間內進一步分析和處理。系統運行以來多次提醒了氣象業務人員防范各種氣象災害，尤其是夜間氣象災害如雷雨大風、冰雹和龍卷等。系統的設計方法和技術都是成熟技術的應用，可以為其他地區的相關氣象業務、服務和決策部門參考，隨著氣象現代化的不斷推進，將來會有更多更好的氣象觀測設備應用到氣象災害預警和服務中來，因此本系統還會進一步更新和擴展以便更好地發揮這些氣象觀測設備的觀測效益。