基于業務一體化的預報預警質量檢驗系統的設計與實現

謝豐， 劉延瑞， 馬艷， 畢瑋， 任兆鵬*

(1.青島市氣象局， 山東,青島 266003；2.青島市氣象災害防御工程技術研究中心， 山東,青島 266003)

0 引言

隨著各行業對氣象服務需求的不斷增長，天氣預報預警業務也不斷向精細化、集約化方向發展。在國家以及各省、市、縣氣象業務不斷推進的大前提下，氣象一體化業務建設工作也取得了長足的進步。針對新形勢下氣象業務發展中數據管理不夠規范高效、數據共享不夠及時、預報預警信息發布效率低下、業務平臺零散以及業務工作冗余等問題，各級氣象部門根據自身業務實際情況相繼研發了業務一體化平臺[1-3]，有效提高了氣象業務工作效率，提升了氣象服務自動化水平。

災害性天氣的多發頻發對我國農業和經濟造成不小的影響，國家應急管理部門對氣象預報及災害性天氣突發預警也越來越重視。為加強氣象預報及氣象災害預警信號業務管理，促進氣象預報及預警質量提高，各級氣象部門也分別開展了預報質量及預警信號質量檢驗工作，研發了預報及預警信號質量檢驗平臺或系統[4-7]。

但目前多數氣象業務一體化平臺雖融合了氣象數據資料整合、氣象預報、氣象服務產品制作、氣象信息發布等功能，將預報預警信號質量檢驗同時納入一體化業務平臺的系統及其研究卻相對較少。本研究將預報預警信號質量檢驗系統與氣象業務一體化系統進行融合，將氣象數據資源后臺集中調度，對業務平臺系統進行合理精簡，對預報員工作流程進行簡化，為提高預報業務工作效率和提升預報預警業務質量提供了更好的平臺。

1 需求分析

為進一步推進預報業務和災害性天氣預警業務發展，國家氣象局要求對預報預警信號質量在業務中進行檢驗，在實際業務中，預報及預警信號檢驗過程十分繁瑣。預報員每天從不同數據源調取報文，人工校驗計算，工作效率不高，同時需完成每月各種預報及預警信號質量統計檢驗報表制作，并結合預報預警質量檢驗結果計算預報績效考核評分和預警信號質量檢驗評分，工作量繁雜冗余。整個操作過程存在數據來源分散、工作流程繁復、人工統計誤差概率高、業務對接流暢性低、業務系統集約化差等問題。

結合業務實際，針對上述問題，基于業務一體化平臺的預報預警質量檢驗系統需滿足以下功能需求[8-9]：① 通過關聯一體化平臺后臺數據庫實現報文、實況數據，預警信號自動入庫、自動校驗；② 根據預報質量檢驗辦法實現每日預報質量檢驗，計算每日預報評分；③ 實現每月預報成績匯總評分，生成報表；④ 根據預警信號質量檢驗辦法實現每次預警信號質量檢驗，計算預警信號提前量和準確性；⑤ 每月生成不同類別災害性天氣預警信號質量檢驗報表。

2 系統總體設計

系統整體采用B/S架構，選用ASP.NET框架，前臺頁面使用HTML5+CSS+JS進行開發，后臺使用C#語言，使用SQL Server數據庫對后臺數據進行存儲和管理。

2.1 系統架構設計

系統整體由數據采集層、技術支撐層、業務功能層和用戶應用層等4層邏輯架構組成，如圖1所示[10]。數據采集層包括數據庫設計、數據調用；技術支撐層包括報文讀取算法、預報質量檢驗算法、預警信號質量檢驗算法、評分算法；業務功能層包括數據校驗、預報質量檢驗、預報評分、預警信號質量檢驗、預警信號質量評分；用戶應用層對接業務一體化平臺中領班、值班、首席等不同班次預報員。

圖1 預報預警質量檢驗系統總體架構圖

2.2 系統功能設計

(1) 在預報質量檢驗模塊中，根據《全國城鎮天氣預報質量檢驗方案》，結合業務實際，對青島轄區范圍內各區市共計7個大監站站點實現每日預報報文質量檢驗及預報質量評分。具體功能實現中，對青島市轄區內7個站點預報報文進行降水及溫度預報的正確性質量檢驗，給出檢驗結果；根據檢驗結果，參照《全國城鎮天氣預報質量檢驗方案》中預報質量檢驗評分標準，對預報成績按照0～72 h內各時效晴雨、一般性降水、最高(低)溫度和0～48 h內暴雨(雪)共5項TS評分定量計入預報質量積分，給出預報員每人每日每月具體預報質量評分，量化檢驗指標。

(2) 在預警信號質量檢驗模塊中，根據《氣象災害預警信號質量檢驗辦法(試行)》，結合山東省氣象局劃定的全省預警信號質量檢驗指標站點，實現對青島市區范圍內(市區、嶗山區、城陽區、黃島區)參加預警信號質量檢驗的24個站點進行預警信號質量檢驗的功能。在具體功能實現中，分別對檢驗站點的暴雨、暴雪、大風、大霧、霾這5種預警信號的發布進行分級檢驗，給出不同類型不同級別預警信號的TS評分、命中率、漏報率、空報率準確性和時間提前量等指標的檢驗結果，根據檢驗結果給出每月預警信號分級不同類別不同級別的正確率TS評分和預警、準確預警、有效預警時間提前量匯總統計表，并提供導出功能。系統功能結構如圖2所示[10]。

圖2 系統功能結構圖

2.3 數據庫設計

數據庫采用SQL Server關系型數據庫，根據系統實際業務邏輯及系統結構，按照數據庫第三范式進行設計。根據系統需求分析及數據流向，遵循系統功能邏輯層次，系統數據模型如圖3的E-R關系圖所示。數據表包含預報員表、排班表、排班說明表、預報報文表表、報文內容表、天氣現象編碼表、實況數據表、預報每日評分表、預報每月評分表、預警信號內容表、預警信號指標站點表、預警信號檢驗表、預警信號統計表等十多個數據表，各數據表通過主、外鍵進行關聯。

圖3 數據庫E-R關系圖

2.4 預報預警檢驗流程設計

預報預警檢驗過程中，實況數據、預報報文和預警信號數據分別來源于全國綜合氣象信息共享平臺CIMISS系統、NAS文件服務器和一體化平臺，經文件同步程序同步至各相應數據庫；再通過系統后臺算法對預報中晴雨、高(低)溫、降水，預警信號中準確率TS評分、命中率、漏報率和空報率各項進行逐一對比檢驗，分別得到預報及預警信號質量檢驗結果進行入庫；最后通過Web服務器到達系統前端，在一體化平臺頁面中進行展示。預報預警檢驗設計流程圖如圖4所示。

3 功能測試及功能實現

3.1 系統功能測試

本系統兩部分功能研發完成后，基于軟件研發V模型和系統測試流程及方法，結合預報員工作實際應用，對兩大功能模塊進行了逐一測試，以各模塊中實際實現功能為例，設計了如表1所示測試用例。

圖4 預報預警檢驗設計流程圖

由表1可見，測試結果與對應測試用例中的預期效果一致，表明預報及預警信號質量檢驗系統個各功能模塊的實現與系統建設初期設計一致，符合設計預期及業務實際需求。

3.2 系統功能實現

在預報質量檢驗模塊具體功能實現上，按照系統設計分別以預報每日成績、預報每月成績兩個功能頁面體現。在預報每日成績中，根據預報質量檢驗內容通過算法程序后臺運行分別對每日集體報、每日值班預報員個人報進行24、48、72 h晴雨、高低溫、降水以及24、48 h暴雨(雪)TS檢驗評分體現。在預報每月成績中，匯總體現當月個人及集體晴雨、高低溫、降水及暴雨(雪)TS總分及加權總分。具體功能實現如圖5所示。

在預警信號質量檢驗模塊具體功能實現上，按照系統設計分別以預警信號檢驗和預警信號每月統計2個功能頁面體現。在預警信號檢驗中，根據預警信號質量檢驗內容通過分級檢驗算法程序后臺運行，分別對指標站點的暴雨、暴雪、大風、大霧、霾這5種預警信號的時間提前量、準確性進行檢別，并將預警信號按照不同級別，通過準確性和時間提前量算法程序后臺運行，對其進行TS評分、空報率、漏報率、命中率和時間提前量直觀展示，并提供每月預警信號質量檢驗驗結果體現，同時體現預警信號發布時間、類型、級別和最早到達預警站點以及最早到達數值，直觀展示每一次預警信號的發布質量。在預警信號每月統計中，對當月不同類報表導出功能。具體功能實現如圖6所示。

表1 預報預警系統質量檢驗功能測試用例

在數據校驗具體功能實現上，通過對預報報文、自動站實況數據以及預警信號通過數據庫關聯后臺自動調取，對應預報及預警發布時間，對自動站實況數據入庫時間進行數據完整性校驗。具體功能實現如圖7所示。

4 總結

在各行業對氣象服務需求不斷增長的前提下，隨著現代化氣象業務建設的不斷推進，以及氣象預報預警技術的不斷發展，對其結果進行及時準確的質量檢驗，通過檢驗結果不斷矯正訂正預報預警技術方法，是提供更加高效、精細化氣象服務的支撐。本文所設計的基于氣象業務一體化的預報預警質量檢驗系統已正式投入業務應用。應用結果表明：基于業務一體化的預報預警質量檢驗系統功能結構完善、數據集約程度較高、整體運行狀態平穩。系統各功能模塊在對預報員工作流程簡化、提高預報業務工作效率和提升預報預警業務質量等方面都達到了預期效果，實現了氣象數據資源后臺集中調度、業務平臺系統合理精簡這一目標，具有很強的應用推廣價值。

圖5 預報每日及每月成績功能實現展示

圖6 預警信號檢驗及月統計功能實現展示