三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級改造研究

易香妤，徐衛(wèi)立，李 波

(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

自2002年成立起，三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心(以下簡稱“三峽梯調(diào)”，TGDCC )氣象服務(wù)在上游流域梯級水庫的施工建設(shè)、防洪調(diào)度、電力生產(chǎn)、長江航運等方面發(fā)揮了重要保障作用。

為了提供優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)，長江電力在電力行業(yè)率先建立了三峽梯調(diào)專業(yè)氣象團隊，并從2002年開始投入試運行了三峽梯調(diào)中心專業(yè)氣象臺氣象應(yīng)用軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了氣象信息傳輸處理、氣象信息數(shù)據(jù)庫管理、氣象業(yè)務(wù)監(jiān)測、氣象信息加工與分析預(yù)測系統(tǒng)、氣象預(yù)報業(yè)務(wù)工作平臺、氣象信息與預(yù)報產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)等功能模塊[1]。初期的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計合理、運行穩(wěn)定、預(yù)報與服務(wù)效果良好，常規(guī)降水預(yù)報準(zhǔn)確率為90%，較均值提高了5%，強降水預(yù)報準(zhǔn)確率為38%，較均值提高了4%[2]，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

在多年的生產(chǎn)應(yīng)用過程中，三峽梯調(diào)中心專業(yè)氣象臺氣象應(yīng)用軟件系統(tǒng)針對精度提升、穩(wěn)定數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)擴展、功能優(yōu)化及軟硬件平臺等方面等進行了多次系統(tǒng)升級改造，建成了基于Arcgis Engine的三峽梯級調(diào)度可視化氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提升了三峽梯調(diào)氣象水文信息服務(wù)的可視化效果和實用性，相關(guān)功能還在湖北省氣象局有關(guān)單位的氣象決策服務(wù)和天氣會商業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用[3]。

隨著金沙江下游-三峽流域梯級電站的開發(fā)和電力市場的改革，面對長江上游流域復(fù)雜的地理地貌和天氣特征，三峽梯調(diào)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)對三峽梯調(diào)氣象服務(wù)保障提出了更高的要求。氣象服務(wù)的范圍不僅要由庫區(qū)的“點”推廣至流域的“面”，多庫聯(lián)合調(diào)度、長江上游流域的防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)調(diào)度等業(yè)務(wù)還需要氣象預(yù)報預(yù)測服務(wù)在時效性、精細(xì)化、準(zhǔn)確性等方面進行全面的提升[4]。同時原系統(tǒng)在硬件環(huán)境方面存在設(shè)備硬件良莠混雜、數(shù)據(jù)處理存儲能力落后、通信鏈路無法滿足大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟮葐栴}；在業(yè)務(wù)體系方面存在信息孤島[5]、業(yè)務(wù)煙囪等問題，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間缺乏有效協(xié)作和聯(lián)動，制約了系統(tǒng)效能的發(fā)揮、業(yè)務(wù)水平的提升；在系統(tǒng)架構(gòu)方面存在凌亂分散、不易維護升級以及數(shù)據(jù)環(huán)境不統(tǒng)一、應(yīng)用接口不標(biāo)準(zhǔn)等問題。面對業(yè)務(wù)不斷擴展與系統(tǒng)需求不足的矛盾，對現(xiàn)有氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行升級改造是進一步提升預(yù)報準(zhǔn)確率、提高工作效率、緊跟業(yè)務(wù)需求的有效手段。

1 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級

在氣象系統(tǒng)現(xiàn)有功能和資源的基礎(chǔ)上，三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)自2018年開始注重打造高性能、可靠的底層軟硬件平臺，加強頂層設(shè)計，建立集約化的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，對三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的體系架構(gòu)、基礎(chǔ)環(huán)境、系統(tǒng)功能等進行了全面的改造升級。改造設(shè)計后的系統(tǒng)總體架構(gòu)采用分層設(shè)計思想，以降低層與層之間的耦合、提高系統(tǒng)可擴展性為基本原則，系統(tǒng)升級后的設(shè)計結(jié)構(gòu)包含四大板塊：基礎(chǔ)設(shè)施支撐環(huán)境、數(shù)據(jù)支撐管理系統(tǒng)、氣象預(yù)報預(yù)測平臺、氣象業(yè)務(wù)服務(wù)平臺，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture diagram for Meteorological Service System of TGDCC

經(jīng)過約2 a升級改造，新氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)于2020年汛期開始試運行，并于2021年汛期正式投入使用，命名為三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)。升級改造后豐富了產(chǎn)品內(nèi)容、提升了服務(wù)質(zhì)量，且較好地整合兼容新老業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并能與水調(diào)、電調(diào)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)作運行，為金沙江下游-三峽梯級水庫聯(lián)合調(diào)度生產(chǎn)提供“及時、精確、可靠”的氣象預(yù)報預(yù)測服務(wù)能力提供了重要技術(shù)保障。

2 系統(tǒng)升級功能

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)的常用業(yè)務(wù)功能前端展示主要在三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)和三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)中，本文簡要介紹其重要功能。

2.1 系統(tǒng)功能

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)是面向三峽梯調(diào)氣象預(yù)報員的核心業(yè)務(wù)平臺，平臺依托湖北省氣象局的天擎系統(tǒng)、HBase分布式數(shù)據(jù)庫、Cassandra 分布式數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)資源，開發(fā)了綜合監(jiān)測、氣象信息綜合分析、壩區(qū)天氣預(yù)警、預(yù)報訂正、產(chǎn)品制作發(fā)布、流域氣候和評價檢驗六大模塊功能。平臺界面如圖2所示。

圖2 三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)界面示意Fig.2 Schematic diagram of the interface for Meteorological Operation System of TGDCC

2.1.1 實況監(jiān)測產(chǎn)品豐富

在實況監(jiān)測的手段和數(shù)量方面，三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)了較大突破。預(yù)報員可依據(jù)自動站的類型對長江流域降水、氣溫、氣壓、濕度、能見度、風(fēng)、面雨量等進行實時監(jiān)測；也可以查看長江流域雷達拼圖(包括組合反射率、回波頂高、液態(tài)水含量、三維反射率)和氣象衛(wèi)星產(chǎn)品(包含風(fēng)云2號、風(fēng)云4號、葵花8號衛(wèi)星觀測結(jié)果)；此外，系統(tǒng)還能滿足雷暴大風(fēng)、短時強降水、冰雹天氣監(jiān)測報警產(chǎn)品的生成、報警以及雷達定量降水估算產(chǎn)品結(jié)果顯示。

2.1.2 警報預(yù)警時效性高

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)了壩區(qū)強天氣監(jiān)測報警功能和壩區(qū)預(yù)警產(chǎn)品一站式制作和一鍵式發(fā)布功能。預(yù)報員通過自動監(jiān)測站、雷達拼圖、衛(wèi)星云圖等實時信息，預(yù)報三峽壩區(qū)、葛洲壩壩區(qū)和三峽專用公路沿線的短時強降水、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，當(dāng)監(jiān)測到實況超過閾值時，系統(tǒng)采用圖、文、聲等方式進行報警，及時提醒值班預(yù)報員快速響應(yīng)，大大提高了警報和預(yù)警工作的效率和響應(yīng)時間。

2.1.3 多時間尺度的氣候產(chǎn)品

系統(tǒng)提供多時間尺度的氣候產(chǎn)品，包括：① 長江流域雨季(金沙江雨季、梅雨、華西秋雨)的首場和末場強降水、140項氣候系統(tǒng)指數(shù)的長期監(jiān)測；② 多模式長江流域主要氣象站點延伸期(11～30 d)降水集合過程預(yù)報；③ 水庫調(diào)度關(guān)鍵期(消落期、汛期、蓄水期等特定時期)內(nèi)長江流域降水趨勢預(yù)測；④ 長江流域月、季、年降水趨勢預(yù)測。隨著延伸期降水預(yù)測對水庫調(diào)度計劃的影響越來越深遠，多時間尺度的氣候預(yù)測產(chǎn)品為預(yù)報員提供了更科學(xué)高效的技術(shù)支撐。

2.2 三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)

三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)是在氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的面向三峽水庫梯級調(diào)度各類用戶的氣象業(yè)務(wù)服務(wù)平臺。平臺數(shù)據(jù)源包括CMACast衛(wèi)星的接收資料和智能預(yù)報預(yù)測平臺生成的各類產(chǎn)品，采用B/S架構(gòu)，通過leaflet地理信息系統(tǒng)框架進行交互和顯示，主要提供氣象產(chǎn)品展示、綜合信息查詢、業(yè)務(wù)監(jiān)控管理，可實現(xiàn)綜合降水、受電區(qū)氣溫、臺風(fēng)的監(jiān)測，提供壩區(qū)預(yù)警、預(yù)報產(chǎn)品、模式預(yù)報的查詢，提供氣象知識科普學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)流程化天氣預(yù)報會商，并可對系統(tǒng)進行管理，平臺界面如圖3所示。

圖3 三峽梯調(diào)氣象信息網(wǎng)界面示意Fig.3 Schematic diagram of the interface for Meteorological Information Network of TGDCC

3 系統(tǒng)升級成效

3.1 數(shù)據(jù)平臺

氣象數(shù)據(jù)是氣象業(yè)務(wù)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)，隨著現(xiàn)代氣象技術(shù)的發(fā)展，氣象觀測數(shù)據(jù)(地面、高空各層多要素，雷達、衛(wèi)星)、數(shù)值模式數(shù)據(jù)(天氣模式、氣候模式)及二次開發(fā)等產(chǎn)品數(shù)據(jù)如雨后春筍般涌現(xiàn)，單日接收數(shù)據(jù)量從“以G計量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙訲計量”，海量的氣象大數(shù)據(jù)給傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺的管理和服務(wù)帶來巨大壓力。升級后的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)依托湖北省氣象局的數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建了以云平臺為支撐，多信息渠道為保障，本地數(shù)據(jù)庫共享同步的專用氣象信息網(wǎng)絡(luò)[6]，實現(xiàn)了氣象大數(shù)據(jù)的實時收集，并與三峽梯調(diào)水調(diào)自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互和互備，開啟了氣象水文信息的深度共享的新局面。

3.2 分析系統(tǒng)

氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)是當(dāng)前中國氣象預(yù)報行業(yè)內(nèi)的重要支撐平臺[7]。三峽氣象業(yè)務(wù)所使用的氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)從早期的第二代(MICAPS2)升級為第四代(MICAPS4)，并逐漸向云化、智能化發(fā)展。MICAPS4靈活性高、開放程度大，提供完整的數(shù)據(jù)采集、預(yù)報員交互操作和數(shù)據(jù)分析服務(wù)，預(yù)報員能夠在短時間內(nèi)分析氣象實況資料和數(shù)值分析預(yù)報產(chǎn)品，并掌握大氣三維結(jié)構(gòu)的運動狀況[8]。

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量

為加強流域短時降水預(yù)報能力，新系統(tǒng)引入了基于變分光流法的雷達外推、高分辨率快速同化預(yù)報產(chǎn)品與雷達資料外推相融合[9]的三峽庫區(qū)短時網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品，提升了三峽庫區(qū)強降水過程短臨預(yù)報、災(zāi)害性天氣警報和預(yù)警的準(zhǔn)確率。2021年，三峽-葛洲壩壩區(qū)發(fā)布了147次天氣警報和39次天氣預(yù)警，全年天氣無漏報，警報預(yù)警評分超90%。

為支持水文精細(xì)預(yù)報，建立了從實況、短時、短期到中期的精細(xì)化、網(wǎng)格化的長江流域降水監(jiān)測預(yù)報產(chǎn)品，實現(xiàn)了流域氣象預(yù)報從固定分區(qū)的流域面雨量跨度預(yù)報向任意分區(qū)降水格點預(yù)報的轉(zhuǎn)變，為提升水文預(yù)報的預(yù)報精度和延長洪水預(yù)見期提供了變革性的氣象支持。

采用前期環(huán)流特征、海洋特征和大氣下墊面的氣候特征等信息，基于氣候數(shù)值模式法、數(shù)值模式的環(huán)流降尺度法提供長江流域月尺度降水氣候趨勢預(yù)測產(chǎn)品；利用長江流域氣象站點資料和大氣環(huán)流指數(shù)資料及模式輸出資料，依托最優(yōu)子集回歸統(tǒng)計預(yù)測法、前期氣候特征相似組合法、動力模式降尺度法等提供長江流域關(guān)鍵期(消落期、汛期、蓄水期)、季、年尺度氣候預(yù)測的業(yè)務(wù)產(chǎn)品，各時間尺度氣候預(yù)測產(chǎn)品對后期調(diào)度計劃具有較大參考作用[10]。例如2021年7月21日起的延伸期預(yù)報準(zhǔn)確預(yù)判了長江上游8月上旬末開始將轉(zhuǎn)入多雨形勢，同年汛期前成功將長江干流以北降水偏多情形提前預(yù)測，準(zhǔn)確的降雨形勢預(yù)判對后期調(diào)度計劃提供了強有力的技術(shù)保障。

3.4 個性服務(wù)

隨著業(yè)務(wù)的創(chuàng)新擴展，氣象業(yè)務(wù)在生產(chǎn)中的重要性逐日顯現(xiàn)。從流域大水電的降雨預(yù)報和氣候預(yù)測，到受電區(qū)域特殊天氣(寒潮、高溫、臺風(fēng)等)跟蹤預(yù)報，再到發(fā)展中的金沙江新能源風(fēng)、光資源評估預(yù)測，梯調(diào)氣象依靠業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的完善升級，針對不同業(yè)務(wù)板塊提供了專業(yè)、豐富、個性化的氣象服務(wù)產(chǎn)品，利用氣象信息網(wǎng)的“天氣預(yù)報會商”模塊能進行流程化水文氣象會商，實現(xiàn)了有力的基礎(chǔ)服務(wù)保障。

4 結(jié) 語

三峽梯調(diào)氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的升級使用是利用共享氣象大數(shù)據(jù)平臺，完成了共享使用和氣象產(chǎn)品二次開發(fā)應(yīng)用，建成了無縫隙、格點化、精細(xì)化、定量化的流域降水預(yù)報體系，實現(xiàn)了流域降水預(yù)報從面雨量跨度預(yù)報向分區(qū)格點預(yù)報轉(zhuǎn)變，打造了各業(yè)務(wù)板塊個性化的氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，延長了氣象預(yù)報預(yù)見期，有效提高了梯級水庫氣象監(jiān)測、短中期預(yù)報、氣候預(yù)測的精確度。