于連慶 李月安 高 嵩 羅 兵

(國家氣象中心，北京 100081)

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集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品綜合分析顯示平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

于連慶*李月安 高 嵩 羅 兵

(國家氣象中心，北京 100081)

針對(duì)集合預(yù)報(bào)方法在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品綜合分析顯示平臺(tái)。以集合預(yù)報(bào)模式輸出數(shù)據(jù)量大、氣象圖表顯示效率和質(zhì)量要求高兩個(gè)主要需求為出發(fā)點(diǎn)，采用客戶端服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)。服務(wù)器端將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品數(shù)據(jù)以提高客戶端執(zhí)行效率。該文詳細(xì)分析了平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)數(shù)據(jù)延時(shí)問題，輪詢式數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)時(shí)檢查原始數(shù)據(jù)變化狀態(tài)并更新產(chǎn)品，采用生產(chǎn)者消費(fèi)者互斥方法解決多線程鎖死問題。為提高圖表美觀程度，動(dòng)態(tài)頁面布局顯示技術(shù)對(duì)所有圖形要素進(jìn)行分類,并給出顯示屬性的抽象描述，結(jié)合圖形渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了看圖模式和出圖模式的動(dòng)態(tài)切換。該平臺(tái)為預(yù)報(bào)員和服務(wù)決策者提供了寶貴的不確定性信息，在中小尺度極端天氣預(yù)報(bào)、臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用。

集合預(yù)報(bào); 多模式集成; 不確定性天氣預(yù)報(bào)

引 言

大氣是一個(gè)混沌系統(tǒng)，其物理過程存在不確定性，集合預(yù)報(bào)相對(duì)于決定論式的確定性單一預(yù)報(bào)，能夠更好地為預(yù)報(bào)員提供關(guān)于數(shù)值模式預(yù)報(bào)的不確定性信息以及極端天氣出現(xiàn)的可能性信息，而確定性預(yù)報(bào)水平的提高變得越來越困難。因此，集合預(yù)報(bào)將在未來的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中占有舉足輕重的地位。

集合預(yù)報(bào)自20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，已經(jīng)取得了很多重要成果。世界氣象組織(WMO)已將集合預(yù)報(bào)、資料同化、耦合模式和高分辨率確定性數(shù)值模式列為4個(gè)最重要的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)。國際上從20世紀(jì)70年代開始集合預(yù)報(bào)研究[1-2]，90年代業(yè)務(wù)化，以美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)[3-4]和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)[5]先后建立各自的集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)為標(biāo)志。集合預(yù)報(bào)研究最初主要針對(duì)初值擾動(dòng)的集合[6]，隨后，研究人員開始考慮模式的不確定性，同時(shí)提高數(shù)值模式的分辨率和增加集合成員的數(shù)量[7-8]。國內(nèi)的集合預(yù)報(bào)研究開始于20世紀(jì)90年代中期，發(fā)展十分迅速[9-11]。到目前為止，集合預(yù)報(bào)方法已被應(yīng)用于降水[12-14]、熱帶氣旋路徑[15-16]和溫度[17-18]預(yù)報(bào)中，模式研發(fā)工作也取得顯著成果[19]。

針對(duì)集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用的緊迫需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了包含集合預(yù)報(bào)和多模式集成功能的綜合分析顯示平臺(tái)NUMBERS (NUmerical Model Blending and Ensemble foRecast System，本文簡稱為集合預(yù)報(bào)平臺(tái))，以滿足現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)對(duì)集合預(yù)報(bào)的巨大需求。該平臺(tái)的技術(shù)積累和研發(fā)經(jīng)驗(yàn)將并入下一版MICAPS[20]中，成為MICAPS集合預(yù)報(bào)功能模塊。

1 集合預(yù)報(bào)平臺(tái)需求與設(shè)計(jì)方法

1.1 需求分析

1.1.1 集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)特征

集合預(yù)報(bào)數(shù)值模式的輸出數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于確定性數(shù)值模式的輸出數(shù)據(jù)量，體現(xiàn)在集合預(yù)報(bào)包含多個(gè)成員和更長的預(yù)報(bào)時(shí)效。表1對(duì)目前中央氣象臺(tái)和全國各省級(jí)氣象臺(tái)目前使用的5個(gè)集合預(yù)報(bào)模式的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)。

表1 集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)文件特征Table 1 Characteristics of ensemble forecast data

由表1可見，集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)量大和延時(shí)時(shí)間長是兩個(gè)最突出的問題。首先，目前投入業(yè)務(wù)使用的5個(gè)模式每天數(shù)據(jù)量為189.06 GB，其中T639模式因分辨率高且地理范圍大而數(shù)據(jù)量最大。其次，數(shù)據(jù)延時(shí)時(shí)間較長，其中又以預(yù)報(bào)員最為看重的EC模式的時(shí)間延時(shí)最長，超過8 h。因此，集合預(yù)報(bào)平臺(tái)必須具備在盡可能短的時(shí)間內(nèi)迅速處理海量數(shù)據(jù)的能力。

1.1.2 可視化和產(chǎn)品生成

氣象數(shù)據(jù)可視化一直是氣象業(yè)務(wù)軟件平臺(tái)研究的核心技術(shù)。針對(duì)集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)量大、圖形顯示形式多樣化的特點(diǎn)，該軟件平臺(tái)需要提供基于圖形處理器(GPU)硬件加速的快速可視化能力，以及包括天氣系統(tǒng)圖、郵票圖、面條圖、煙羽圖、箱須圖、玫瑰圖等在內(nèi)的多種圖形顯示功能。

在現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)中，氣象圖表除供預(yù)報(bào)員分析天氣系統(tǒng)使用外，還被用于公共氣象服務(wù)、氣象決策等多方面。因此，除了圖形顯示性能之外，圖形顯示質(zhì)量也是軟件平臺(tái)必須研究的關(guān)鍵技術(shù)。此外，常用的氣象圖表需要每天由系統(tǒng)自動(dòng)生成，而不是由業(yè)務(wù)人員手動(dòng)生成。如針對(duì)MICAPS系統(tǒng)圖形質(zhì)量有待進(jìn)一步提高問題，國家氣象中心研發(fā)了基于商業(yè)軟件ArcGIS的氣象服務(wù)決策信息系統(tǒng)MESIS[21]，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量氣象圖表的自動(dòng)生成。然而，基于ArcGIS開發(fā)的MESIS平臺(tái)在省市級(jí)氣象臺(tái)推廣存在成本高的問題。此外，現(xiàn)有的通用GIS軟件平臺(tái)還沒有專門的氣象專用符號(hào)庫、顏色集、產(chǎn)品制作模板等。因此，開發(fā)一個(gè)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，成本低，內(nèi)嵌氣象專用符號(hào)、配色和模板的圖形可視化模塊也是平臺(tái)中必不可少的一項(xiàng)工作。

1.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，集合預(yù)報(bào)平臺(tái)以客戶端服務(wù)器(CS)架構(gòu)設(shè)計(jì)，由服務(wù)器端和客戶端兩個(gè)部分組成，客戶端又包括可視化交互程序和平臺(tái)配置管理程序。

圖1 集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of ensemble forecast platform

集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的后臺(tái)服務(wù)器端主要是一個(gè)數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品制作程序，其功能是將國家氣象信息中心的集合預(yù)報(bào)原始數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為以MICAPS或者WMO GRIB數(shù)據(jù)格式編碼的集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件，以提高前端交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率。集合預(yù)報(bào)數(shù)值模式輸出的文件通常以WMO GRIB格式編碼，由于文件中包含大量的天氣要素、集合成員、多個(gè)時(shí)次和層次的信息，因此，文件較大。如果客戶端程序直接對(duì)集合預(yù)報(bào)原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理，那么由于解碼、數(shù)據(jù)提取、統(tǒng)計(jì)分析、產(chǎn)品生成等處理過程所用的時(shí)間較長，必定造成預(yù)報(bào)員工作效率降低。目前的解決方法是通過后臺(tái)處理程序?qū)⒃紨?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)特定產(chǎn)品(如集合統(tǒng)計(jì)量、郵票圖、箱須圖等)、天氣要素(氣壓、溫度等)、時(shí)次和層次的數(shù)據(jù)文件，以提高前端客戶端程序的執(zhí)行效率。

客戶端包括集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可視化交互程序和平臺(tái)配置管理程序。其中，可視化交互程序?qū)崿F(xiàn)集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件的解析、多模式融合、可定制的地理信息顯示、基于圖層的產(chǎn)品可視化顯示、圖層交互屬性設(shè)置以及氣象圖表的自動(dòng)輸出功能。其功能既可以由預(yù)報(bào)員交互完成，也可以通過配置模板讓程序自動(dòng)完成。

平臺(tái)配置管理程序?yàn)橛脩籼峁┝送ㄟ^圖形界面配置集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的所有參數(shù)，包括用戶自定義選項(xiàng)，數(shù)據(jù)源路徑、圖層顯示屬性(配色、標(biāo)題、圖例等)、地圖投影參數(shù)以及自動(dòng)出圖模板的功能，避免了用戶手工修改配置文件所帶來的繁瑣和易錯(cuò)問題。

1.3 運(yùn)行流程

在集合預(yù)報(bào)平臺(tái)開發(fā)的同時(shí)，國家氣象信息中心建設(shè)了集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與應(yīng)用支持系統(tǒng)，通過購置硬件數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)海量數(shù)據(jù)在國家級(jí)和省級(jí)的有效存儲(chǔ)和傳輸。此外，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的問題，國家氣象信息中心在提供全球數(shù)據(jù)資料的同時(shí)，還下發(fā)經(jīng)過裁減后的中國臨近區(qū)域資料，并以ftp和CMACast兩種形式下發(fā)到省臺(tái)。這些工作保證了集合預(yù)報(bào)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)處理任務(wù)執(zhí)行前，模式數(shù)據(jù)文件能夠按時(shí)到位。

圖2給出了我國集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的總體組織結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)操作流程。首先由國家氣象信息中心進(jìn)行集合預(yù)報(bào)原始數(shù)據(jù)的采集，將原始的全球數(shù)據(jù)和裁剪后的區(qū)域數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器中。通過CMACast廣播或者ftp下載兩種方式將數(shù)據(jù)下發(fā)到中央氣象臺(tái)和省級(jí)氣象臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)器上。集合預(yù)報(bào)平臺(tái)處理數(shù)據(jù)并生成3種產(chǎn)品：常規(guī)產(chǎn)品包括郵票圖、概率預(yù)報(bào)等主要集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品，圖片產(chǎn)品是根據(jù)氣象圖表制作模板自動(dòng)生成的圖像文件，交互制作產(chǎn)品指預(yù)報(bào)員通過客戶端程序以交互的方式生成集合預(yù)報(bào)圖層。

圖2 我國集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)總體組織結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)操作流程Fig.2 The structure of national ensemble forecast operation system and flow of ensemble data

1.4 功能設(shè)計(jì)

1.4.1 原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品數(shù)據(jù)

集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序具備WMO GRIB數(shù)據(jù)文件的解碼功能，同時(shí)在轉(zhuǎn)換過程中根據(jù)用戶設(shè)置進(jìn)行區(qū)域裁減。目前支持的集合預(yù)報(bào)模式有歐洲中心ECMWF-ENS、中國的T213-GEPS、T639-GEPS和GRAPES_MESO-REPS、美國的NCEP-GEFS和加拿大的CMC-GEPS。計(jì)算輸出的物理量有海平面氣壓、位勢(shì)高度、溫度、風(fēng)、相對(duì)濕度、垂直速度、比濕、降水、天空云量、對(duì)流有效位能。集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品包括統(tǒng)計(jì)量(平均值、離散度、最小值、最大值、中位數(shù))、概率預(yù)報(bào)、郵票圖、面條圖、箱須圖和煙羽圖。

考慮到第1.1.1節(jié)中討論的集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)量大和延時(shí)時(shí)間長的問題，數(shù)據(jù)處理程序針對(duì)64位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用多線程并發(fā)執(zhí)行方式，以縮短處理時(shí)間。

1.4.2 多模式集成

多個(gè)確定性數(shù)值預(yù)報(bào)模式按照預(yù)先給定的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行融合。集合預(yù)報(bào)平臺(tái)會(huì)根據(jù)數(shù)值模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果給出建議的權(quán)重融合系數(shù)，同時(shí)為用戶提供以交互方式更改權(quán)重融合系數(shù)的功能。

1.4.3 基本的地理信息功能

集合預(yù)報(bào)平臺(tái)中集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可視化交互程序提供常用的地理信息功能，包括地形、城市名稱，洲際、國家、地市級(jí)邊界顯示，底圖的縮放與漫游，地圖投影參數(shù)設(shè)置，根據(jù)比例尺大小分級(jí)顯示，給定區(qū)域內(nèi)顯示功能。

1.4.4 數(shù)據(jù)可視化顯示與用戶交互分析功能

集合預(yù)報(bào)平臺(tái)中集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可視化交互程序支持集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的多種顯示方式，包括等值線圖、填色的等值線圖、面條圖、郵票圖、風(fēng)場(chǎng)流線圖、風(fēng)羽圖、站點(diǎn)序列箱須圖和煙羽圖。所有圖形顯示均以圖層的方式進(jìn)行組織和管理，實(shí)現(xiàn)多模式、多要素的圖層疊加。圖層操作包括顯示、隱藏、刪除、導(dǎo)出數(shù)據(jù)和屬性修改。

系統(tǒng)提供按照時(shí)間序列跳轉(zhuǎn)到指定預(yù)報(bào)時(shí)效、前后翻頁和動(dòng)畫功能，其中，翻頁時(shí)間步長和動(dòng)畫時(shí)間間隔可定制。

靈活的可配置性也是集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的一個(gè)特色。用戶可以設(shè)置集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件的存放路徑，顯示或者隱藏交互子窗口。程序提供了交互式的產(chǎn)品制作方式。交互選項(xiàng)包括起報(bào)時(shí)間和預(yù)報(bào)時(shí)效的設(shè)置、模式選擇與融合系數(shù)的調(diào)整、選擇產(chǎn)品種類和子類、天氣要素及層次。與站點(diǎn)序列有關(guān)的圖層可以從地圖上選擇站點(diǎn)。所有用戶設(shè)置均被保存于配置文件。在下一次用戶會(huì)話中，程序?qū)⒆詣?dòng)讀取配置文件的內(nèi)容，從而恢復(fù)上一次會(huì)話設(shè)置。

1.4.5 頁面布局設(shè)置與后臺(tái)自動(dòng)出圖功能

集合預(yù)報(bào)平臺(tái)中集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可視化交互程序增加了自動(dòng)出圖功能。用戶使用集合預(yù)報(bào)平臺(tái)配置管理程序，通過配置集合預(yù)報(bào)圖表對(duì)應(yīng)的模板內(nèi)容，包括預(yù)報(bào)時(shí)效、預(yù)報(bào)時(shí)段長度、模式中心、天氣要素、產(chǎn)品顯示方式、產(chǎn)品類別、產(chǎn)品參數(shù)、層次，可以方便地指定自動(dòng)輸出的圖表文件。以后臺(tái)定時(shí)作業(yè)的方式在指定的時(shí)間得到圖形產(chǎn)品文件。

2 集合預(yù)報(bào)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開發(fā)方法

集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用層次化、模塊化設(shè)計(jì)方法。使用C++語言開發(fā)，具有原生程序所特有的速度快、系統(tǒng)資源需求低的優(yōu)點(diǎn)。用戶界面使用Qt庫以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)，能夠運(yùn)行在Windows，Linux和SGI Irix操作系統(tǒng)上。采用OpenGL硬件加速顯示技術(shù)，以提高圖形圖像渲染速度。資料分析中的物理量計(jì)算、等值線分析、流線分析、集合成員統(tǒng)計(jì)和概率計(jì)算等均使用自主技術(shù)。

2.2 輪詢式數(shù)據(jù)處理

在服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理程序的早期實(shí)現(xiàn)中，采用了集中式處理方法，即所有數(shù)據(jù)文件到齊后一起處理，該方法的缺點(diǎn)是產(chǎn)品文件時(shí)效性差，因此，改為輪詢式處理方法。與集中式處理相比，輪詢式處理方法對(duì)應(yīng)的算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，需要處理以下問題：①需要具備自我恢復(fù)功能。由于輪詢式處理程序需要長時(shí)間保持運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)程序異常退出時(shí)，需要重新啟動(dòng)。本文采用方法是定時(shí)啟動(dòng)腳本程序檢查處理程序進(jìn)程是否存在。②檢測(cè)新文件的出現(xiàn)和已有文件是否被更新。為此，程序內(nèi)部需要維護(hù)一個(gè)文件列表，列表中保存所有文件的屬性，包括名稱、最新修改時(shí)間、大小等。③時(shí)間序列產(chǎn)品的數(shù)據(jù)緩存。對(duì)于箱須圖、煙雨圖這種時(shí)間序列產(chǎn)品，程序內(nèi)部需要保存已有的計(jì)算結(jié)果。④防止文件更新線程與數(shù)據(jù)處理線程之間產(chǎn)生鎖死。由于數(shù)據(jù)處理采用多線程，因此，程序需要保證主線程的文件更新檢測(cè)與輔助線程的數(shù)據(jù)處理沒有沖突。這里采用生產(chǎn)者消費(fèi)者互斥方法。

2.3 頁面布局顯示技術(shù)

生成高質(zhì)量的氣象圖表，需要對(duì)所有圖形要素進(jìn)行分類并給出每一類特有的顯示屬性。圖形要素包括以圖層方式組織的圖形對(duì)象、標(biāo)題、圖例、插圖、坐標(biāo)及其說明文字等。顯示屬性包括位置、大小、配色等。本文將圖形要素在程序窗口中的顯示位置與大小稱為頁面布局。

某些氣象信息可視化軟件(如MICAPS)沒有頁面布局功能。這時(shí)底圖充滿整個(gè)窗口，一些必要的圖形要素(如圖例、插圖等)直接疊加顯示在底圖上。這種傳統(tǒng)顯示方式的優(yōu)點(diǎn)在于顯示區(qū)域面積較大，從而給用戶傳達(dá)的信息量也較大。集合預(yù)報(bào)平臺(tái)客戶端可視化程序保留了這種傳統(tǒng)的顯示方式，并稱之為看圖模式。同時(shí)新增了包括頁面布局顯示功能的出圖模式。

圖3為出圖模式下的顯示效果。窗口上方為標(biāo)題區(qū)，右側(cè)為圖例區(qū)，中間為畫布(Canvas)區(qū)。畫布區(qū)左側(cè)和下方分別是縱坐標(biāo)文字區(qū)和橫坐標(biāo)文字區(qū)。

圖3 出圖模式下的顯示效果Fig.3 The rendering result in map export view

標(biāo)題區(qū)顯示標(biāo)題，客戶端程序允許用戶設(shè)置主標(biāo)題和副標(biāo)題的內(nèi)容，同時(shí)指定字體、字號(hào)、字型，顏色，方位走向。圖例區(qū)顯示圖形對(duì)象的圖例，常見的圖例有填色等值線，地形圖、衛(wèi)星云圖和雷達(dá)拼圖紋理的色斑條，天氣圖表中的符號(hào)說明等。用戶可以設(shè)置色斑條的樣式、方位和色斑條中的每個(gè)分段的顏色與文字。畫布區(qū)顯示所有圖層對(duì)象，在看圖模式下畫布區(qū)充滿整個(gè)窗口?？v坐標(biāo)文字區(qū)為縱坐標(biāo)的文字說明，當(dāng)畫布區(qū)顯示地圖時(shí)，通常使用緯線的刻度值作為縱坐標(biāo)文字。橫坐標(biāo)文字區(qū)為橫坐標(biāo)的文字說明，當(dāng)畫布區(qū)中顯示地圖時(shí)，通常使用經(jīng)線的刻度值作為橫坐標(biāo)文字。

用戶可以通過用戶界面控件在兩種布局視圖中進(jìn)行一鍵式切換，并使用“頁面布局設(shè)置”對(duì)話框改變以上5個(gè)區(qū)域的位置和大小。除橫坐標(biāo)文字區(qū)和縱坐標(biāo)文字區(qū)通常位于畫布區(qū)下方和兩側(cè)外，其余區(qū)域中任意兩個(gè)區(qū)域之間可以相交或者重合。

除了頁面布局顯示外，客戶端可視化程序還提供了將顯示內(nèi)容以圖像文件的形式保存到磁盤或者系統(tǒng)剪貼板的功能。這樣，預(yù)報(bào)員可以輕松地將圖形粘貼到字處理和演示軟件中(如圖3所示)。

2.4 集合預(yù)報(bào)平臺(tái)配置管理

在集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，中央氣象臺(tái)、省級(jí)氣象臺(tái)、地縣級(jí)氣象臺(tái)站之間存在工作重點(diǎn)各異，數(shù)據(jù)環(huán)境不一致以及預(yù)報(bào)產(chǎn)品服務(wù)對(duì)象不同等多方面的差異。為了滿足特殊需求，集合預(yù)報(bào)平臺(tái)本身以配置文件的形式為用戶提供了大量參數(shù)。然而，配置文件的存在也給用戶帶來了維護(hù)上的壓力。為此，在1.1版本中新增了“集合預(yù)報(bào)管理”程序(圖4)，該程序?yàn)橛脩籼峁┝送ㄟ^圖形界面配置集合預(yù)報(bào)平臺(tái)所有參數(shù)的功能，避免了手工修改配置文件所帶來的繁瑣和易錯(cuò)問題。

圖4 集合預(yù)報(bào)管理程序中的圖像文件輸出和數(shù)據(jù)文件管理功能Fig.4 Product image export and file management features by the ensemble forecast management program

集合預(yù)報(bào)管理程序包括圖像文件輸出和數(shù)據(jù)文件管理兩個(gè)功能。圖像文件輸出即自動(dòng)出圖，根據(jù)業(yè)務(wù)需要每天定時(shí)生成產(chǎn)品圖像文件。表格中每一行對(duì)應(yīng)了某一產(chǎn)品圖像文件的模板，包括預(yù)報(bào)時(shí)效、預(yù)報(bào)時(shí)段長度、模式中心、天氣要素、產(chǎn)品顯示方式、產(chǎn)品類別、產(chǎn)品參數(shù)、層次共8個(gè)參數(shù)。用戶可以直接在單元格中修改模板參數(shù)。數(shù)據(jù)文件管理主要是設(shè)置產(chǎn)品文件在用戶數(shù)據(jù)服務(wù)器上的保留時(shí)間，免除了用戶手動(dòng)刪除文件的麻煩。

3 集合預(yù)報(bào)平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用

2013年9月集合預(yù)報(bào)平臺(tái)正式在中央氣象臺(tái)和省級(jí)氣象臺(tái)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。經(jīng)過持續(xù)的維護(hù)、升級(jí)和推廣，該平臺(tái)已經(jīng)成為氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)重要的支持工具之一，并成為推動(dòng)氣象現(xiàn)代化建設(shè)的重要增長點(diǎn)。在定量降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，預(yù)報(bào)員通過多種降水的統(tǒng)計(jì)量產(chǎn)品分析降水的不確定性、極端值以及最有可能出現(xiàn)的預(yù)報(bào)結(jié)果。中期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，預(yù)報(bào)員利用集合產(chǎn)品制作未來10 d的天氣預(yù)報(bào)，并分析環(huán)流形勢(shì)的不確定性，判別持續(xù)異常或轉(zhuǎn)折性天氣。此外，集合預(yù)報(bào)10～15 d產(chǎn)品和月預(yù)報(bào)產(chǎn)品成為延伸期預(yù)報(bào)的主要參考。災(zāi)害性天氣業(yè)務(wù)中，預(yù)報(bào)員借助要素概率、極端天氣指數(shù)進(jìn)行災(zāi)害性天氣早期預(yù)警；站點(diǎn)預(yù)報(bào)保障業(yè)務(wù)中，單點(diǎn)箱須圖、煙羽圖等產(chǎn)品成為預(yù)報(bào)員參考最多的產(chǎn)品；臺(tái)風(fēng)海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，集合預(yù)報(bào)提供關(guān)于路徑預(yù)報(bào)的不確定性、最有可能路徑預(yù)報(bào)、強(qiáng)度變化時(shí)序等重要參考。強(qiáng)對(duì)流潛勢(shì)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，集合預(yù)報(bào)提供的對(duì)流參數(shù)概率產(chǎn)品成為強(qiáng)對(duì)流概率預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)產(chǎn)品的重要參考之一。此外，集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品成為全國早間天氣會(huì)商中預(yù)報(bào)首席參考的主要產(chǎn)品之一。圖5是該系統(tǒng)在業(yè)務(wù)應(yīng)用中顯示箱須圖時(shí)的運(yùn)行實(shí)例。

圖5 集合預(yù)報(bào)平臺(tái)在天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用中顯示箱須圖時(shí)的運(yùn)行實(shí)例Fig.5 The box-whisker graphics rendered in ensemble forecast platform for weather forecast operation

4 小 結(jié)

本文從軟件開發(fā)設(shè)計(jì)角度對(duì)集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)討論：

1) 集合預(yù)報(bào)平臺(tái)軟件系統(tǒng)采用客戶端服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)，服務(wù)端器的數(shù)據(jù)處理程序?qū)⒑Ａ考项A(yù)報(bào)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品數(shù)據(jù)以提高客戶端程序的執(zhí)行效率?？蛻舳丝梢暬换コ绦?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分析顯示和氣象圖表的輸出。配置管理程序通過圖形界面為用戶提供了配置集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的所有參數(shù)和自動(dòng)出圖模板的功能。

2) 針對(duì)我國各氣象臺(tái)站計(jì)算機(jī)硬件資源差異較大的實(shí)際情況，集合預(yù)報(bào)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)支持。

3) 為提高集合預(yù)報(bào)平臺(tái)的圖表輸出質(zhì)量，提出了獨(dú)具創(chuàng)新性的頁面布局顯示技術(shù)，通過對(duì)圖形對(duì)象、標(biāo)題、圖例、插圖等要素的靈活配置和一鍵式便捷操作，供預(yù)報(bào)員高效生成高質(zhì)量氣象圖表。

4) 集合預(yù)報(bào)信息有效提煉也是提高氣象業(yè)務(wù)人員工作效率的有效手段。集合預(yù)報(bào)平臺(tái)集成了現(xiàn)代的集合預(yù)報(bào)算法和圖形圖像顯示技術(shù)，支持常用的集合統(tǒng)計(jì)、概率統(tǒng)計(jì)、郵票圖、面條圖、煙羽圖、箱須圖等多種產(chǎn)品。

今后，集合預(yù)報(bào)平臺(tái)將增加國內(nèi)外集合預(yù)報(bào)研究發(fā)展的最新成果，支持本地化二次開發(fā)和插件，增加對(duì)臺(tái)風(fēng)海洋、強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)等專業(yè)預(yù)報(bào)的支持，建立集合預(yù)報(bào)檢驗(yàn)功能，進(jìn)一步完善交互功能和效率。

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Research and Implementation of Ensemble Forecast Product Analysis and Display Platform

Yu Lianqing Li Yuean Gao Song Luo Bing

(NationalMeteorologicalCenter,Beijing100081)

In response to the impendent requirement of ensemble forecast applications in modern weather forecast operations, an ensemble forecast product analysis and display platform named NUMBERS (NUmerical Model Blending and Ensemble foRecast System) is developed. The application background, requirement analysis, design of system architecture and function implementation are discussed in details. In addition, some key technologies such as dynamic page layout rendering and data pooling, are also described.

First of all, the ensemble forecast platform is designed using the client-server architecture. On the server side, there is a data processing program that converts large amounts of ensemble numerical model output into product data to ensure the performance of client data visualization program. On the client side, there is a data visualization program and a management console program. The data visualization program provides features including ensemble product data analysis, blending of multiple deterministic models, customized geographic information service, layer-based graphics rendering, interactive configuration of graphics layers, and exporting of weather maps. The management console program provides a unified user interface to help users manage all settings of the platform.

As there is a large difference in computing resource throughout the meteorology department, the ensemble forecast platform is designed to be cross-platform by employing a modular and stratified design approach with C++ is programming language.

In order to enhance graphics rendering quality of weather maps, an innovative page layout rendering technique is proposed, allowing a flexible configuration of graphics elements like layers, titles and legends and creation of professionally-looking weather maps.

As an effective abstraction of ensemble data may significantly improve working efficiency of forecasters, advanced ensemble prediction algorithms and graphics rendering technologies are incorporated into the platform, which support nearly all popular products including statistics quantities, probability forecast, stamps, spaghetti, plume and box-whiskers.

Since September 2013, the platform has been put into operation in central meteorological observatory and nearly all observatories of province capitals. Ever since, the platform is further improved by adding new features and fixing bugs based on user feedbacks.

In the future, the platform will be improved by incorporating the latest algorithms in ensemble prediction, enhancing support for professional forecast such as typhoon track prediction and short-term strong weather prediction, introducing ensemble prediction validation and improving interactive performance. Furthermore, all the features of the platform will be incorporated into the fourth edition MICAPS, which will play an important role in flourishing China ensemble forecast applications and improving operational capability.

ensemble forecast; model blending; uncertainty weather forecast

10.11898/1001-7313.20150313

全國集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)(一期)

于連慶,李月安,高嵩,等. 集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品綜合分析顯示平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn). 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(3)：369-377.

2014-11-06收到， 2015-01-13收到再改稿。

* email: yulq@cma.gov.cn