李濤 劉俊宏 李亞玲

摘? 要： GPS-MET探測(cè)精度較高，并且能進(jìn)行全天候觀測(cè)，所以歷來(lái)受到氣象部門(mén)的高度重視。文章針對(duì)四川省氣象局現(xiàn)有GPS-MET站點(diǎn)和地震局共享的站點(diǎn)，根據(jù)四川的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)處理流程，研究地震局站點(diǎn)數(shù)據(jù)和氣象部門(mén)站點(diǎn)數(shù)據(jù)在現(xiàn)有的氣象通信系統(tǒng)上統(tǒng)一數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)融合的方法，并提供上行傳輸和共享服務(wù)，為數(shù)據(jù)解碼應(yīng)用和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究提供可靠數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞： GPS-MET; 氣象通信系統(tǒng); 數(shù)據(jù)整合; 共享服務(wù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P413? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2018）12-01-02

Abstract： GPS-MET detection is highly accurate and can be observed in all-weather， so it has always been highly valued by the meteorological department. This paper focuses on the existing GPS-MET stations of Sichuan Meteorological Bureau and the stations shared by the Seismological Bureau. Based on the actual situation of Sichuan and the data processing， this paper studies the method of unified data integration and data fusion on the meteorological communication system， and provides uplink transmission and sharing services， which provides reliable data support for the data decoding application and numerical weather prediction research.

Key words： GPS-MET; meteorological communication system; data integration; shared services

0 引言

水汽在大氣能量循環(huán)和天氣系統(tǒng)演變中起著很重要的作用，它也是災(zāi)害性天氣形成和發(fā)展的重要因素。雖然目前水汽探測(cè)手段有很多，但總是存在諸多限制。伴隨著GPS技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，研究人員也愈來(lái)愈關(guān)注GPS水汽數(shù)據(jù)在大氣研究和天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。研究表明：GPS探測(cè)與其他探測(cè)手段相比，具有高時(shí)效性、時(shí)間分辨率高、易于維護(hù)和更新、費(fèi)用較低、全天候觀測(cè)、受大氣中氣溶膠粒子影響較小等優(yōu)點(diǎn)。因此GPS探測(cè)技術(shù)[1-3]的這些優(yōu)點(diǎn)使其能對(duì)大氣進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并且豐富了現(xiàn)有的大氣探測(cè)手段，對(duì)完善氣象預(yù)測(cè)系統(tǒng)以及加強(qiáng)短臨天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)有積極意義，而且對(duì)重大天氣預(yù)報(bào)預(yù)警和氣候預(yù)測(cè)具有促進(jìn)作用。

目前氣象部門(mén)的GPS站點(diǎn)建設(shè)很有限，但是地震部門(mén)和測(cè)繪部門(mén)也有站點(diǎn)建設(shè)，考慮到部門(mén)間的數(shù)據(jù)共享，就可以把這些GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的整合和融合，然后在部門(mén)間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。本文針對(duì)于地震部門(mén)和氣象部門(mén)的GPS-MET數(shù)據(jù)，把兩者在氣象通信系統(tǒng)上進(jìn)行集中整合處理，形成規(guī)范的數(shù)據(jù)文件，提供給后端進(jìn)行數(shù)據(jù)反演、解碼和共享應(yīng)用，并且為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)輸入。

1 GPS-MET的原理

GPS衛(wèi)星的核心是一個(gè)高質(zhì)量的振蕩發(fā)射器，發(fā)射的L波段無(wú)線電波信號(hào)，根據(jù)發(fā)射頻率不同有兩種：L1（1.575 42 GHz）和L2（1.227 6 GHz）。無(wú)線電波在穿過(guò)大氣層時(shí)受到電離層電子作用以及對(duì)流層大氣對(duì)電波的折射作用，引起電波速度減弱或者傳播路徑發(fā)生改變，從而造成電波信號(hào)的延遲。受到電離層影響的部分稱(chēng)為電離層延遲，受到對(duì)流層大氣影響的部分稱(chēng)為對(duì)流層延遲。對(duì)流層延遲的主要原因是：大氣中自由干燥氣體對(duì)電波的折射，且大氣中的水汽也可以引起電波傳播的延遲。因此，利用GPS處理軟件可以估計(jì)對(duì)流層延遲，然后通過(guò)對(duì)這種延遲的監(jiān)測(cè)來(lái)反演大氣折射率情況，然后來(lái)實(shí)現(xiàn)遙感大氣中可降水量。

2 GPS-MET數(shù)據(jù)應(yīng)用和整合

2.1 GPS數(shù)據(jù)的應(yīng)用

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（Numerical Weather Prediction）越來(lái)越占有很大的分量，但是它在制作過(guò)程中必須用三維溫、壓、濕和風(fēng)數(shù)據(jù)作為初始值，然后進(jìn)行演算。目前，提供這些初始化數(shù)據(jù)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空密度限制了預(yù)報(bào)模式的精度。目前探空資料一天兩到三個(gè)時(shí)次，時(shí)空的密集程度遠(yuǎn)不能滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的要求。氣象衛(wèi)星的資料雖可以進(jìn)行反演，但有限的分辨率使得它們難以對(duì)預(yù)報(bào)模式有較大的影響。借助于GPS-MET站點(diǎn)探測(cè)距離較遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，并可進(jìn)行全天候的連續(xù)探測(cè)，加上觀測(cè)值的高精度和高垂直分辨率[4-5]，使得數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的精度提高變?yōu)榭赡堋?/p>

2.2 GPS數(shù)據(jù)的整合

由于氣象部門(mén)GPS站點(diǎn)較少，提供的數(shù)據(jù)很有限?？紤]到綜合效益和數(shù)據(jù)共享，把地震部門(mén)共享的GPS數(shù)據(jù)也納入整合。首先，在共享服務(wù)器獲取地震局?jǐn)?shù)據(jù)，然后把該數(shù)據(jù)和氣象局自建站數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)上進(jìn)行統(tǒng)一整合處理，整合總體流程見(jiàn)圖1。

在設(shè)計(jì)中為了內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全，選擇DMZ區(qū)的共享服務(wù)器作為外網(wǎng)接入中間過(guò)渡，在相關(guān)網(wǎng)絡(luò)防火墻上進(jìn)行訪問(wèn)控制的設(shè)定，充分隔離外網(wǎng)，保證內(nèi)網(wǎng)接入的安全。氣象部門(mén)站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)直接接入氣象通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行統(tǒng)一的文件規(guī)整處理。o文件即為觀測(cè)文件;m文件是數(shù)據(jù)文件（該文件需要和自動(dòng)站數(shù)據(jù)文件進(jìn)行匹配）;n文件為導(dǎo)航文件[6]。導(dǎo)航文件和觀測(cè)文件為站臺(tái)自動(dòng)上傳，數(shù)據(jù)文件則需要根據(jù)該站點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)、氣壓數(shù)據(jù)和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行生成，該文件生成有兩種方法：①通過(guò)解碼氣象站的Z文件，獲取溫度、氣壓和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，然后生成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)文件;②通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件。本文使用第一種方法生成m文件，數(shù)據(jù)文件名命名格式是ccccdddl.yrm（注：cccc代表站臺(tái)代碼;ddd代表一年中的日數(shù);l代表一天的小時(shí)，由A～X表示;yr表示年份后兩位）。生成m文件算法結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

在整合目錄中對(duì)文件處理流程為：①判斷同一個(gè)站前一個(gè)時(shí)次的GPS上傳文件是否為空，如果某一個(gè)文件為空，則該文件不予整合，對(duì)不為空的文件進(jìn)行整合。②判斷包中o文件、n文件和m文件是否齊全，齊全的包直接進(jìn)入發(fā)送目錄并進(jìn)行原始文件留底，三個(gè)文件不全的包則會(huì)等待缺失文件再進(jìn)行追加打包，再走發(fā)送流程。整合流程見(jiàn)圖3。

2.3 整合數(shù)據(jù)的監(jiān)控

通過(guò)對(duì)程序的充分測(cè)試和GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，整合數(shù)據(jù)符合中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)后端系統(tǒng)一致性檢查和反演計(jì)算，數(shù)據(jù)完整性達(dá)到應(yīng)用要求，整個(gè)數(shù)據(jù)整合試驗(yàn)結(jié)果表明整合方案切實(shí)可行。GPS-MET數(shù)據(jù)整合監(jiān)控顯示如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

GPS技術(shù)在氣象學(xué)領(lǐng)域的研究目前還處于初步發(fā)展階段，隨著GPS技術(shù)發(fā)展和其他氣象探測(cè)資料的綜合利用，將會(huì)更有效地提高GPS數(shù)據(jù)的精確度。本文通過(guò)把氣象部門(mén)和地震部門(mén)的GPS資料進(jìn)行整合和統(tǒng)一處理，提高數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用的能力，研究成果已經(jīng)在四川省氣象局投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，為四川GPS數(shù)據(jù)反演解算及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究提供較強(qiáng)的數(shù)據(jù)支持。

在高并發(fā)處理數(shù)據(jù)方面，本文方法還有需改進(jìn)的方面。一是處理程序的并發(fā)流程有待優(yōu)化;二是高并發(fā)中的數(shù)據(jù)精確度需要進(jìn)一步提高。

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