張偉強(qiáng)，招偉文，伍淑瑜

(1.廣東省佛山市順德區(qū)氣象局，廣東 佛山 528300；2.廣東省佛山市順德區(qū)突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東 佛山 528300)

1 引言

佛山市地處亞熱帶，下轄5個(gè)區(qū)，高溫、暴雨、強(qiáng)對(duì)流天氣、灰霾等是影響佛山的主要災(zāi)害性天氣[1]。為了提供氣象防災(zāi)的精細(xì)化水平，2015年起佛山氣象系統(tǒng)實(shí)行分鎮(zhèn)街發(fā)布?xì)庀箢A(yù)警，即預(yù)警信號(hào)由原來以區(qū)為單位發(fā)布，細(xì)化至以鎮(zhèn)(街道)為單位發(fā)布。對(duì)于天氣預(yù)報(bào)員來說，由5個(gè)區(qū)擴(kuò)展為32個(gè)鎮(zhèn)(街道) ，預(yù)警發(fā)布的難度大大提高。為便于預(yù)報(bào)員能及時(shí)、迅速地評(píng)估氣象要素分布，盡快判斷是否需要發(fā)布?xì)庀箢A(yù)警信號(hào)，迫切需要將佛山市境內(nèi)190多個(gè)自動(dòng)氣象站資料加工成可視的、直觀的、美化的圖形信息。

Surfer是一款非常流行的二、三維數(shù)據(jù)處理和顯示軟件，具有使用方便、繪圖美觀的特點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)[2-6]，其提供的.net編程接口，可以運(yùn)用C#、VB等多種編程語言實(shí)現(xiàn)自動(dòng)等值線繪圖。由于Surfer繪圖步驟繁瑣，出圖效率較低，鄧霞君等人認(rèn)為其難以滿足批量繪圖需求[2]。佛山市氣象要素等值線動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)通過優(yōu)化架構(gòu)，減少批量處理過程中的重復(fù)運(yùn)算，提高自動(dòng)化批量繪制等值線的效率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示氣象要素的實(shí)時(shí)分布。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和Surfer軟件功能，使用C#編程語言、Html + JavaScript技術(shù)，結(jié)合預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)工作情況，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

①固定繪圖區(qū)域。等值線圖一般以行政區(qū)域?yàn)槔L圖范圍，摒棄周邊的信息，即Surfer繪圖中的白化過程。為了滿足市、區(qū)兩級(jí)氣象局的需要，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)繪制佛山市和五區(qū)的氣象要素等值線圖。

②繪圖要素具體。每個(gè)行政區(qū)需要繪制實(shí)時(shí)的氣溫等值線圖，以及不同時(shí)次的雨量等值線圖，方便預(yù)報(bào)員了解各時(shí)次雨量、雨強(qiáng)及雨量分布情況。

③高效率繪圖?；谝陨蟽牲c(diǎn)，系統(tǒng)最少需要批量繪制30張圖，當(dāng)遇到自動(dòng)站報(bào)文延遲的情況，需要重新繪圖，則繪圖量大，同時(shí)，天氣預(yù)警業(yè)務(wù)對(duì)于出圖效率要求高。

3 系統(tǒng)主要流程

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理、繪圖、顯示等3個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的子程序組成，經(jīng)過3個(gè)子程序先后進(jìn)行處理后，最終實(shí)現(xiàn)批量快速出圖。具體介紹如下：

①數(shù)據(jù)處理程序。自動(dòng)讀取區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)，生成Surfer用于格點(diǎn)化的xyz數(shù)值文本和用于標(biāo)注的xyn文本，并在數(shù)據(jù)庫(kù)記錄關(guān)聯(lián)信息，包括該文本表示的時(shí)間、要素類型、區(qū)域等。

②繪圖程序。定時(shí)調(diào)用Surfer軟件，利用已生成的文本繪制等值線，最終輸出到Web服務(wù)器。

③顯示程序。建立Web服務(wù)器，通過Html + JavaScript技術(shù)，將等值線圖以動(dòng)態(tài)形式進(jìn)行顯示。

4 系統(tǒng)介紹

4.1 自動(dòng)處理數(shù)據(jù)

Surfer繪制等值線圖所需要文件為xyz文本、xyn文本。其中xyz文本包括自動(dòng)站的經(jīng)度、緯度和要素值三列數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)處理程序動(dòng)態(tài)生成；xyn文本為需要在圖上標(biāo)注的站點(diǎn)經(jīng)緯度和數(shù)值(系統(tǒng)選取各區(qū)最大雨量在圖上標(biāo)注)，也需要由數(shù)據(jù)處理程序動(dòng)態(tài)生成；Surfer文件、色標(biāo)文件和邊界文件是必備固定文件。

為了避免數(shù)據(jù)處理和繪圖程序同時(shí)讀寫文本而發(fā)生沖突，文本的相關(guān)信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以提示繪圖程序是否觸發(fā)繪圖。

表1 Surfer繪圖所需文件Tab.1 Required files for Surfer drawing

4.1.1 通過IDEA讀取自動(dòng)數(shù)據(jù)并生成文本 由廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心提供的歷史一體化數(shù)據(jù)訪問平臺(tái)(Integrated Database for Easy Acess，IDEA)高度整合了海量氣象數(shù)據(jù)，通過3種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問接口向省、市、縣級(jí)氣象部門提供氣象類數(shù)據(jù)支撐[7-9]。

數(shù)據(jù)處理程序通過http的方式定時(shí)訪問IDEA平臺(tái)，獲取最新的XML格式的自動(dòng)站數(shù)據(jù)。程序讀取繪圖需要的氣溫、雨量等數(shù)據(jù)后，自動(dòng)生成xyz文本，同時(shí)讀取氣溫、雨量要素的極值，自動(dòng)生成xyn文本，作為圖上標(biāo)注數(shù)值所需。

4.1.2 對(duì)自動(dòng)站數(shù)據(jù)延遲的處理 由于通訊或其它各種原因，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別自動(dòng)站數(shù)據(jù)延遲的情況。為了兼顧效率和準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)處理程序取到足夠自動(dòng)站數(shù)據(jù)時(shí)即進(jìn)行繪圖，其后若有延遲的自動(dòng)站數(shù)據(jù)補(bǔ)充，再重新生成xyz文件，并標(biāo)示需要重新繪圖。

4.1.3 在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄文本的相關(guān)信息 生成xyz文本后，繪圖程序還需要xyz文本數(shù)據(jù)所屬的時(shí)間、要素類型以選擇色標(biāo)、行政區(qū)域，以及包含自動(dòng)站點(diǎn)個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)的xyn文本等信息。這需要建立數(shù)據(jù)表讓數(shù)據(jù)處理程序和繪圖程序?qū)崿F(xiàn)記錄與交換信息，將相關(guān)信息存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)如表2所示：

為了便于監(jiān)視數(shù)據(jù)的生成情況，數(shù)據(jù)處理程序包含監(jiān)控界面，如圖1所示：

表2 存儲(chǔ)繪圖信息的數(shù)據(jù)表Tab.2 Database table for drawing information

圖1 數(shù)據(jù)處理程序監(jiān)控界面Fig.1 Monitoring interface of Data processing program

4.2 自動(dòng)繪圖

4.2.1 C#調(diào)用Surfer繪制等值線圖 具備表1中的邊界文件、Surfer文件和色標(biāo)文件后，即可用C#語言調(diào)用Surfer軟件，利用數(shù)據(jù)處理程序生成的文本，繪制等值線圖。程序處理主要分為4個(gè)步驟：

①讀取xyz文本并使用GridData函數(shù)進(jìn)行格點(diǎn)化，生成*.grd文件。

②使用GridBlank函數(shù)，利用邊界文件對(duì)*.grd文件進(jìn)行白化。

③加載surfer文件和已白化的*.grd文件。

④使用Export2函數(shù)設(shè)置參數(shù)和輸出圖片。

流程如圖2所示：

圖2 C#調(diào)用Surfer繪圖的流程Fig.2 Surfer drawing process with C#

4.2.2 優(yōu)化繪制區(qū)級(jí)等值線的步驟 在4.2.1的繪制等值線的流程中，將離散點(diǎn)插值生成格點(diǎn)化*.grd文件是耗時(shí)較長(zhǎng)的步驟。事實(shí)上，各區(qū)的數(shù)值格點(diǎn)已包含在全市的*.grd文件中，因此只要對(duì)全市的*.grd文件再次白化即可生成各區(qū)的*.grd文件，提高繪圖效率。

使用各區(qū)的*.bln文件對(duì)全市的*.grd文件進(jìn)行白化時(shí)，除了使用GridBlank函數(shù)，還需要用SetLimits函數(shù)設(shè)定*.grd的范圍，程序代碼如下：

mapFrame.SetLimits(xMin, xMax, yMin, yMax);

上述范圍值(xMin, xMax, yMin, yMax)根據(jù)各區(qū)的*.srf文件獲得。

5 業(yè)務(wù)應(yīng)用情況

系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔，能及時(shí)、直觀地反映氣象要素分布特征，同時(shí)滿足市局和各區(qū)局預(yù)警發(fā)布、災(zāi)情評(píng)估、過程總結(jié)等工作需要。用戶體驗(yàn)良好，界面左側(cè)工具欄提供不同時(shí)次的要素與行政區(qū)域選項(xiàng)；界面下方設(shè)置氣象要素動(dòng)態(tài)播放速度條，可調(diào)整播放速度，亦可定格在各時(shí)次，自動(dòng)刷新最新時(shí)次，便于預(yù)報(bào)員對(duì)比監(jiān)視實(shí)況，極大地提高了工作效率，特別在汛期具有良好的使用價(jià)值。如圖3所示。

圖3 佛山市氣象要素分布圖：(a)佛山市24 h雨量;(b)佛山市5 min雨量Fig.3 User interface:(a)24 h precipitation of Foshan City;(b)5min precipitation of Foshan City

6 結(jié)語

系統(tǒng)結(jié)合IDEA平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)，利用C#語言和Surfer軟件進(jìn)行開發(fā)，生成最新的氣象要素等值線，高效地批量生成等值線圖，直觀地表示氣象要素的地理分布和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于預(yù)警信號(hào)的發(fā)布起到很好的參考作用。采用中央處理器為i7-6700的電腦對(duì)目前佛山190多個(gè)自動(dòng)站進(jìn)行處理，生成每張圖耗時(shí)不足1 s，足以滿足預(yù)警業(yè)務(wù)需求。通過研究Surfer軟件的白化規(guī)則，簡(jiǎn)化了繪制各區(qū)等值線圖的流程，進(jìn)一步提高效率。系統(tǒng)架構(gòu)在一定程度上具有擴(kuò)展性，例如Surfer在風(fēng)場(chǎng)表述方面有所欠缺[10]，但可以使用C#語言，利用數(shù)據(jù)處理程序獲得的數(shù)據(jù)完成風(fēng)羽圖的繪制，后續(xù)還可以增加變壓等各類氣象要素的分布圖。

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