呂玉環(huán) 魏蕾 李鑫 張昆 于紅

摘要：利用武清國家一般氣象站和28個區(qū)域自動氣象站2013—2015年的逐日常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)和2014—2016年天津市氣象臺和歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather，ECMWF）對武清站預(yù)報的最低、最高溫度數(shù)據(jù)，分析不同天氣條件下的溫度預(yù)報規(guī)律，分別建立各鎮(zhèn)街的溫度預(yù)報模型，利用得到的預(yù)報模型結(jié)果，開發(fā)完成了“武清區(qū)溫度精細(xì)化預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)”，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行。該系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測預(yù)報的查詢、顯示，精細(xì)化預(yù)報與服務(wù)產(chǎn)品制作、歷史數(shù)據(jù)管理下載、預(yù)報檢驗、用戶系統(tǒng)管理等功能，可為武清區(qū)精細(xì)化預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：溫度;服務(wù)系統(tǒng);精細(xì)化

中圖分類號：S163+.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）01-0111-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.027? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design and Application of Temperature Refinement Forecast Service System

in Wuqing District of Tianjin

LYU Yu-huan1，WEI Lei2，LI Xin1，ZHANG Kun1，YU Hong1

（1.Wuqing Meteorological Observatory of Tianjin，Tianjin 301700，China;2.Beijing Artificial Weather Influence Office，Beijing 100029，China）

Abstract： In this paper， temperature forecast discipline under different weather conditions studied with general daily meteorological observation data of Wuqing National General Weather Station and 28 regional automatic weather stations from 2013 to 2015， the forecasting data of minimum and maximum temperature for Wuqing Station by Tianjin Meteorological Observatory and ECMWF （European Centre for Medium-Range Weather） during 2014-2016，and then to derive forecast models of temperature for towns and streets. Using the results obtained，“Wuqing District Temperature Refinement Forecast Service System” was developed and operationalized. This system implements functions such as inquiry and display? of monitoring and forecasting data， refinement forecasting and production of service products， management and downloading of historical data， forecast verification， and management of user system， which provide technical support for the refinement forecast service business in Wuqing District.

Key words： temperature; service system; refinement

溫度對人們生活出行以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有很大影響，溫度預(yù)報是天氣預(yù)報的重要項目之一，也是精細(xì)化天氣預(yù)報的主要內(nèi)容，其日變化受天空狀況、天氣現(xiàn)象、日照、風(fēng)、地表狀況等因子的影響，要客觀準(zhǔn)確地預(yù)報某地某日溫度難度較大[1-3]。中國氣象局在業(yè)務(wù)技術(shù)體制改革總體方案中提出，發(fā)展完善精細(xì)化的天氣預(yù)報業(yè)務(wù)是天氣軌道業(yè)務(wù)改革的重點任務(wù)之一。目前在國內(nèi)已有許多制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低、最高氣溫預(yù)報的研究工作[4-11]。精細(xì)天氣預(yù)報包括“精”和“細(xì)”兩個方面的內(nèi)涵?！熬笔侵柑鞖忸A(yù)報要精確，準(zhǔn)確率要高，這是開展精細(xì)天氣預(yù)報的基礎(chǔ);“細(xì)”是指氣象要素和氣象及相關(guān)災(zāi)害的時間、空間分辨率以及強(qiáng)度、量級的細(xì)化程度，是精細(xì)天氣預(yù)報的主要內(nèi)容。天氣預(yù)報的精細(xì)化，是天氣預(yù)報技術(shù)發(fā)展到相對成熟階段的必然趨勢，也是目前氣象服務(wù)面臨的迫切需求。

武清區(qū)位于京津冀核心區(qū)域，是京津主通道的關(guān)鍵節(jié)點和重要樞紐，城區(qū)距北京市區(qū)71 km，距天津市區(qū)25 km，近年武清區(qū)城市發(fā)展和城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，武清區(qū)綜合實力走在了天津市前列。2013年武清區(qū)申報成為全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)，現(xiàn)代都市型農(nóng)業(yè)也發(fā)展迅速，而農(nóng)業(yè)抵御自然災(zāi)害的能力脆弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在很大程度上受到天氣的制約，這些都對氣象服務(wù)的領(lǐng)域、方式、內(nèi)容提出了更加精細(xì)化的要求。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，公眾對天氣預(yù)報準(zhǔn)確率和服務(wù)的及時性都提出了更高的要求，特別是當(dāng)前武清區(qū)面臨轉(zhuǎn)型升級、改善民生、體制創(chuàng)新的社會背景和發(fā)展需求下，在武清區(qū)開展精細(xì)化氣象服務(wù)需求十分旺盛和迫切。目前，武清區(qū)的精細(xì)化預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品還不夠豐富，尤其對于溫度預(yù)報的精細(xì)化程度不高，還沒有精細(xì)化到鎮(zhèn)街溫度的天氣預(yù)報。而溫度預(yù)報作為天氣預(yù)報的重要項目之一，由于影響溫度的因素很多，如何綜合考慮各種影響因素制作更準(zhǔn)確的溫度預(yù)報，一直是氣象部門面臨的工作難點。目前對于該區(qū)溫度預(yù)報主要還是依據(jù)常規(guī)氣象資料、上級指導(dǎo)預(yù)報以及預(yù)報員經(jīng)驗來制作，預(yù)報準(zhǔn)確率較低，這就需要建立更加完善和精細(xì)化的溫度預(yù)報系統(tǒng)。研究從該區(qū)特點出發(fā)，研究該區(qū)季節(jié)變化特征、地域差異、天空狀況要素差異等對溫度的影響，進(jìn)一步提煉鎮(zhèn)街溫度預(yù)報的規(guī)律，提高溫度預(yù)報的準(zhǔn)確率，開展精細(xì)到鎮(zhèn)街的最低、最高氣溫預(yù)報服務(wù)，填補該區(qū)溫度精細(xì)化預(yù)報業(yè)務(wù)的空白。切實滿足政府和公眾對溫度精細(xì)化服務(wù)的需求，進(jìn)一步完善該區(qū)氣象預(yù)報服務(wù)體系，提升氣象服務(wù)保障能力和水平，切實發(fā)揮氣象為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展服務(wù)的職能和作用。

1? 資料和方法

研究使用的資料來源于：①武清國家一般氣象站和武清區(qū)參與考核的28個區(qū)域自動氣象站（圖1）2013—2015年的逐日常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)（包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對濕度等）。②收集整理2014—2016年天津市氣象臺和歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather，ECMWF）對武清預(yù)報的最低、最高溫度數(shù)據(jù)。③2017年新增收集武清區(qū)域范圍內(nèi)1 km×1 km格點的未來24 h的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)（包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對濕度等）。將以上數(shù)據(jù)收集，建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，整理入庫，存檔。

在對溫度資料進(jìn)行收集整理的過程發(fā)現(xiàn)，個別站點存在溫度缺測以及出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的情況（圖2），以豆張莊站為例，豆張莊站和東蒲洼站、武清國家一般站之間的空間直線距離在10 km以內(nèi)，溫度差異不可能相差10 ℃以上，因此在實際研究中，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時使用相鄰站的最高、最低氣溫來代替補齊。

對個別站點出現(xiàn)的非正常溫度采用差值法進(jìn)行篩選訂正：假設(shè)被檢測站最高/最低氣溫為T1，同一天相鄰站最高/最低氣溫為T2，當(dāng)ΔT=|T1-T2|≥5 ℃時，認(rèn)為被檢測站溫度可疑，并對該站當(dāng)日的逐小時溫度進(jìn)行檢查，如判定為非真實值，則采用相鄰站的最高/最低氣溫代替訂正。

2? 溫度精細(xì)化預(yù)報方法研究

2.1? 武清區(qū)溫度特征

對于武清轄區(qū)范圍內(nèi)精細(xì)化到各鎮(zhèn)街溫度分布情況，利用建立在各鎮(zhèn)街的區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對2013—2015年的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析（表1）。從表1可以看出，全年氣溫統(tǒng)計在全區(qū)28個鎮(zhèn)街區(qū)域站的溫度差異并不大，2013—2015年平均最高氣溫最高的站為大堿廠站和城關(guān)鎮(zhèn)站，為19.8 ℃，年平均最高氣溫最低的站為大良鎮(zhèn)站、崔黃口站和南蔡村站，都為18.8 ℃;平均最低氣溫最高的站是王慶坨站，為9.6 ℃，平均最低氣溫最低的站是河北屯站，為7.5 ℃;日較差平均最高的站是河北屯站，為12.0 ℃，日較差平均最低的站是王慶坨站，為9.5 ℃;2013—2015年極端最高氣溫出現(xiàn)在城關(guān)鎮(zhèn)站，為43.2 ℃，極端最低氣溫出現(xiàn)在崔黃口站，為-19.5 ℃;武清本站極端最高氣溫為39.9 ℃，極端最低氣溫為-14.7 ℃。武清南部王慶坨站最低氣溫最高，且日較差最小，而武清北部崔黃口站和河北屯站最高、最低氣溫均最低，日較差較大，極端最高和最低氣溫都最小。

由武清地區(qū)2013—2015年平均最高氣溫、平均最低氣溫、日較差平均分布（圖3）可以看出，對于年平均最高氣溫，武清南部偏高，東部地區(qū)偏低;對于年平均最低氣溫，中東部地區(qū)和南部地區(qū)都較高，北部地區(qū)最低;年日較差平均氣溫則表現(xiàn)為與年平均最低氣溫分布相反，北部地區(qū)日較差較大，而東部和南部地區(qū)日較差較小。

2.2? 建立武清區(qū)溫度線性回歸模型

回歸分析是對具有相關(guān)關(guān)系的兩個變量進(jìn)行統(tǒng)計分析的一種常用方法。回歸模型的截距和斜率的最小二乘估計公式分別為：

本研究結(jié)合武清站測報報文對不同季節(jié)里晴天、多云、大風(fēng)、降水、霧霾等5種天氣條件下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分類，選取在5種天氣情況下的數(shù)據(jù)建立預(yù)報模型。通過分析2013—2015年各站每日高低溫，分別統(tǒng)計5種天氣情況樣本數(shù)量，得到晴天301 d，多云115 d、大風(fēng)149 d、降水190 d、霧霾340 d。對應(yīng)各區(qū)域自動站溫度預(yù)報，將武清本站高、低溫度作為回歸模型中的預(yù)報因子，即自變量X，其他28個站點的高低溫作為因變量Y。因此可以建立各測站高、低溫與武清本站高溫在不同天氣情況下的擬合模型。以在晴天條件下的東蒲洼站高溫為例，可以發(fā)現(xiàn)，東蒲洼站與武清本站的高溫估計模型為Y=1.569+0.962X，其中可決系數(shù)（R2）=0.98，這表明模型的擬合情況較好，東蒲洼站高溫的變化98%可由武清本站高溫來解釋。分別建立各區(qū)域站的一元線性回歸模型，結(jié)果都通過了信度為0.01的顯著性檢驗。

建立回歸模型后，需要通過檢驗回歸模型的預(yù)報效果。因此，以2016年1月至12月5種天氣情況下各測站觀測高、低溫度為檢驗樣本T，與回歸模型預(yù)報高、低溫值Tm比較，ΔT=Tm-T，當(dāng)|ΔT|≤2 ℃時，則預(yù)報準(zhǔn)確。其中選取晴天107 d、多云43 d、降水64 d、大風(fēng)65 d、霧霾87 d。經(jīng)檢驗，高溫擬合模型預(yù)報的平均準(zhǔn)確率為84.5%，低溫擬合模型預(yù)報的平均準(zhǔn)確率為77.2%，預(yù)報準(zhǔn)確率滿足業(yè)務(wù)需求，將各站的預(yù)報方程加入到系統(tǒng)的溫度自定義訂正模塊，供預(yù)報員參考。此外，各測站預(yù)報回歸模型的準(zhǔn)確率與當(dāng)時天氣現(xiàn)象及站點的地形環(huán)境密切相關(guān)，因此，武清地區(qū)溫度的訂正預(yù)報不僅要結(jié)合天氣形勢的變化，還要特別考慮復(fù)雜地形條件下的單站局地溫度變化。

3? 系統(tǒng)設(shè)計

武清區(qū)各區(qū)域氣象觀測站的監(jiān)測儀器利用傳感器自動監(jiān)測到氣象要素數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過采集器自動采集后，通過專用數(shù)據(jù)傳輸光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教旖蚴袣庀缶址?wù)器，并入庫到CIMISS數(shù)據(jù)庫，形成原始數(shù)據(jù)。通過調(diào)用CIMISS數(shù)據(jù)庫，將觀測數(shù)據(jù)建立在武清區(qū)數(shù)據(jù)庫中，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用ORACLE 11G版本，架設(shè)于Windows server 2008 R2系統(tǒng)之上，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)由多臺機(jī)器組成一個局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)庫部署在系統(tǒng)服務(wù)器上，實現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)的入庫、管理和訪問，武清精細(xì)化預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)作為一個單獨子系統(tǒng)是部署在現(xiàn)有的服務(wù)器上，通過與服務(wù)器上的格點數(shù)據(jù)和Cimiss數(shù)據(jù)的對接，直接讀取現(xiàn)有平臺的數(shù)據(jù)信息，以作為本系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源，用于系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)查詢、計算、統(tǒng)計分析等功能。整個系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖4。

3.1? 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序的關(guān)系

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫語言SQL生成。

程序在對預(yù)報預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時，需對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是數(shù)據(jù)表進(jìn)行查詢和修改。在系統(tǒng)的各個功能調(diào)用過程中都需要對數(shù)據(jù)庫中的所有表進(jìn)行聯(lián)合查詢、修改。系統(tǒng)各模塊之間，將以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝了的數(shù)據(jù)，以參數(shù)傳遞或返回值的形式在各模塊間傳輸。

3.2? 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)方法

3.3? 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要功能包括用戶登錄，精細(xì)化預(yù)報（包括溫度、濕度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速），服務(wù)產(chǎn)品制作（用戶可自定義條件，根據(jù)設(shè)置條件生成PDF文件），預(yù)報員檢驗，歷史數(shù)據(jù)查詢，用戶系統(tǒng)管理，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖6。各模塊功能如下。

3.3.1? 首頁展示模塊? 通過該模塊用戶可查看武清城鎮(zhèn)的實況、預(yù)警等信息;武清區(qū)域氣象站的實時氣象要素和積溫數(shù)據(jù);精細(xì)化到鎮(zhèn)街的未來24 h預(yù)報信息;氣象服務(wù)產(chǎn)品的查看和下載;并可通過留言板與氣象臺工作人員互動（圖7）。

3.3.2? 精細(xì)化預(yù)報制作模塊? 氣象臺當(dāng)天值班人員登陸系統(tǒng)后，分為城區(qū)預(yù)報和鎮(zhèn)街預(yù)報兩大模塊，依據(jù)天氣類型的不同選擇，預(yù)報員依據(jù)市臺一體化格點預(yù)報平臺數(shù)據(jù)以及自定義相關(guān)算法進(jìn)行參考，通過該模塊可自動計算出武清區(qū)未來24 h內(nèi)武清本站以及28個區(qū)域自動氣象觀測站的逐小時各氣象要素預(yù)報和日最高、最低溫度值，預(yù)報員可對相應(yīng)預(yù)報結(jié)果分區(qū)域勾選訂正操作。

3.3.3? 預(yù)報產(chǎn)品制作模塊? 預(yù)報員根據(jù)訂正后的預(yù)報結(jié)果，選擇專報素材進(jìn)行編輯，制作日、旬、月、年的溫度精細(xì)化預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品，結(jié)合其他觀測資料，當(dāng)出現(xiàn)高影響的災(zāi)害性天氣時，制作氣象災(zāi)害預(yù)警信息，提出氣象災(zāi)害防御措施、建議等，根據(jù)選擇的條件可自動形成相關(guān)表格，區(qū)域分布色斑圖等，并可實現(xiàn)服務(wù)產(chǎn)品的預(yù)覽、服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布、下載等功能，在服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布的同時發(fā)送到選中的郵箱用戶，將服務(wù)產(chǎn)品通過郵箱對外發(fā)布。

3.3.4? 預(yù)報檢驗?zāi)K? 對不同用戶、不同區(qū)域、氣象要素進(jìn)行分強(qiáng)度、分時間（月、季、年）的TS評分、預(yù)報準(zhǔn)確性、漏報、空報等檢驗，預(yù)報檢驗分柱狀圖、表格統(tǒng)計等，并可將統(tǒng)計結(jié)果下載。

3.3.5? 歷史資料查詢模塊? 用戶在該模塊根據(jù)查詢需要勾選“小時”、“日”、“旬”、“月”、“年”，選擇相應(yīng)的氣象要素種類后，再確定查詢數(shù)據(jù)的起始時間，根據(jù)需要選擇武清國家站和區(qū)域氣象站，點擊“查詢”后完成，并可通過“導(dǎo)出”將查詢數(shù)據(jù)導(dǎo)出Excel進(jìn)一步分析使用。

3.3.6? 用戶管理模塊? 該模塊可以對用戶進(jìn)行權(quán)限分配，包括系統(tǒng)管理、普通用戶、值班人員。不同人員權(quán)限不同，系統(tǒng)管理員可以進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)與人員管理，普通用戶可以查詢、下載數(shù)據(jù)，值班人員可以進(jìn)行預(yù)報制作、服務(wù)產(chǎn)品制作等。

4? 小結(jié)

利用武清氣象站和武清區(qū)域自動氣象觀測站溫度歷史觀測資料，分析該區(qū)溫度時空分布特征，得到不同季節(jié)、不同影響因子下的溫度精細(xì)化預(yù)報方程，并建立武清區(qū)溫度精細(xì)化預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)。

建立了武清氣象觀測數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了對武清區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù)的管理，開發(fā)完成了“武清區(qū)溫度精細(xì)化預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)”，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行。

通過應(yīng)用該系統(tǒng)，2017年共對外發(fā)布天氣預(yù)報信息700余次，天氣預(yù)警信號6次，旬、月、季氣象服務(wù)產(chǎn)品52期，制作溫度精細(xì)化的服務(wù)材料22次，制作氣象評價年報1次。

系統(tǒng)界面友好，響應(yīng)速度流暢，實現(xiàn)了監(jiān)測預(yù)報的查詢、顯示，精細(xì)化預(yù)報與服務(wù)產(chǎn)品制作，歷史數(shù)據(jù)管理下載，預(yù)報檢驗，用戶系統(tǒng)管理等功能，為武清區(qū)精細(xì)化預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

通過該系統(tǒng)的實施，能有效的開展該地溫度精細(xì)化預(yù)報服務(wù)工作，豐富武清氣象服務(wù)內(nèi)容，在天津基層氣象系統(tǒng)率先開展精細(xì)到鎮(zhèn)街的溫度預(yù)報方法研究，建立符合該地需求的溫度精細(xì)化預(yù)報服務(wù)系統(tǒng)，填補武清溫度精細(xì)化預(yù)報領(lǐng)域的空白，充分發(fā)揮氣象為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的職能和作用，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理者能夠獲得精準(zhǔn)的溫度預(yù)報、預(yù)警信息，提前采取措施合理安排生產(chǎn)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收。

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