孫玫玲 左曉辰 楊昱 蘭輝

近年來，隨著氣象探測與預報服務技術的不斷進步，各類氣象數(shù)據(jù)在業(yè)務工作中的應用量急劇膨脹。在當前相關氣象服務平臺建設過程中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理與應用方式已經(jīng)不能滿足需要，如何將不同類型、格式與來源的龐大數(shù)據(jù)有機整合高效利用，是構(gòu)建集約化智慧氣象服務體系的重中之重。

天津市氣象服務中心依托智慧氣象公共服務惠民系統(tǒng)項目建設，在構(gòu)建精細化預報業(yè)務數(shù)據(jù)環(huán)境、數(shù)值模式產(chǎn)品釋用和數(shù)據(jù)產(chǎn)品交互式訂正等方面進行了有益的探索與研究，本文主要針對上述三方面內(nèi)容的原理與實現(xiàn)方法進行闡述。

一、精細化預報業(yè)務數(shù)據(jù)環(huán)境構(gòu)建

（一）數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

實時質(zhì)量控制是利用簡單有效的方法，在保證時效的基礎上，實時檢查解碼后氣象要素的質(zhì)量，設置質(zhì)量控制碼，使數(shù)據(jù)有基本的質(zhì)量保證。實時質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)源為從解碼模塊傳遞過來的數(shù)組，生成的數(shù)據(jù)文件存儲入庫。

定時質(zhì)量控制是在整點后啟動，對本時次的實時資料進行更加嚴格的質(zhì)量控制，修訂質(zhì)量控制碼。定時質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)源首選從存儲系統(tǒng)基礎庫的數(shù)據(jù)庫表檢索數(shù)據(jù)。

非實時質(zhì)量控制是在本地的月報數(shù)據(jù)文件到齊后啟動，從庫中獲取月報數(shù)據(jù)文件，進行非實時質(zhì)量控制，按照月報數(shù)據(jù)格式重新生成帶有國家級或省級質(zhì)量控制碼的月報數(shù)據(jù)文件。

（二）數(shù)據(jù)解碼

數(shù)據(jù)解碼是根據(jù)業(yè)務配置，對實時資料進行解碼和格式轉(zhuǎn)換，生成報告級和要素級的標準格式數(shù)據(jù)產(chǎn)品。根據(jù)資料的種類和解碼策略的不同，分為TAC解碼、BUFR解碼、GRIB解碼和自定義格式解碼。

（三）數(shù)據(jù)預處理

氣象觀測站點數(shù)量多、分布廣，數(shù)據(jù)自動觀測。在設備發(fā)生故障時，觀測到的數(shù)據(jù)難免會出現(xiàn)錯測、漏測的現(xiàn)象，這就需要對實時氣象數(shù)據(jù)進行預處理，包括極值檢查、內(nèi)部一致性檢查和時間序列檢查等。各項控制檢查內(nèi)容如下：

1、極值檢查

氣象資料要素值是否超出氣候統(tǒng)計最大值和最小值的檢查為極值檢查。對超出測站要素極值的觀測資料，須做進一步檢查，以判斷資料是否正確。主要統(tǒng)計全市各地區(qū)逐月的降雨量最大值，逐月的最高氣溫、最低氣溫最大值和最小值，逐月風速最大值，然后形成極值判斷條件，加入系統(tǒng)進行極值檢查。

2、內(nèi)部一致性檢查

對固定觀測站在同一時間觀測的氣象要素記錄之間的關系必須符合一定規(guī)律的檢查稱為內(nèi)部一致性檢查。例如：氣壓和露點溫度與氣溫和相對濕度的一致性，海平面氣壓與本站氣壓、氣溫的一致性。 雨量和風速不能出現(xiàn)負值；當日各時風速≤日最大風速；當日各時雨量≤日小時最大雨量≤日總降雨量。

3、時間序列檢查

根據(jù)氣候要素的自然變化規(guī)律，在相鄰的時間段內(nèi)，要素變化幅度必然在一定的波動范圍內(nèi)，因此設定閥值進行時間序列檢查，主要考慮：不同時間段內(nèi)降雨量差值、溫度升幅和溫度降幅。

（三）數(shù)據(jù)分類入庫

1、氣候背景資料庫

自動站月報包括近五年國家自動站與區(qū)域自動站觀測的：降水、溫度、能見度、風場、氣壓、濕度、地溫、積雪、天氣現(xiàn)象等所有要素，上述資料均可包括分鐘、小時數(shù)據(jù)。

重要天氣報文包括霧、雷暴、大風、冰雹、暴雨、浮塵、霾、沙塵暴、凍雨、霜凍、龍卷風、積雪、短時強降水等。

2、數(shù)值預報產(chǎn)品庫

日常業(yè)務中所有數(shù)值預報產(chǎn)品和要素數(shù)據(jù)。模式可包括：T639細網(wǎng)格、T639粗網(wǎng)格、GRAPES細網(wǎng)格、GRAPES粗網(wǎng)格、DOGRAFS、EC細網(wǎng)格、EC粗網(wǎng)格、NCEP在分析細網(wǎng)格資料、集合預報、CUACE、中尺度模式預報產(chǎn)品等。

數(shù)值預報產(chǎn)品和要素數(shù)據(jù)如：降水要素數(shù)據(jù)（3小時降水量、6小時降水量、12小時降水量、24小時降水量等）、高空環(huán)流形式場數(shù)據(jù)（高度場、溫度場、風場等）、地面要素數(shù)據(jù)（海平面氣壓、2m溫度、露點溫度、海平面溫度、表層溫度、10m風場等）、水汽要素數(shù)據(jù)（比濕、相對濕度、露點溫度、水汽通量散度等）、動力要素數(shù)據(jù)（渦度、散度、垂直速度等）、能量要素數(shù)據(jù)（850-500溫差、K指數(shù)、總云量、低云量等）、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)（逆溫厚度、逆溫差、混合層厚度等）。

3、精細化網(wǎng)格產(chǎn)品庫

1公里及3公里精細化網(wǎng)格產(chǎn)品。

4、實況資料庫

自動站實況數(shù)據(jù)，實時提供國家自動站與區(qū)域自動站觀測的實況信息；高空、地面氣象觀測，包括地面天氣圖、高空天氣圖、常用物理量場等資料；雷達數(shù)據(jù)，包括單站雷達資料、拼圖產(chǎn)品、反演產(chǎn)品等；衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星類型（FY-2D、FY-2E、FY-2F、FY-2G、日本葵花、風云三、風云四、NOAA衛(wèi)星）、產(chǎn)品類型（可見光、紅外、水汽、近紅外）查看云圖。

5、短臨預報產(chǎn)品庫

包括雷達外推產(chǎn)品，Swan雷達外推短臨預報產(chǎn)品；閃電定位，默認顯示最近3小時的數(shù)據(jù)，以填圖的方式顯示閃電定位信息。

6、客觀預報產(chǎn)品庫

存放通過計算機程序辨識的各類專業(yè)預報服務產(chǎn)品、格點預報解析規(guī)則及模版，解析后的客觀預報產(chǎn)品、并分類建庫。

7、精細化預報產(chǎn)品庫（主觀訂正產(chǎn)品庫）

存放最終確認發(fā)布的精細化格點預報產(chǎn)品、站點預報產(chǎn)品，并建庫。

8、訂正參考資料

地理信息數(shù)據(jù)：主要是本地的地形特征，特別是河流分布、海陸特征、海拔高度。

訂正特征量：氣象要素分布特征（特別是平均值、歷史極值、概率等）、氣象災害類型和分布、移動路徑和隨時間變化特點等。

（四）數(shù)據(jù)提取

1、指導預報模塊提取

獲取中央臺指導預報的主觀預報模塊提取，包括天氣預報（降水量預報、1～3天氣溫、水文地質(zhì)、短期公報、中期公報）。全國城鎮(zhèn)精細化預報指導預報產(chǎn)品，5X5公里格點產(chǎn)品包括實況和預報，全國城鎮(zhèn)站點預報產(chǎn)品。

2、短臨落區(qū)提取

關注雷達實況和外推短臨預報產(chǎn)品，人工畫落區(qū)，同時生成圖像產(chǎn)品和文字產(chǎn)品。文字產(chǎn)品自動識別圖像產(chǎn)品落區(qū)，默認精確到區(qū)。手動干預精確范圍（默認到區(qū)）。

二、數(shù)值模式產(chǎn)品釋用開發(fā)

（一）數(shù)值預報產(chǎn)品釋用

通過比較多種數(shù)值預報模式，選擇有一定的時空精度、預報準確度較高的模式作為建立精細指導預報業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)值預報模式資料。定義常規(guī)要素的精細預報標準，將時間精度、空間精度、量級精度和預報要素的要求客觀明確地規(guī)定下來。同時，通過新技術、新方法的研究，將數(shù)值預報產(chǎn)品已經(jīng)達到的預報準確度和時空精度很好地解釋應用出來。建立具有實際應用效果、性能穩(wěn)定的客觀精細化指導預報方法，為基層臺站提供客觀、定量的精細化指導預報產(chǎn)品。分類型的數(shù)值模式物理量診斷（EC、NC、T639、GEEPAS、集合預報等），包括加工分析基于本地指標的預報產(chǎn)品；可根據(jù)不同預報要素或天氣現(xiàn)象來選擇相關物理量診斷產(chǎn)品。

（二）精細化產(chǎn)品逐小時插值

將原有的精細化格點預報分辨率為3公里逐3小時的產(chǎn)品，通過時空插值為逐小時的精細化格點預報產(chǎn)品。

1、溫度時間內(nèi)插（溫度日變化曲線擬合法）

建立每個小時的溫度預報方程。但利用溫度日變化曲線特征，完全可以用少數(shù)幾個點溫度計算出任意點的溫度，關鍵是要先計算出擬合曲線的系數(shù)。根據(jù)正常溫度日變化類似正弦波（可用高斯曲線擬合）特征，我們只要得到每天4個點的溫度值。就可通過曲線擬合內(nèi)插出任何時刻的溫度。

2、相對濕度時間內(nèi)插（水汽含量守恒法）

相對濕度插值原理是：在一定時間段內(nèi)（比如6小時）認為沒有新的水汽增加和減少（水汽含量守恒）。這時的相對濕度是溫度的函數(shù)，應用內(nèi)插的溫度值即可算出內(nèi)插的相對濕度。

（三）高度訂正

通過分析各站溫度遞減率，根據(jù)數(shù)值預報模式具有預報要素完整垂直分布的特點，利用數(shù)值預報的要素垂直分布變化率來訂正。

溫度、相對濕度、風速等要素預報值的海拔高度訂正是困惑業(yè)務系統(tǒng)開發(fā)的一個難題，我們根據(jù)數(shù)值預報模式具有預報要素完整垂直分布的特點，找到一個海拔高度的訂正方法，就是利用數(shù)值預報的要素垂直分布變化率來訂正。例如溫度隨高度的變化非常敏感，所以對于溫度場資料的插值方案將考慮觀測場地理高度 DEM 信息，考慮了海拔高度對溫度的影響。

（四）站點預報建模

對多個模式的預報結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)合歷史資料提供的氣候特征量，對不同站點、不同時間、不同要素的敏感模式和敏感特征量進行提取，建立站點預報模型，選擇適合的數(shù)值模式釋用產(chǎn)品結(jié)合特征量進行預報。

（五）格點/站點插值計算

數(shù)值預報在一定區(qū)域范圍內(nèi)的預報水平和能力可以認為是相同的，那么用測站要素建立的預報模型，在一定范圍內(nèi)（25km或50km）是可以平移慮用的；通過某鄉(xiāng)鎮(zhèn)點（格點或任意服務點）掃描一定范圍內(nèi)的測站。用這些測站的頂報模型來平移計算鄉(xiāng)鎮(zhèn)點的值，然后通過Cressman權重訂正和海拔高度訂正，就是該點的預報。 先建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報（格點預報）的掃描參數(shù)（測站數(shù)和其內(nèi)插權重參數(shù)）和海拔高度參數(shù)（包括測站的海拔高度），然后運算掃描范圍內(nèi)所有測站的預報方程，再通過Cressman權重內(nèi)插訂正和海拔高度訂正，最后可以計算出責任區(qū)域范圍內(nèi)的所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報和格點預報。該插值技術的一大優(yōu)點是，可以任意增加服務點的預報。

三、可視化交互訂正

（一）交互顯示功能

1、二維平面顯示

實現(xiàn)降水量、氣溫、氣壓、相對濕度等氣象單要素或多要素疊加顯示。氣象要素可以人機交互方式勾選，顯示方式分為格點和填色兩種方式，其中格點數(shù)據(jù)顯示密度可根據(jù)顯示區(qū)域大小自動調(diào)整，分級顯示確保顯示數(shù)據(jù)清晰。如圖1、2所示。

2、時間序列圖

可實現(xiàn)單要素和多要素的一維時間序列圖形顯示，要素可以人機交互方式勾選。如圖3所示。

3、時空剖面圖

能夠以人機交互方式任意設置或者選擇單點，實現(xiàn)多要素時間-高空垂直剖面序列圖的顯示，要素以人機交互方式勾選。如圖4所示。

4、空間剖面圖

能夠繪制任意兩點直線或多點折線多要素垂直剖面圖，要素以人機交互方式勾選，拐點經(jīng)緯度以人機交互方式任意設置。

5、對比分析顯示

能夠?qū)崿F(xiàn)多個預報時段降水預報趨勢分析，將多個預報時次降水信息進行對比，自動分析降水預報強度變化趨勢。如圖5所示。

（二）訂正工具

預報員可通過可視化界面對客觀預報產(chǎn)品進行主觀訂正，包括對單點的修正和對落區(qū)的修正，下級可對上級發(fā)布的客觀預報產(chǎn)品進行修正，并上傳到上一級部門進行協(xié)同訂正。訂正后的最終結(jié)果將作為精細化預報產(chǎn)品對外發(fā)布。

基本交互功能包括：落區(qū)增改、落區(qū)中心、落區(qū)刪除、落區(qū)清空、落區(qū)格點化、格點等值線化、點編輯工具、擦涂工具、圖刷工具、矩形工具、線工具、閾值過濾、區(qū)域選擇、修改區(qū)域值、移動區(qū)域、區(qū)域刪除、鎖定區(qū)域、加權平均、凹槽凸脊、系統(tǒng)新生、梯度法修改、手繪跟隨流場、差值調(diào)整和中尺度疊加。

格點編輯訂正功能：

對點的編輯修改：可對畫刷實施一定的寬度、數(shù)值或加減值，對掃過路徑點數(shù)值進行改變等操作。

對線的編輯修改：進行區(qū)域等值線編輯，可對等值線進行刪除、增加、拉伸等操作。

對面的編輯修改：建立區(qū)域的概念，可對區(qū)域內(nèi)或者外的值進行修改，也可實現(xiàn)對區(qū)域的復制移動，可對區(qū)域進行固定值的修改，也可對區(qū)域的數(shù)值進行加減，也可對區(qū)域數(shù)值進行線性漸變或者非線性漸變修改等操作。

站點編輯訂正功能：

對單站的編輯修改：進行單站要素進行數(shù)值修改，可以進行加減值修改等操作。

對多站的編輯修改：選定區(qū)域，可對區(qū)域內(nèi)多站要素的值進行修改，也可對區(qū)域內(nèi)多站的數(shù)值進行加減，也可對區(qū)域內(nèi)多站的數(shù)值進行線性漸變或者非線性漸變修改。

針對區(qū)地不同需求，可實現(xiàn)圖表結(jié)合方式的編輯功能。能夠?qū)崿F(xiàn)城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等站點預報產(chǎn)品的編輯制作。

四、結(jié)論

主要介紹了依托智慧氣象公共服務惠民系統(tǒng)項目建設，在構(gòu)建精細化預報業(yè)務數(shù)據(jù)環(huán)境，以及實現(xiàn)數(shù)值模式產(chǎn)品釋用和數(shù)據(jù)產(chǎn)品交互式訂正等功能時采用技術方法，并對實際業(yè)務應用效果進行了展示。通過對各類氣象實況、預報數(shù)據(jù)進行集合分析處理，進一步提升了資源利用率，簡化了業(yè)務人員的工作流程，提高工作效率。