姜小云，吳 俞，張永莉

(1.海南省氣象探測中心，?？?570203； 2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，?？?5702033.海南省氣象臺，?？?570203； 4.成都信息工程大學(xué)，成都 610225)

0 引言

目前災(zāi)害性天氣現(xiàn)象頻發(fā)，我國境內(nèi)的氣象災(zāi)害主要有暴雨、冰雹、龍卷、颮線、雷雨大風(fēng)等中小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)。這些氣象災(zāi)害具有局地性強、歷時短、來勢猛、破壞性大等一些特點，并且往往威脅人民群眾生命財產(chǎn)安全, 經(jīng)常造成國民經(jīng)濟損失。因此預(yù)警信息發(fā)布的時效要求很高, 需要在第一時間內(nèi)將預(yù)警信息傳達到各級領(lǐng)導(dǎo)和災(zāi)害天氣即將發(fā)生的地區(qū)范圍的群眾手中, 以便及時防范和應(yīng)對，盡量減少災(zāi)害造成的損失。

隨著手機短信在天氣預(yù)報和氣象預(yù)警信息發(fā)布中的廣泛應(yīng)用，越來越多的氣象科技工作者開發(fā)了許多基于短信的氣象預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。 如羅保華,童以長,張深壽等人對地市級氣象災(zāi)害短信預(yù)警系統(tǒng)進行了探討[1]，提出了地市級氣象災(zāi)害短信預(yù)警的方法和思路。王赟,段燕楠,姚愚等人對基于WebService的氣象預(yù)警短信發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)進行了探討[2], 提出了基于WebService技術(shù)直接接入電信短信網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了氣象預(yù)警信息的高效發(fā)布，提高了氣象服務(wù)的整體質(zhì)量和效率。徐瓊芳,聶菊榮,馮海旭等人提出了基于微信平臺的氣象預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)[3]。姜小云等人對新一代天氣雷達的運行監(jiān)控和報警等進行了探討[5-7]。鄒書平等對建立氣象決策短信服務(wù)平臺系統(tǒng)進行探討[8-10]。本文針對目前已經(jīng)投入業(yè)務(wù)運行的各種氣象探測設(shè)備觀測數(shù)據(jù)進行實時分析并根據(jù)災(zāi)害性天氣發(fā)生時氣象數(shù)據(jù)達到的閾值通過手機短信平臺發(fā)送到各級氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)人員手機，以便其在第一時間內(nèi)進一步分析和處理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示，本氣象災(zāi)害短時臨近自動預(yù)警系統(tǒng)對主要氣象觀測系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。具體包括了新一代天氣雷達觀測系統(tǒng)、國家級自動氣象站觀測系統(tǒng)、山洪防治氣象觀測系統(tǒng)、區(qū)域自動氣象站觀測系統(tǒng)和土壤水分自動觀測系統(tǒng)等設(shè)備。其中，新一代天氣雷達系統(tǒng)預(yù)警包括雷達設(shè)備故障監(jiān)控預(yù)警、雷電預(yù)警、冰雹預(yù)警和龍卷預(yù)警。預(yù)警指標為當天氣雷達反射率因子達到45 dBZ以上或組合反射率因子達到50 dBZ以上時立即自動發(fā)布雷電預(yù)警給短息平臺，再由短信平臺發(fā)送給相關(guān)各級氣象預(yù)報業(yè)務(wù)服務(wù)人員。國家級自動氣象站系統(tǒng)預(yù)警主要有高溫預(yù)警、大風(fēng)預(yù)警、大霧預(yù)警和暴雨預(yù)警等。山洪防治氣象站主要監(jiān)控其降水量。當降水量達到可能誘發(fā)山洪災(zāi)害的閾值指標時立即發(fā)送預(yù)警信息到短信平臺，再由短信平臺發(fā)送給相關(guān)各級氣象決策部門，以便第一時間進行災(zāi)害防御處置工作。土壤水分自動觀測站系統(tǒng)主要為干旱預(yù)警。當土壤水分自動觀測站系統(tǒng)觀測的體積含水量達到相應(yīng)指標時候立即發(fā)送干旱預(yù)警信息到短信平臺，再由短信平臺發(fā)送給相關(guān)各級農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)部門，以便第一時間進行氣象為農(nóng)服務(wù)工作。具體的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 分系統(tǒng)設(shè)計

2.1 新一代天氣雷達監(jiān)控預(yù)警

2.1.1 雷達回波強度預(yù)警值目標位置搜索

根據(jù)本地災(zāi)害性天氣在新一代天氣雷達觀測資料中顯示的特征和預(yù)報預(yù)警經(jīng)驗，可以選擇一些新一代天氣雷達回

波預(yù)警閾值來實現(xiàn)當實時觀測資料達到某些閾值時立即自動發(fā)布相應(yīng)級別的氣象災(zāi)害預(yù)警信息短信給相關(guān)業(yè)務(wù)人員手機，以便提醒其進一步確認和轉(zhuǎn)發(fā)給上級預(yù)警發(fā)布中心，從而實現(xiàn)全社會的氣象災(zāi)害突發(fā)事件及時預(yù)警。例如，選取當基本反射率因子達到45 dBZ以上時發(fā)布相應(yīng)級別的雷電預(yù)警，當新一代天氣雷達垂直液態(tài)含水量(VIL)達到50時可以發(fā)布冰雹等災(zāi)害性天氣短時臨近預(yù)警。圖2為新一代天氣雷達觀測到的一張基本反射率因子回波圖，圖中，在昌江和萬寧出現(xiàn)反射率因子大于45 dBZ的地方，那么本文所設(shè)計的系統(tǒng)將自動識別和自動發(fā)布預(yù)警短信給相關(guān)天氣預(yù)報業(yè)務(wù)人員。

圖2 ?？谛乱淮鞖饫走_反射率回波圖(觀測時間：2016年5月25日15時34分)

新一代天氣雷達回波強度預(yù)警值目標位置搜索的方法是方塊區(qū)域數(shù)據(jù)滑動平均，如圖3所示，從新一代天氣雷達基數(shù)據(jù)文件解碼獲得的反射率因子數(shù)據(jù)中當沒有探測到目標時數(shù)據(jù)解碼為-33 dBZ，根據(jù)新一代天氣雷達觀測產(chǎn)品物理量的連續(xù)性，某一塊回波最大值一般會出現(xiàn)在回波中心位置，那么當搜索到最大值大于預(yù)警閾值時，還需計算以最大值為中心上下左右各偏離一定范圍的區(qū)域平均值，當該平均值也大于預(yù)警值閾值時即將發(fā)布氣象災(zāi)害預(yù)警信息。在圖3中，行表示新一代天氣雷達掃描的方位角，列表示新一代天氣雷達掃描的距離庫。

圖3 新一代天氣雷達反射率數(shù)據(jù)

2.1.2 回波極坐標轉(zhuǎn)換成地理經(jīng)緯度

當識別出雷電等災(zāi)害級別的雷達回波并記錄其坐標位置，在新一代天氣雷達基數(shù)據(jù)文件里，坐標是極坐標形式，所以還得把極坐標位置轉(zhuǎn)換為地理經(jīng)緯度坐標，從而可以通過下一步的處理得出其行政區(qū)劃位置以便通過SMS短信把災(zāi)害天氣出現(xiàn)的地區(qū)等信息發(fā)送給相關(guān)各級業(yè)務(wù)值班人員手機里。那么，已知新一代天氣雷達站的經(jīng)緯度以及災(zāi)害天氣出現(xiàn)地區(qū)的距離和方位角，可以計算出該位置的經(jīng)緯度信息。

本文假設(shè)A為新一代天氣雷達站的位置，B為出現(xiàn)的災(zāi)害性天氣的目標位置。那么，Aj為A點經(jīng)度，Aw為A點緯度，Bj為B點經(jīng)度，Bw為B點緯度。設(shè)定北緯為正，南緯為負，東經(jīng)為正，西經(jīng)為負。經(jīng)緯度單位使用度，如果是度分秒為單位的經(jīng)緯度要轉(zhuǎn)換成以度為單位的經(jīng)緯度信息。角度單位統(tǒng)一采用角度值，不是弧度值，以避免出錯。R為地球平均半徑，Az為方位角，以真北為0度起點，由東向南向西順時針旋轉(zhuǎn)為正值，如旋轉(zhuǎn)了30度，那Az等于30度。

如圖4所示，A、B和C為地球表面上3個位置點，O為地球中心點，Lab為A和B的球面距離，a、b和c分別為角BOC、角AOC和角AOB。由于新一代天氣雷達站的經(jīng)緯度在新建雷達站時由測繪部門實地測量獲得準確的經(jīng)緯度信息，那么Aj和Aw就是已知的。雷達探測到的災(zāi)害天氣位置極坐標也是已知的，即，災(zāi)害性天氣回波離新一代天氣雷達站的距離Lab和方位也是已知的，查找有關(guān)文獻地球平均半徑R等于6 371.004公里。

圖4 極坐標轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度計算示意圖

首先計算角度c，如公式(1)：

c=(L/R)×(180/π)

(1)

再求解角度a，將已知量代入公式(2)：

a=arcos(cos(90-Aw)×cos(c)+sin(90-Aw)×

sin(c)×cos(Az)

(2)

最后根據(jù)公式(3)求解C：

C=arcsin(sin(c)×sin(Az)/sin(a))

(3)

那么，災(zāi)害性天氣的目標位置B的經(jīng)度Bj等于Aj+C，緯度Bw等于90-a。

2.1.3 回波經(jīng)緯度解析成行政區(qū)劃地名

圖5是根據(jù)百度地圖地理信息系統(tǒng)API函數(shù)所做的應(yīng)用軟件，它可以批量將經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的行政區(qū)劃地名。該軟件自動讀取上一節(jié)所述的新一代天氣雷達探測到的災(zāi)害性天氣目標位置的經(jīng)緯度信息文件，然后自動批處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的行政區(qū)劃地名并保存為地名信息文件，以便下一步將氣象災(zāi)害信息通過短信平臺自動發(fā)布給相應(yīng)行政地區(qū)的各級氣象業(yè)務(wù)人員。

圖5 經(jīng)緯度解析成地名軟件界面 圖6 新一代天氣雷達故障監(jiān)控軟件界面

2.1.4 雷達故障監(jiān)控

由于新一代天氣雷達全天候24小時不間斷運行，本文實現(xiàn)的監(jiān)控程序?qū)崟r監(jiān)視新一代天氣雷達主程序工作目錄下是否有告警文件生成或修改，如有則讀取該告警文件，提取出故障內(nèi)容代碼，并從故障信息數(shù)據(jù)庫中找到與故障代碼相匹配的故障內(nèi)容實時發(fā)送到短信平臺程序，從而將故障告警信息第一時間內(nèi)發(fā)送給相關(guān)業(yè)務(wù)人員，以便迅速搶修雷達故障[11]。

2.2 國家級自動氣象站監(jiān)控預(yù)警

根據(jù)國家地面氣象觀測規(guī)范[8]，國家級自動氣象站是對地球表面一定范圍內(nèi)的氣象狀況及其變化過程進行系統(tǒng)地、連續(xù)地觀察和測定，為天氣預(yù)報、氣象情報、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供重要的依據(jù)。目前，國家級自動氣象觀測站能自動測量的要素有云、能見度、氣壓、空氣的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、太陽輻射、蒸發(fā)、地面溫度和雪深等項目。圖7為自動監(jiān)控到國家級自動氣象站高溫、暴雨災(zāi)害的實時監(jiān)控界面，同時將這些報警信息通過短信平臺及時發(fā)送到各級相關(guān)氣象業(yè)務(wù)人員手機里，以便業(yè)務(wù)人員及時發(fā)布相應(yīng)預(yù)警信息。其中報警級別根據(jù)中國氣象局有關(guān)文件定義。本系統(tǒng)采用的設(shè)計參數(shù)見表1。

圖7 自動站實況監(jiān)測自動預(yù)警軟件界面

2.3 山洪防治氣象站監(jiān)控預(yù)警

山洪災(zāi)害是由于山洪暴發(fā)而所帶來的危害。山洪災(zāi)害突發(fā)性強、危害大，已經(jīng)成為我國當前防災(zāi)減災(zāi)工作中的突出問題。暴雨是誘發(fā)山洪發(fā)生的主要因素，這些系統(tǒng)多為中小尺度強對流系統(tǒng)。山洪防治氣象站主要是數(shù)量眾多的單雨量站。當監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到有暴雨級別的降雨時立即發(fā)布預(yù)警信息給各級氣象業(yè)務(wù)人員手機里，以便業(yè)務(wù)人員立即處置，并編發(fā)相應(yīng)預(yù)警信息發(fā)布給各級決策部門。

2.4 區(qū)域自動氣象站監(jiān)控預(yù)警

區(qū)域自動氣象站的大規(guī)模建設(shè)對提高我國地面氣象觀測業(yè)務(wù)水平及區(qū)域性災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警服務(wù)能力具有重要作用。區(qū)域自動氣象站是國家級自動氣象站的重要補充，大大加密了氣象觀測空間范圍。可以無縫隙監(jiān)測災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束。如圖7所示，區(qū)域氣象站的要素實時監(jiān)控類似國家級自動氣象站，監(jiān)控時間間隔為每10分鐘。

2.5 土壤水分自動站監(jiān)控預(yù)警

土壤水分對農(nóng)作物的生長有重大影響。經(jīng)常對土壤水分進行監(jiān)測，掌握其變化規(guī)律，對農(nóng)作物生產(chǎn)實時服務(wù)和理論研究都很重要。土壤水分自動站可以快速、方便的在同一地點進行不同層面的土壤水分進行觀測，獲取具有準確性、代表性和可比較性的土壤水分連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，可大大減輕人工取土式觀測勞動量、并且提高了觀測數(shù)據(jù)的時空密度，為農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報、干旱監(jiān)測和服務(wù)提供了高質(zhì)量的土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)。其觀測要素為10、20、30、40和50厘米等深度的土壤單位體積含水量。通過把干旱災(zāi)害發(fā)生時的土壤水分觀測值作為預(yù)警值，及時發(fā)送該預(yù)警信息給相關(guān)農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)人員手機，以便及時為農(nóng)服務(wù)，提高農(nóng)作物效益。

2.6 自動短信發(fā)布平臺

如圖8所示，該界面為短信自動發(fā)布平臺系統(tǒng)，當其他模塊實時檢測到氣象災(zāi)害發(fā)生時，立即將該氣象災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)送到本短信平臺，然后短信平臺立即轉(zhuǎn)發(fā)給各級相關(guān)取消業(yè)務(wù)人員手機里，以便第一時間提醒工作人員。該短信平臺一般在后臺實時運行，不得關(guān)閉。否則，監(jiān)測到的預(yù)警信息不能最終發(fā)送到業(yè)務(wù)人員手機里從而錯過災(zāi)害性天氣發(fā)生時應(yīng)急處置的時機，影響氣象決策服務(wù)的效益。

圖8 自動短信發(fā)布平臺軟件界面

2.7 實驗結(jié)果與分析

在系統(tǒng)開發(fā)完成后進行了半年的試運行。在試運行過程中，統(tǒng)計了系統(tǒng)自動發(fā)布氣象災(zāi)害預(yù)警和沒采用系統(tǒng)自動預(yù)警的方法而是采用人工定時查看的方法兩者的預(yù)警時間提前量的差別。結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，采用系統(tǒng)自動發(fā)布氣象災(zāi)害預(yù)警的時間比人工查看的時間有約1小時的提前量。而且人工查看的方法耗費大量的人工勞動，效率低。

表2 系統(tǒng)運行效果

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本氣象災(zāi)害短時臨近預(yù)警系統(tǒng)是在目前氣象災(zāi)害多發(fā)的前提下，為了最大可能的不漏發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警信息，依靠計算機智能化設(shè)備將各種氣象觀測資料定時進行自動分析和監(jiān)控，如有達到氣象災(zāi)害閾值時立即發(fā)送手機短信給各級氣象業(yè)務(wù)工作人員手機，以便第一時間通知提醒業(yè)務(wù)人員。業(yè)務(wù)人員再根據(jù)氣象災(zāi)害的輕重緩急程度逐級上報，從而最大限度的減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，更好發(fā)揮氣象探測設(shè)備服務(wù)民生、國防、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)等的作用。本系統(tǒng)自開發(fā)完畢并投入業(yè)務(wù)應(yīng)用以來，多次提醒了我省廣大氣象業(yè)務(wù)人員及時發(fā)布氣象災(zāi)害信息(夜間強雷電、冰雹和龍卷等)，避免了或減少了人們生命財產(chǎn)損失。

4 結(jié)束語

針對目前已經(jīng)投入業(yè)務(wù)運行的各種氣象探測設(shè)備觀測數(shù)據(jù)進行實時分析并根據(jù)災(zāi)害性天氣發(fā)生時氣象數(shù)據(jù)達到的閾值條件通過手機短信發(fā)送相應(yīng)氣象災(zāi)害信息到各級氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)人員手機，以便其在第一時間內(nèi)進一步分析和處理。系統(tǒng)運行以來多次提醒了氣象業(yè)務(wù)人員防范各種氣象災(zāi)害，尤其是夜間氣象災(zāi)害如雷雨大風(fēng)、冰雹和龍卷等。系統(tǒng)的設(shè)計方法和技術(shù)都是成熟技術(shù)的應(yīng)用，可以為其他地區(qū)的相關(guān)氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)和決策部門參考，隨著氣象現(xiàn)代化的不斷推進，將來會有更多更好的氣象觀測設(shè)備應(yīng)用到氣象災(zāi)害預(yù)警和服務(wù)中來，因此本系統(tǒng)還會進一步更新和擴展以便更好地發(fā)揮這些氣象觀測設(shè)備的觀測效益。