楊俊萍，符世鋼，王衛(wèi)民

(云南省氣象信息中心，云南 昆明 650034)

引言

2018 年6 月，風(fēng)云四號科研試驗衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)HRIT 數(shù)據(jù)用戶應(yīng)用分系統(tǒng)省級接收站(云南)(以下簡稱云南FY-4/HRIT 接收站)順利完成建設(shè)，有效改善云南省氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的完整性、穩(wěn)定性、可靠性，進一步增強數(shù)據(jù)時效性，提升極端天氣氣候事件與重大災(zāi)情的應(yīng)對能力。另外，由于云南地處西南邊境地帶，與緬甸、老撾、越南等國家接壤，也能夠極大擴展氣象觀測數(shù)據(jù)覆蓋范圍，對未來業(yè)務(wù)的擴展提供了條件，也對國家安全具有一定意義。為了充分利用云南省接收站資料，更有效更快速顯示衛(wèi)星數(shù)據(jù)，本文結(jié)合國家氣象中心CMACast (中國氣象局衛(wèi)星廣播系統(tǒng)廣播)下發(fā)的風(fēng)云四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，把云南接收站接收到的數(shù)據(jù)進行梳理分析，尋求接入MICAPS4 系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

1 CMACAST 資料接入MICAPS4 流程

FY-4/HRIT 建站前使用的是新一代氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星廣播系統(tǒng) (CMACast，China Meteorological Administration Satellite Broadcast System)［1］。該衛(wèi)星廣播系統(tǒng)是衛(wèi)星、地面、高空等多種氣象資料的高速廣播平臺，具有覆蓋面廣、技術(shù)領(lǐng)先、功能強大的特點，也是省市縣各級臺站接收氣象資料開展氣象業(yè)務(wù)工作的基礎(chǔ)［2］。該衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的使用大幅度增加了氣象資料廣播的種類、數(shù)量，提高了時效性和可靠性［3］。如圖1 所示，通過資料轉(zhuǎn)發(fā)程序把CMACast廣播下發(fā)的L1 數(shù)據(jù)和L2 產(chǎn)品，轉(zhuǎn)發(fā)至MICAPS4 系統(tǒng)服務(wù)端，經(jīng)MICAPS4 系統(tǒng)服務(wù)端處理后在MICAPS4 客戶端顯示，供全省預(yù)報員參考。

圖1 FY4A 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接入云南MICAPS4 框圖

2 云南FY-4/HRIT 接收站

云南FY-4/HRIT 接收站具有和國家氣象中心接收站規(guī)格、格式、算法一致的成像儀、探測儀、閃電儀的L1/L2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，完全兼容CMACast 廣播下發(fā)的FY-4A 數(shù)據(jù)產(chǎn)品［4］。云南FY-4/HRIT 接收站具備接收FY-4 衛(wèi)星廣播的HRIT 數(shù)據(jù)的能力，具備自動運行能力和數(shù)據(jù)的存儲功能。2018 年9 月進行了衛(wèi)星數(shù)據(jù)全流程梳理分析等接入應(yīng)用系統(tǒng)準備工作。

2.1 接收頻次

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星每小時一次全圓盤DISK 觀測，時間為整點到整點過15min，45 分到整點；每3h 進行一次連續(xù)3 幅全圓盤觀測，每日40 次。無全圓盤觀測時進行5min 間隔的中國及周邊區(qū)域的REGC 衛(wèi)星觀測，每日165 次。其通道數(shù)量為14 個，最高空間分辨率達到500m［5］，可獲取層次豐富的云圖；可實時獲取高頻次、高精度的大氣溫濕結(jié)構(gòu)信息；還具備對中國及周邊區(qū)域的閃電連續(xù)觀測能力，以及對太陽活動和空間環(huán)境的監(jiān)測能力。衛(wèi)星在靜止軌道上保持穩(wěn)定、高效、連續(xù)的天氣觀測。

2.2 接收數(shù)據(jù)

從CMACast 廣播接收到的數(shù)據(jù)是國家局衛(wèi)星中心根據(jù)原始HRIT 數(shù)據(jù)加工處理后生成的，分為L1 數(shù)據(jù)和L2 產(chǎn)品。而從云南FY-4/HRIT 接收站先接收到原始的Hrit 數(shù)據(jù)并保存1d 約93GB。隨后二次加工生成同CMACast 廣播下發(fā)等同的L1 數(shù)據(jù)文件約72GB 和L2 產(chǎn)品約26GB，有云、輻射、降水、積雪、海洋、沙塵、氣溶膠、火情、植被等多種數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。

2.3 接收速度

國家氣象信息中心在收到國家衛(wèi)星氣象中心傳來的FY-4A 加工處理的數(shù)據(jù)后，需廣播的L1 數(shù)據(jù)平均10min 內(nèi)完成廣播分發(fā)，需廣播的L2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品平均15min 內(nèi)完成廣播分發(fā)。云南省FY-4/HRIT 接收站是由昆明市氣象局負責原始數(shù)據(jù)的接收。通過市氣象局與省級數(shù)據(jù)中心40MB 專網(wǎng)，實時上傳風(fēng)云四號所有衛(wèi)星資料到省級數(shù)據(jù)中心。平均3min 內(nèi)即可完成分發(fā)。省級數(shù)據(jù)中心平均在2min 內(nèi)即可完成衛(wèi)星分片數(shù)據(jù)分發(fā)，平均在7min 內(nèi)即可完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)加工處理、存儲，以最快速度向用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.4 分析梳理

為了提高時效，把云南接收站的原始分片數(shù)據(jù)利用起來；為了提高可靠性，把CMACast 廣播和云南接收站兩路數(shù)據(jù)合理接入，確保FY-4A 資料能在MICAPS4 客戶端及時有效顯示。

3 MICAPS4 系統(tǒng)升級

MICAPS 系統(tǒng)(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System)是中國氣象局自主開發(fā)的現(xiàn)代化人機交互氣象信息處理和天氣預(yù)報制作系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)推廣為全國預(yù)報制作的業(yè)務(wù)平臺［6］。從1997 年的第一版本至今第四版本，MICAPS 已經(jīng)成為各級氣象業(yè)務(wù)部門的核心系統(tǒng)，在各級預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮著巨大作用［7］。MICAPS4系統(tǒng)變得更加高效和可靠，能為天氣預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警等提供更有力的支撐。為了使云南MICAPS4 能夠更好地處理風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進行如下升級。

(1)靈活處理多類數(shù)據(jù)

不同類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)MICAPS4 系統(tǒng)均能加工處理，包括面向數(shù)組型并適用于網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)模式和編碼標準的netCDF 格式、能高效存儲和分發(fā)科學(xué)數(shù)據(jù)的新型數(shù)據(jù)HDF 格式［8］。比如：

(1)帶有前綴的HDF 文件，例如Z_SATE_C_BAWX_20200921000140_P_FY4A-_AGRI--_N_DISK_1047E_L1 -_FDI -_MULT_NOM_20200920234500_202009 20235959_0500M_V0001.HDF；

(2)不帶前綴的NC 文件，例如FY4A-_AGRI--_N_NHEM_1047E_L2-_QPE-_MULT_NOM_202105 27000000_20210527001459_4000M_V0001.NC；

(3)不帶前綴的DAT 文件，例如FY4A-_AGRI--_N_DISK_1047E_L1 -_FDI -_MULT_NOM_202009 20234500_20200920235959_0500M_V0001.DAT。

升級后可處理帶前綴或不帶前綴的產(chǎn)品，還可以處理原始分片數(shù)據(jù)。

(2)優(yōu)化原始數(shù)據(jù)處理流程

經(jīng)過升級，對衛(wèi)星HRIT 原始分片數(shù)據(jù)，接收一個分析加工處理一個，收齊全后全部處理完成，而不像L1 數(shù)據(jù)是等待HRIT 原始分片數(shù)據(jù)到齊之后反演加工處理而成，大大節(jié)省了二次加工與傳輸?shù)臅r間。

(3)避免重復(fù)報文處理

升級前存在相同數(shù)據(jù)的重復(fù)處理問題。比如把原始數(shù)據(jù)和L1 數(shù)據(jù)同時接入，隨著時間的先后，導(dǎo)致同一時次兩次陸續(xù)處理。升級后對同一時次同類型不同文件名的數(shù)據(jù)不進行重復(fù)處理，減少因重復(fù)處理而引起的數(shù)據(jù)滯后問題。

4 FY-4/HRIT 數(shù)據(jù)接入流程調(diào)優(yōu)

4.1 流程調(diào)優(yōu)設(shè)計

兩路FY-4A 數(shù)據(jù)接入MICAPS4 系統(tǒng)。一路是原有的CMACast 廣播下發(fā)的數(shù)據(jù)，另一路是云南FY-4/HRIT 接收站的數(shù)據(jù)。

云南接收站第一時間內(nèi)接收到的原始數(shù)據(jù)，包括了分塊、分通道的分片數(shù)據(jù)，文件數(shù)目雖多，但文件小。專網(wǎng)傳輸至省級數(shù)據(jù)中心。在省級服務(wù)器上進行加工處理生成同CMACast 廣播下發(fā)格式內(nèi)容相同的L1 數(shù)據(jù)和L2 產(chǎn)品；而CMACast 廣播下發(fā)的L1 數(shù)據(jù)和L2 產(chǎn)品，雖然時效較晚些，但運行穩(wěn)定，有維護保障。結(jié)合時效性和穩(wěn)定性，把云南接收站第一時間內(nèi)接收到的原始數(shù)據(jù)接入MICAPS4 系統(tǒng)是提優(yōu)方案的關(guān)鍵點。針對分析中揭示的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行總結(jié)，提出優(yōu)化調(diào)整如圖2。

圖2 云南FY－4／HRIT 資料接入MICAPS4 優(yōu)化框圖

優(yōu)化框圖2 中可以看到：云南接收站原始分片數(shù)據(jù)和CMACast 下發(fā)的L1 通道數(shù)據(jù)作為L1 數(shù)據(jù)接入云南MICAPS4 系統(tǒng)。CMACast 下發(fā)的L2 通道產(chǎn)品和云南接收站加工生成的L2 產(chǎn)品作為L2 數(shù)據(jù)接入云南MICAPS4 系統(tǒng)。L1 數(shù)據(jù)是主從關(guān)系同時接入；而L2 產(chǎn)品是主備關(guān)系接入。當云南接收站出現(xiàn)硬件或磁盤陣列日志滿等問題時，CMACast 下發(fā)的L1 數(shù)據(jù)一直在運行，除了速度慢些外不存在缺測現(xiàn)象；當遇到CMACast 接收系統(tǒng)有問題時，采用備份方案把本省接收站生成的L2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)接入MICAPS4 系統(tǒng)，手動啟用備份轉(zhuǎn)發(fā)程序。整個優(yōu)化中，能在衛(wèi)星通信故障中斷等問題出現(xiàn)的時候不影響預(yù)報業(yè)務(wù)，實現(xiàn)無縫對接，較好地滿足了預(yù)報人員的業(yè)務(wù)要求。

4.1.1 L1 數(shù)據(jù)設(shè)計流程

為了快速可靠顯示FY-4A 衛(wèi)星的L1 數(shù)據(jù)，設(shè)計了兩路互補接入MICAPS4 系統(tǒng)的方案：一路是接入云南FY-4/HRIT 接收站第一時間接收到的原始分片HRIT 數(shù)據(jù)，另一路是接入中國氣象局廣播系統(tǒng)下發(fā)L1 通道的HDF 數(shù)據(jù)。沿襲傳統(tǒng)模式，通過CMACast 廣播系統(tǒng)，分發(fā)至省級共享服務(wù)器，然后分發(fā)接入MICAPS4 系統(tǒng)。該設(shè)計對MICAPS 系統(tǒng)進行升級更新后，解決了MICAPS4 系統(tǒng)能夠處理接收站的原始分片數(shù)據(jù)；同時也對相同時次資料不重復(fù)處理。整個流程大大增加了可靠性和穩(wěn)定性。

4.1.2 L2 數(shù)據(jù)設(shè)計流程

為了互補穩(wěn)定顯示FY-4A 的L2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)，把CMACast 廣播系統(tǒng)下發(fā)的L2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)接收后分發(fā)至MICAPS4 系統(tǒng)，避免了L1 和L2 兩種數(shù)據(jù)同時缺報的現(xiàn)象。國家氣象局下發(fā)L2 產(chǎn)品不僅穩(wěn)定而且后期反演新增產(chǎn)品時確保云南不會遺漏。云南接收站接收的數(shù)據(jù)進行加工處理生成的L2 產(chǎn)品作為備份，應(yīng)急時手動啟用分發(fā)程序。通過互補，保證了預(yù)報員能調(diào)閱完整的FY-4A 衛(wèi)星資料。

4.2 程序設(shè)計

在該系統(tǒng)中，需要軟件解決資料傳輸問題，傳輸過程中對文件內(nèi)容不作任何修改。實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，或?qū)崿F(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器。

4.2.1 分發(fā)程序設(shè)計

分發(fā)程序是采用C/S 架構(gòu)，利用JAVA 編程語言的多線程并行處理技術(shù)，利用ThreadPoolExecutor線程池，使用一個list 保存所有產(chǎn)生的線程。部署在云南接收站省級中心站服務(wù)器上，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)FTP 至MICAPS4 處理服務(wù)器系統(tǒng)。

4.2.2 轉(zhuǎn)發(fā)程序設(shè)計

資料轉(zhuǎn)發(fā)程序也是采用C/S 架構(gòu)，利用Delphi編程語言的多線程處理技術(shù)，使用Borland 公司推出的Tthread 對象，封裝所有有關(guān)線程以及線程優(yōu)先級的控制，簡化多線程問題的處理［9-13］。部署在具有多個CPU 名為MICAPS4 中轉(zhuǎn)站的WINDOWS 系統(tǒng)機器上，借用Indy 組件和TCP 協(xié)議與不同服務(wù)器連接，實現(xiàn)FTP 取FTP 傳數(shù)據(jù)的多路轉(zhuǎn)發(fā)功能。

5 業(yè)務(wù)運行效果

原始數(shù)據(jù)的接收、分發(fā)、處理、顯示的整個流程平均在8min 內(nèi)完成?？梢哉fFY-4A 星完成全圓盤觀測或者中國及周邊區(qū)域觀測后8-10min 之內(nèi)，用戶就可以查看最新時次的L1 數(shù)據(jù)影像。高時效、可靠是此次優(yōu)化的主要特點。

自2018 年9 月開始，云南FY-4/HRIT 接收站資料和CMACast 下發(fā)的資料以互相備份的形式接入MICAPS4 系統(tǒng)。該方案運行性好，時效性高，可靠穩(wěn)定。近年來利用備份程序無縫切換過兩次，沒有影響業(yè)務(wù)運行，完成了衛(wèi)星資料的順暢接收、處理及顯示。通過MICAPS4 客戶端平臺滿足了預(yù)報人員的業(yè)務(wù)要求。

6 小結(jié)

FY-4/HRIT 接收站數(shù)據(jù)在MICAPS4 資料流程的優(yōu)化充分利用了云南省資源，提高了傳輸時效，加快了出圖速度，為預(yù)報人員做出參考提供了時間，取得了很好的業(yè)務(wù)效果。云南FY-4/HRIT 接收站數(shù)據(jù)的合理使用，為省內(nèi)各級氣象部門提高天氣預(yù)報預(yù)測工作準確率和精細化程度提供了有力的支撐，在天氣預(yù)報、數(shù)值預(yù)報、氣候預(yù)測等氣象核心業(yè)務(wù)中發(fā)揮了重要作用。不過在流程優(yōu)化中，為了能夠快速使用本省接收站的數(shù)據(jù)，分發(fā)資料開發(fā)不夠靈活，僅限于傳輸衛(wèi)星數(shù)據(jù)。今后隨著業(yè)務(wù)的擴大化運行不斷調(diào)優(yōu)，爭取能夠傳輸MICAPS4 系統(tǒng)中其他類型數(shù)據(jù)供更多的業(yè)務(wù)應(yīng)用。