劉 寅，周紅根，喬 賀，徐 進(jìn)，張道遠(yuǎn)

(1.中國氣象局交通氣象重點開放實驗室，南京 210009；2.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081；3.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都 610225；4.江蘇省氣象探測中心，南京 210009)

0 引言

近地層通量觀測分為3類項目：必須觀測項目、由國務(wù)院氣象主管機構(gòu)指定觀測項目和由省級氣象主管機構(gòu)指定觀測項目。其中，必須觀測項目包括多層空氣溫度和濕度、多層風(fēng)向與風(fēng)速、降水、氣壓、多層地溫、凈輻射、光合有效輻射、地表熱通量、紅外地溫、單層或多層三維脈動風(fēng)速與風(fēng)向、單層或多層水汽與二氧化碳和脈動濃度；由國務(wù)院氣象主管機構(gòu)指定觀測項目包括多層三維脈動風(fēng)速和風(fēng)向、多層水汽與二氧化碳濃度、下墊面植被狀況、下墊面土壤水分、向上與向下總輻射、向上與向下長波輻射、海洋浪高、海水溫度和鹽度；由省級氣象主管機構(gòu)指定觀測項目包括詳細(xì)下墊面狀況和根據(jù)服務(wù)需要增加的觀測項目[3，4]。

近地層通量觀測儀器由3類儀器組成：必備儀器、由國務(wù)院氣象主管機構(gòu)指定觀測儀器和由省級氣象主管機構(gòu)指定的儀器。其中，必備儀器包括三維超聲風(fēng)溫儀、紅外H2O/CO2分析儀、空氣溫度濕度傳感器、風(fēng)速傳感器，風(fēng)向傳感器、四分量輻射傳感器、光合有效輻射傳感器、氣壓傳感器和紅外地表溫度傳感器；由國務(wù)院氣象主管機構(gòu)指定觀測儀器包括鉑電阻地溫傳感器、土壤水分傳感器和土壤熱通量傳感器、下墊面植被狀況觀測儀器、土壤水分傳感器、海洋浪高傳感器、海水溫度和鹽度傳感器；由省級氣象主管機構(gòu)指定的儀器包括根據(jù)服務(wù)需要增加的觀測儀器[5，6]。

中國氣象局在2007年12月印發(fā)了《近地層通量觀測業(yè)務(wù)規(guī)范(試行)》(氣發(fā)[2007]484號)，該規(guī)范主要為國家氣候觀象臺近地層通量觀測系統(tǒng)建設(shè)和業(yè)務(wù)運行提供標(biāo)準(zhǔn)，對通量觀測場地、觀測人員、儀器布局、儀器安裝維護(hù)、數(shù)據(jù)管理和儀器標(biāo)定等方面做了規(guī)定，同時規(guī)定了部分初級產(chǎn)品算法，并增加了必要的相關(guān)知識介紹，為通量系統(tǒng)建設(shè)人員和觀測人員提供了統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)[7，8]。近年，江蘇省陸續(xù)在南京、蘇州、無錫、常州、泰州和淮安等地建成了11套近地層通量觀測系統(tǒng)，并且有若干地市局正在規(guī)劃建設(shè)當(dāng)?shù)氐慕貙油坑^測系統(tǒng)，但目前仍然是各市局負(fù)責(zé)各自當(dāng)?shù)氐慕貙油坑^測，數(shù)據(jù)管理比較松散，數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)價值亟需挖掘，扁平化信息流程有待完善。因此，基于中國氣象局的規(guī)范，應(yīng)盡快建立全省統(tǒng)一的近地層通量觀測綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)。該業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)覆蓋數(shù)據(jù)采集、運行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)分析顯示和儀器巡檢維修等功能，從而為氣候與氣候變化分析、數(shù)值天氣預(yù)報、氣象信息、氣象服務(wù)和生態(tài)研究等提供重要的技術(shù)支撐。

1 功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)中心站和客戶端軟件：網(wǎng)絡(luò)中心站是通量觀測數(shù)據(jù)的集中處理和展示中心，可依托于氣象內(nèi)網(wǎng)以網(wǎng)站形式實時運行；客戶端軟件不依賴于網(wǎng)絡(luò)，分別安裝在每個站點的獨立計算機上，主要處理單機上的事務(wù)，體積小，運行效率高。根據(jù)通量觀測數(shù)據(jù)的采集特點和項目要求，系統(tǒng)分為5層，依次為接口層、數(shù)據(jù)層、監(jiān)控層、通訊層、業(yè)務(wù)層(圖1)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程

1.2 數(shù)據(jù)采集(子站客戶端)

各個通量觀測站點的客戶端負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)采集，通過計算機與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，各個臺站推送原始數(shù)據(jù)到中心站，中心站將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量檢查和標(biāo)準(zhǔn)報文格式轉(zhuǎn)換存放到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)文件中。

采集軟件由廠家提供，內(nèi)置于采集器中，主要功能包括：1)接受和響應(yīng)業(yè)務(wù)軟件對參數(shù)的設(shè)置和系統(tǒng)時鐘的調(diào)整(時鐘也可在采集器上直接調(diào)整，但必須保證采集器和計算機時鐘一致)；2)實時和定時采集各傳感器的輸出信號，經(jīng)計算、處理形成氣象要素值；3)存儲、顯示和傳輸各氣象要素值；4)運行狀態(tài)監(jiān)控；5)支持采集器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸功能；6)易于安裝、設(shè)置、操作，可通過各通訊接口、GPRS、電臺等通訊方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查看和短時間實時數(shù)據(jù)曲線趨勢查看，也可指定時間間隔、數(shù)據(jù)條數(shù)進(jìn)行人工/自動下載數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲與傳輸方面的要求：1)從設(shè)備采集的數(shù)據(jù)以兩種方式存儲，一種是文件形式，保存在本地目錄，可以根據(jù)用戶的配置生成多份數(shù)據(jù)文件；另一種是數(shù)據(jù)庫形式，按設(shè)定的時間間隔定時將本地目錄下的數(shù)據(jù)文件遠(yuǎn)程入庫。2)數(shù)據(jù)文件包括每日備份數(shù)據(jù)文件、入庫文件和報文。3)系統(tǒng)具有FTP上傳功能，F(xiàn)TP上傳頻率可配置。FTP上傳成功或失敗都應(yīng)有日志記錄，并提供FTP日志查詢功能。4)可配置數(shù)據(jù)入庫方式，通過直接從各個觀測站入庫或?qū)⑷霂煳募訤TP方式上傳至中心站，由中心站軟件入庫。網(wǎng)絡(luò)中斷時保存在本地，網(wǎng)絡(luò)連通時繼續(xù)上傳。5)系統(tǒng)可以生成規(guī)定格式的報文，報文通過FTP方式上傳。6)能夠根據(jù)采集計算機的世界時或北京時自動設(shè)定數(shù)據(jù)文件和報文的時間。7)文件格式參考規(guī)范《通量觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件格式》。

配置管理與監(jiān)控方面的要求：1)監(jiān)控與中心站的通信狀態(tài)，當(dāng)通信異常時能夠在界面上以圖標(biāo)形式給予提示；2)提供站點信息與系統(tǒng)參數(shù)的配置，包括：站號、站名、文件生成目錄(備份目錄、日志目錄、報文生成目錄、入庫數(shù)據(jù)上傳目錄等信息)、中心站IP地址、數(shù)據(jù)庫信息、觀測站的經(jīng)緯度、海拔信息。

1.3 統(tǒng)計方法 采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件分析，所有結(jié)果以（）表示，采用單因素方差分析（oneway ANOVA）檢驗其差異性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

1.3 運行狀態(tài)監(jiān)控

江蘇省近地層通量觀測綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)對各個地市傳輸至平臺的數(shù)據(jù)通過狀態(tài)方式實行實時不間斷監(jiān)控，提前預(yù)知可能存在的故障風(fēng)險，對已出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行預(yù)警報警；狀態(tài)數(shù)據(jù)可視化，可做統(tǒng)計、導(dǎo)出、歸檔，保證數(shù)據(jù)持續(xù)、穩(wěn)定、安全運行。

運行狀態(tài)監(jiān)控主要包括以下方面功能：1)通信狀態(tài)監(jiān)控：實時監(jiān)測各個觀測站點的通信狀態(tài)；2)數(shù)據(jù)到報監(jiān)控：實時監(jiān)測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否按時到達(dá)中心平臺，對數(shù)據(jù)的到達(dá)狀態(tài)實時監(jiān)控，不同實測通過不同顏色標(biāo)記數(shù)據(jù)是否到達(dá)；3)數(shù)據(jù)閾值監(jiān)控：實時監(jiān)控各個觀測站上傳的數(shù)據(jù)；4)儀器運行監(jiān)控：實時監(jiān)控各個觀測站儀器運行情況；5)監(jiān)控日志記錄：對監(jiān)控到的異常情況能夠以日志形式記錄，并提供監(jiān)控日志查詢功能。若監(jiān)控過程中出現(xiàn)通信狀態(tài)異常、數(shù)據(jù)未到達(dá)、數(shù)據(jù)超出閾值或儀器異常等情況，能夠通過短信、聲音、彈窗通知等方式告知值班人員。

1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是通過對實時采集的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，按設(shè)定的規(guī)則對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制功能主要包含以下幾方面功能：1)要求系統(tǒng)提供完善的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，具有數(shù)據(jù)自動校準(zhǔn)、自動訂正的計算模型；2)系統(tǒng)能夠在后臺自動定時地將各站觀測數(shù)據(jù)按設(shè)定的校準(zhǔn)公式對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)；3)系統(tǒng)自動校準(zhǔn)后能夠?qū)ξ醋詣佑喺臄?shù)據(jù)自動完成各個要素不同時間段缺測值和負(fù)值的自動篩選，并對篩選數(shù)據(jù)作標(biāo)識；4)對自動訂正后的數(shù)據(jù)(原始數(shù)據(jù)不需要修改)可以進(jìn)行進(jìn)一步的人工訂正，在訂正時以曲線圖和數(shù)據(jù)列表的形式展示數(shù)據(jù)，方便用戶觀察到異常數(shù)據(jù)，用戶直接在數(shù)據(jù)列表或圖表上對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識，數(shù)據(jù)人工訂正自動更新至數(shù)據(jù)庫；5)在訂正人員訂正數(shù)據(jù)并提交之后，由審核人員進(jìn)行進(jìn)一步審核，以曲線圖和數(shù)據(jù)列表的形式展示數(shù)據(jù)，審核人員可直接在圖表上看到訂正人員的訂正記錄，當(dāng)審核人員發(fā)現(xiàn)訂正結(jié)果不準(zhǔn)確時可直接修改訂正人員的訂正結(jié)果并提交，也可將不準(zhǔn)確的訂正記錄退回給訂正人員重新訂正；6)當(dāng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程結(jié)束后，可將該時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行統(tǒng)計，系統(tǒng)會重新計算該時間段內(nèi)的小時、日、月均值，以及歷史極值；7)設(shè)立動態(tài)限值庫，標(biāo)注每個要素、每月的最高限值，為管理人員提供限值修改界面，有默認(rèn)的初始值，當(dāng)管理人員修改閾值后，歷史數(shù)據(jù)需要重新篩選并進(jìn)行預(yù)警；8)根據(jù)動態(tài)限值庫的限值和異常值判定公式，對各個要素的監(jiān)測值進(jìn)行自動篩選，并作標(biāo)識(標(biāo)識顏色)；9)每日在后臺定時生成質(zhì)控信息文件并自動保存，可以供用戶隨時調(diào)閱查看數(shù)據(jù)修改前后的記錄；10)提供開放接口，在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以隨時根據(jù)最新要求和專家意見加入新的質(zhì)量控制方法；11)質(zhì)控數(shù)據(jù)查詢下載，按觀測要素、時間段查詢各站觀測數(shù)據(jù)和質(zhì)控后的數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)以Excel形式導(dǎo)出。

1.5 數(shù)據(jù)分析顯示

該模塊主要包含以下幾個方面：1)空間分布。以GIS地圖顯示站點最新數(shù)據(jù)，觀測要素的顏色標(biāo)示可配置；展示觀測要素列表，能夠直接選擇觀測要素查看該要素各站觀測數(shù)據(jù)；提供圖層選擇，包括行政區(qū)域、數(shù)據(jù)、站名等圖層；當(dāng)站點數(shù)據(jù)未及時上傳時以特殊顏色標(biāo)示該站；地圖上的數(shù)據(jù)可展示各站最新數(shù)據(jù)，也可選擇某一時刻的各站數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。2)站點信息。顯示各個站點基本信息，包括站名、經(jīng)緯度、站點儀器型號列表、儀器序列號和各儀器的運行狀態(tài)信息。3)站點現(xiàn)場采集照片。展示各站點采集的圖片，圖片可手動錄入或刪減。4)視頻鏈接地址。各觀測站有視頻鏈接地址，可查看站點周邊的環(huán)境，在瀏覽器中打開視頻鏈接，將自動播放視頻內(nèi)容。5)數(shù)據(jù)顯示。頁面自動定時刷新以保持顯示最新的實時數(shù)據(jù)。6)值班信息展示。展示各個站點每日的值班情況。7)圖表展示。能夠?qū)⒏髡就扑瓦^來的數(shù)據(jù)生成曲線圖、直方圖等，顯示要素、坐標(biāo)軸名稱、曲線所屬坐標(biāo)軸以及實時顯示時間段；當(dāng)觀測值超出設(shè)定閾值時文本框顯示紅色。8)歷史數(shù)據(jù)對比。能夠以時間段、站點、儀器型號、要素等條件查詢子站選定觀測要素的歷史曲線變化，在同一個圖表中能夠根據(jù)多種要素進(jìn)行對比；提供單站點多要素對比和多站點單要素對比，對比結(jié)果以圖片格式下載。9)異常告警。系統(tǒng)需要具有自身故障診斷和報警提醒功能，當(dāng)平臺監(jiān)測到有站點通信異常、數(shù)據(jù)或報文未及時上傳、數(shù)據(jù)異常時在業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)上有異常通知；一般提示性的信息通過彈出信息窗口，以文字和聲音提醒；對于重要信息，則通過手機短信方式報警，平臺軟件可以提取值班員表中的手機號碼并對相應(yīng)號碼發(fā)送短信。

1.6 儀器巡檢維修

現(xiàn)場值守人員負(fù)責(zé)對現(xiàn)場儀器運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、管理和維護(hù)，通過對系統(tǒng)運行日志的分析可以提前發(fā)現(xiàn)并排除可能發(fā)生的潛在故障。維護(hù)期內(nèi)提供技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控服務(wù)，了解設(shè)備狀態(tài)，跟蹤設(shè)備以及設(shè)備管理的實施情況和改進(jìn)方向，有效地進(jìn)行設(shè)備管理工作。觀測儀器管理主要包括儀器巡檢、儀器故障上報和儀器維修等。

儀器巡檢是對儀器進(jìn)行定期巡檢，檢查儀器及儀器運轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常，可分為3方面：1)月度巡檢。每月對各系統(tǒng)及儀器進(jìn)行安全系統(tǒng)檢查并對檢查過程中發(fā)現(xiàn)的故障及安全隱患進(jìn)行上報處理。2)季度巡檢。每季度由維護(hù)團(tuán)隊對所有儀器進(jìn)行安全評估和風(fēng)險分析，提交安全狀況評估報告，分析存在的安全隱患情況并提出整改方案和建議。3)年度檢查。每年由維護(hù)團(tuán)隊組織相關(guān)的專家(含硬件和軟件)對所有儀器進(jìn)行安全檢查，并對下一年可能存在的問題進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測，對每個儀器的狀態(tài)出具使用報告。

儀器故障上報是指儀器巡檢人員選件之后錄入相關(guān)的巡檢結(jié)果，包含巡檢人、檢查情況、巡檢的設(shè)備、設(shè)備是否出現(xiàn)故障、檢查儀器的故障原因和現(xiàn)場照片等信息。如果在設(shè)備檢查中發(fā)現(xiàn)問題，巡檢人員在上報巡檢結(jié)果的同時，可以通知維修人員及時維修。報告單錄入后能夠在管理系統(tǒng)上通知中心查看。該系統(tǒng)能夠按照日期、設(shè)備型號以及故障狀態(tài)查詢設(shè)備故障歷史報告單的完整信息，包括報告單基本信息、儀器故障信息、中心站處理意見和故障解決方法。

儀器維修是指檢修人員根據(jù)上報的情況進(jìn)行維修檢查，若儀器沒有異常情況則通知巡檢人員，同時上報檢修記錄；若設(shè)備有異常情況，則進(jìn)行儀器維修，待維修人員維修設(shè)備后，再將相關(guān)情況錄入維修單。

1.7 管理后臺

章節(jié)1.1～1.6闡述的是該系統(tǒng)中最重要的業(yè)務(wù)核心模塊，其他配置類和輔助類的功能則統(tǒng)一歸置于管理后臺模塊。管理后臺主要面向省級和市級管理員，雖然和普通用戶的交互較少，但是對于用戶體驗而言至關(guān)重要。

管理后臺主要分為以下幾個方面：1)站點信息。配置站點的基本信息包括站點的站名、經(jīng)緯度、海拔，查看觀測儀器(儀器名稱、觀測儀器名、觀測要素)。2)觀測儀器。對儀器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)(儀器型號、儀器名稱、觀測要素、所在站點、廠商、儀器狀態(tài))。3)值班信息。提供添加與管理功能，針對臺站管理人員，按國家局規(guī)定的要求添加值班項目，提供值班記錄信息錄入功能，錄入信息包括：站點、開始結(jié)束時間、運行狀態(tài)、維修維護(hù)、天氣現(xiàn)象和值班員。4)人工訂正審核。由基礎(chǔ)的訂正員發(fā)起數(shù)據(jù)訂正審批操作，由后臺管理人員審核，審核通過的訂正才能修改數(shù)據(jù)，并進(jìn)行重新計算。5)異常消息通知。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到有站點通信異常、數(shù)據(jù)或報文未及時上傳、數(shù)據(jù)異常時在管理系統(tǒng)上顯示異常通知。6)儀器故障維修通知。當(dāng)中心站用戶接收到各個觀測站的儀器故障報告時能夠在管理系統(tǒng)中填寫處理意見，中心站用戶填寫處理意見后以彈窗方式告知值班人員。7)報文制作。由于各個廠家通量觀測數(shù)據(jù)的格式不一致，前期需要根據(jù)各個通量觀測站點的實際觀測資料格式分別制作子站客戶端，在本地進(jìn)行原始資料處理并生成規(guī)定格式的報文，然后通過氣象局內(nèi)網(wǎng)以FTP方式推送至省探測中心的中心站。中心站需要具有報文解析功能，可以將各子站推送來的報文統(tǒng)一入庫。8)知識庫。存儲通量觀測方面名詞解釋和某些診斷量的計算公式，包括知識采集、知識存儲、下載預(yù)覽和知識獲取等功能。9)遠(yuǎn)程管理?？刹榭锤髡具\行參數(shù)信息，包括各個觀測站的采集頻率、上傳頻率以及采集軟件的采集、上傳運行狀態(tài)，能控制各個觀測站軟件的采集和上傳運行。能遠(yuǎn)程校準(zhǔn)各個觀測站計算機和設(shè)備的時鐘等。10)系統(tǒng)日志。包括日志記錄和日志查詢等功能。11)其他配置。包括要素配置、界限值配置和各站設(shè)備自定義方式配置等功能。12)系統(tǒng)管理。包括用戶管理和角色管理等功能。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)的研制完全按照軟件工程的方法和過程實施，研制過程主要包括需求分析、概要設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計與編碼調(diào)試、測試與系統(tǒng)集成、全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、業(yè)務(wù)試運行和驗收等多個階段，遵循穩(wěn)定性、安全性、可維護(hù)性、易操作性、可擴展性、開放性和先進(jìn)性等設(shè)計原則，開發(fā)了基于Vue框架語言的用戶界面，疊加了GIS地理信息技術(shù)，采用了基于Echarts的圖表展現(xiàn)和基于Spring Boot的后臺業(yè)務(wù)架構(gòu)，并構(gòu)建了基于Mysql的關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲和基于RabbitMQ的消息隊列服務(wù)。

該系統(tǒng)的主界面采取主流的大數(shù)據(jù)風(fēng)格，簡潔明了，在實際的業(yè)務(wù)大屏上顯示效果很好。該系統(tǒng)目前已經(jīng)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，運行流暢穩(wěn)定。

為了兼顧業(yè)務(wù)大屏的顯示效果和實際操作的便利性，該系統(tǒng)的管理后臺采取簡潔的黑白系設(shè)計。通過點擊管理后臺菜單，可以直接切換到管理后臺；當(dāng)處于管理后臺時，可以通過點擊頂端的返回按鈕直接切換到主頁界面。在實際使用過程中，一線業(yè)務(wù)人員反饋模塊切換流暢，簡單操作。

3 結(jié)束語

文章針對江蘇省已有的近地層通量觀測系統(tǒng)存在的問題，以及未來建設(shè)近地層通量觀測新系統(tǒng)的需要，基于中國氣象局的規(guī)范，建立了一套包含數(shù)據(jù)采集、運行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)分析顯示以及儀器巡檢維修等功能的近地層通量觀測綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)達(dá)到了“十三五”氣象事業(yè)發(fā)展規(guī)劃中“加強垂直探測能力，提高信息化水平”的要求，并為氣候與氣候變化分析、數(shù)值天氣預(yù)報、氣象信息、氣象服務(wù)和生態(tài)研究等提供了重要的技術(shù)支撐。

下一步工作是該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，同時需要根據(jù)一線業(yè)務(wù)人員的使用反饋持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)該系統(tǒng)，以實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的有效覆蓋，形成統(tǒng)籌、集約、高效的管理體系。