羅 丹，朱宏武

（1.湖南省氣象服務(wù)中心，長(zhǎng)沙 410118；2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118；3.湖南省氣象信息中心，長(zhǎng)沙 410118）

湖南省氣象局基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)湖南氣象網(wǎng)進(jìn)行了改造升級(jí)，根據(jù)公眾的需求，設(shè)計(jì)多元且個(gè)性化的氣象服務(wù)產(chǎn)品，包括短臨及中短期的城市預(yù)報(bào)、格點(diǎn)化預(yù)報(bào)、景點(diǎn)預(yù)報(bào)等，自動(dòng)生成基于位置、圖形圖表化的氣象監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警產(chǎn)品，有效提升了氣象服務(wù)在時(shí)空上的精度及氣象信息的使用率，拓寬了氣象信息的覆蓋面，提升了公眾氣象服務(wù)的效果與體驗(yàn)感。

1 網(wǎng)站公眾氣象服務(wù)設(shè)計(jì)

1.1 精細(xì)化

精細(xì)化主要體現(xiàn)在產(chǎn)品種類(lèi)以及時(shí)空精度兩個(gè)方面。

1.1.1 產(chǎn)品種類(lèi)該系統(tǒng)提供種類(lèi)豐富、專(zhuān)業(yè)全面的氣象GIS服務(wù)及氣象服務(wù)產(chǎn)品。其中，氣象GIS服務(wù)包括預(yù)警（預(yù)警信號(hào)、預(yù)警信號(hào)查詢）、預(yù)報(bào)（城市預(yù)報(bào)、分鐘級(jí)降水預(yù)報(bào)、強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)、旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)）、實(shí)況（氣象要素實(shí)況、生態(tài)環(huán)境實(shí)況）、雷達(dá)回波圖、衛(wèi)星云圖等。同時(shí)，網(wǎng)站特別增加了生態(tài)環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)信息展示。

氣象服務(wù)產(chǎn)品則包括全省降水量預(yù)報(bào)、全省氣溫預(yù)報(bào)、專(zhuān)題預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品、全省氣溫實(shí)況、全省降水量實(shí)況、為農(nóng)氣象服務(wù)產(chǎn)品、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、氣候服務(wù)產(chǎn)品、天氣分析圖、臺(tái)風(fēng)路徑等。其中，全省降水量預(yù)報(bào)、全省氣溫預(yù)報(bào)等產(chǎn)品均通過(guò)圖形化的方式進(jìn)行展示。

與原網(wǎng)站相比，新網(wǎng)站在產(chǎn)品種類(lèi)上有了大幅度提升，由十幾種提升至幾十種。產(chǎn)品展現(xiàn)方式也由文檔、圖片擴(kuò)展到生動(dòng)專(zhuān)業(yè)的GIS地圖展示，從而取得了量和質(zhì)兩方面的提升，并有效地?cái)U(kuò)大了氣象服務(wù)覆蓋面，提升了氣象服務(wù)的科技內(nèi)涵和支撐，為用戶提供了多樣、精細(xì)的氣象服務(wù)［1］。

1.1.2 時(shí)空精度氣象服務(wù)板塊的精細(xì)化還體現(xiàn)在產(chǎn)品的時(shí)空精度上，就時(shí)間精度而言，可以提供未來(lái)2 h逐5 min降水預(yù)報(bào)、未來(lái)24 h逐小時(shí)天氣預(yù)報(bào)、未來(lái)24 h逐3 h智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)、未來(lái)14 d逐天天氣預(yù)報(bào)，相比于原網(wǎng)站產(chǎn)品24 h的時(shí)間范圍，新網(wǎng)站在時(shí)間精度上取得了大幅度的提升，精確到了分鐘級(jí)，并且預(yù)報(bào)的時(shí)間范圍由5 min、1 h、3 h到1 d，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間范圍上的全覆蓋，為不同需求的用戶提供更精準(zhǔn)有效的氣象服務(wù)。就空間精度而言，能夠提供1 km×1 km的智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)、5 km×5 km的分鐘級(jí)降水預(yù)報(bào)，相比于原網(wǎng)站僅能展示站點(diǎn)數(shù)據(jù)，新網(wǎng)站通過(guò)在空間精度上的顯著提升，使用戶能夠獲取到更精細(xì)的氣象信息［2］。

1.2 基于位置的服務(wù)

1.2.1 氣象GIS服務(wù)該系統(tǒng)利用GIS技術(shù)提供了包括預(yù)警（預(yù)警信號(hào)、預(yù)警信號(hào)查詢）、預(yù)報(bào)（城市預(yù)報(bào)、分鐘級(jí)降水預(yù)報(bào)（圖1）、智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)、旅游景點(diǎn)預(yù)報(bào)等）、實(shí)況（氣象要素實(shí)況、生態(tài)環(huán)境實(shí)況）、雷達(dá)回波圖（圖2）、衛(wèi)星云圖等在內(nèi)的氣象GIS服務(wù)，將各類(lèi)氣象數(shù)據(jù)以點(diǎn)位圖、色斑圖等方式在地圖上進(jìn)行疊加展示。

圖1 分鐘級(jí)降水預(yù)報(bào)

圖2 基于位置的全省雷達(dá)拼圖

首先，該系統(tǒng)通過(guò)收集湖南省全省行政區(qū)、氣象站等的基礎(chǔ)地理信息，利用GIS桌面制圖技術(shù)規(guī)范，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提供滿足系統(tǒng)需求的全省GIS地圖，開(kāi)發(fā)如下的GIS功能：

1）GIS地圖支持多級(jí)縮放和拖拽等基本功能。

2）在不同比例尺下支持信息分級(jí)顯示功能，始終顯示符合地圖比例尺大小的地理、氣象信息，避免在地圖分辨率較低時(shí)在地圖上出現(xiàn)過(guò)多的信息。

3）提供氣象站和色斑圖等多種類(lèi)型的圖層疊加顯示功能。

相比于原網(wǎng)站只能提供圖片及文檔格式的氣象服務(wù)產(chǎn)品，新網(wǎng)站提供的GIS氣象服務(wù)將原始的實(shí)況、預(yù)報(bào)等氣象數(shù)據(jù)疊加在地圖上，并通過(guò)上述GIS功能進(jìn)行了更直觀、生動(dòng)、精準(zhǔn)展示，提高了氣象服務(wù)產(chǎn)品的智能性、科學(xué)性、先進(jìn)性。

1.2.2 高精度IP定位服務(wù) 該系統(tǒng)依托全省GIS地圖，結(jié)合百度位置大數(shù)據(jù)和高精尖定位技術(shù)，提供定位氣象服務(wù)產(chǎn)品，其定位精度高、覆蓋廣、速度快，定位綜合成功率高，定位誤差低。例如在GIS地圖上準(zhǔn)確地展示用戶IP位置未來(lái)2 h逐5 min的降水預(yù)報(bào)信息，用戶還可點(diǎn)擊地圖其他位置更換定位地點(diǎn)，查看其他定位處的降水預(yù)報(bào)詳情?；谖恢谜故練庀髷?shù)據(jù)的方式，有效地提高了氣象服務(wù)產(chǎn)品的精準(zhǔn)、靈活、智能化程度［3］。

1.3 數(shù)據(jù)圖形化

該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)對(duì)各類(lèi)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理，以下列4種可視化方式進(jìn)行展示［4］。

1）圖表。系統(tǒng)利用ECharts工具將24 h預(yù)報(bào)、14 d預(yù)報(bào)等以曲線圖的方式進(jìn)行展示，使用戶能更清晰地了解各氣象要素隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

2）色斑圖。系統(tǒng)利用java.awt.Graphics2D將各氣象要素、生態(tài)環(huán)境要素、雷達(dá)數(shù)據(jù)等以色斑圖的方式在GIS地圖上進(jìn)行疊加展示，使用戶能了解各氣象要素在不同區(qū)域的分布情況。

3）三維展示。系統(tǒng)利用d3、d3.geo技術(shù)，通過(guò)顏色的深淺標(biāo)示風(fēng)速大小、氣體流向標(biāo)示風(fēng)向，對(duì)風(fēng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理，并疊加在立體地圖上進(jìn)行展示，使用戶更直觀地了解全省風(fēng)預(yù)報(bào)信息。

4）動(dòng)態(tài)播放。系統(tǒng)根據(jù)接入的自動(dòng)站數(shù)據(jù)，再分析數(shù)據(jù)，將其中的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)結(jié)合地理信息繪制成流線數(shù)據(jù)，使用戶可自由選取風(fēng)場(chǎng)的高度（地面、500 hPa）進(jìn)行動(dòng)態(tài)播放。

相比于原網(wǎng)站圖片、文檔格式的展示方式，新網(wǎng)站將氣象數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)圖形化處理技術(shù)，為不同類(lèi)型的氣象數(shù)據(jù)匹配不同的可視化展示方式，使用戶能更直觀、清晰地了解所需的氣象信息及氣象數(shù)據(jù)分布情況、變化趨勢(shì)，有效地提高了數(shù)據(jù)可視化程度。

2 氣象算法

2.1 資料處理

該系統(tǒng)能夠通過(guò)湖南省氣象局網(wǎng)絡(luò)，獲取自動(dòng)站實(shí)況數(shù)據(jù)、雷達(dá)基數(shù)據(jù)、中尺度模式降水?dāng)?shù)據(jù)、全球模式降水?dāng)?shù)據(jù)和強(qiáng)降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品。對(duì)所獲得的自動(dòng)站數(shù)據(jù)，質(zhì)控采用Knn-Barnes算法。K-nearest neighbour（knn）算法本身是一種識(shí)別算法，可以找尋出離本站點(diǎn)（或格點(diǎn)）最近的K個(gè)站點(diǎn)。而B(niǎo)arnes作為一種氣象常用的插值算法，可以有效地利用Knn算法中所尋找到的周邊站點(diǎn)的信息確定本站點(diǎn)（或格點(diǎn)）的信息。在實(shí)際數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)站缺測(cè)、未及時(shí)傳輸上報(bào)數(shù)據(jù)等造成數(shù)據(jù)缺失的情況。此時(shí)引入Knn-Barnes插值算法可有效解決這一問(wèn)題，明顯改善數(shù)據(jù)缺測(cè)帶來(lái)的影響，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，更為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供了保障。

對(duì)于該算法，質(zhì)控主要分為氣候極值范圍檢查、內(nèi)部一致性檢查、空間一致性檢查、地形檢查等方面。自動(dòng)站數(shù)據(jù)首先要滿足極值限定要求，對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行Knn-Barnes差值匹配，若其余周?chē)军c(diǎn)信息一致性較差，則不采信該站點(diǎn)信息，從而完成梯度質(zhì)控。由于各個(gè)氣象要素受地形高度的影響較大，在進(jìn)行插值時(shí)，需要考慮由地形高度差引起的誤差。此時(shí)，在插值算法中引入地形質(zhì)控，可有效解決這一問(wèn)題。

2.2 預(yù)警提醒

該系統(tǒng)根據(jù)各項(xiàng)指定的氣象指標(biāo)生成客觀的預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品。根據(jù)網(wǎng)站的IP地址定位功能，自動(dòng)識(shí)別預(yù)警范圍內(nèi)的用戶，并在GIS地圖上對(duì)相關(guān)用戶進(jìn)行提示。用戶可根據(jù)自身需要，自由設(shè)置預(yù)警提示類(lèi)型，確保用戶可及時(shí)關(guān)注到網(wǎng)站的預(yù)警提示（圖3）。

圖3 預(yù)警信息展示圖

2.3 產(chǎn)品展示

產(chǎn)品有多種展現(xiàn)方式，包括且不限于色斑圖、單點(diǎn)三線圖、單點(diǎn)雨量柱狀圖。在湖南省地圖上，制作不同時(shí)段、不同區(qū)域的降水等級(jí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品（圖4）。產(chǎn)品格式有word格式、圖片格式和txt格式。

圖4 10 d累計(jì)降水色斑圖

網(wǎng)站后臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理、加工成降水實(shí)況、預(yù)報(bào)、預(yù)警產(chǎn)品，并疊加湖南省地理信息，無(wú)需人工干預(yù)，產(chǎn)品自動(dòng)生成。

該系統(tǒng)具有較好的繼承性，實(shí)現(xiàn)湖南省原有GIS信息的融合，所生產(chǎn)的各個(gè)信息均可疊加在原有GIS信息上。

基于便攜式圖形工作站，將某一時(shí)刻觀測(cè)站實(shí)況雨量數(shù)據(jù)，按照觀測(cè)站點(diǎn)經(jīng)緯度標(biāo)識(shí)在湖南省地圖上，同時(shí)疊加顯示降雨區(qū)域以及面雨量（圖5），方便用戶查看降雨實(shí)況。

圖5 自動(dòng)站降雨監(jiān)測(cè)

2.4 產(chǎn)品制作

2.4.1 實(shí)況監(jiān)測(cè)針對(duì)降水的實(shí)況監(jiān)測(cè)，由于定量降水估計(jì)產(chǎn)品的空間分辨率和時(shí)間分辨率的要求較高，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。第一，定量降水估計(jì)產(chǎn)品的更新頻率很快（10 min一次），在自動(dòng)站數(shù)據(jù)采集時(shí)，不能保證每次所有的自動(dòng)站數(shù)據(jù)都能穩(wěn)定，出現(xiàn)部分自動(dòng)站數(shù)據(jù)缺失以及將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值成格點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)插值結(jié)果不穩(wěn)定的區(qū)域。第二，由于定量降水估計(jì)產(chǎn)品的空間分辨率很高（1 km×1 km），整個(gè)湖南省約為50萬(wàn)個(gè)格點(diǎn)。在已有的服務(wù)器運(yùn)算能力條件下，必須保證每10 min更新一次降水實(shí)況。由于湖南氣象網(wǎng)面對(duì)的公眾用戶眾多，所以要求從數(shù)據(jù)到達(dá)至產(chǎn)品生成不能有過(guò)多的延時(shí)，就必須保證插值算法具有足夠高的運(yùn)算速度。

針對(duì)這種情況采用Knn_Barnes插值算法，該算法融合了Knn算法的大數(shù)據(jù)思想和Barnes算法的氣象理論，可在部分自動(dòng)站數(shù)據(jù)缺測(cè)或者未及時(shí)傳輸?shù)竭_(dá)的情況下，進(jìn)行自動(dòng)站的自動(dòng)補(bǔ)缺作用，保證1 km×1 km的格點(diǎn)化產(chǎn)品穩(wěn)定生成。同時(shí)，由于Knn_Barnes算法在運(yùn)算前，根據(jù)各個(gè)自動(dòng)站和格點(diǎn)的位置提前生成穩(wěn)定的權(quán)重系數(shù)靜態(tài)文件。在插值運(yùn)算進(jìn)行時(shí)，可直接調(diào)用，其運(yùn)算速度是傳統(tǒng)的雙線性插值、克里金插值等傳統(tǒng)算法的幾十倍。

針對(duì)自動(dòng)站稀疏地區(qū)，需要結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星等實(shí)況數(shù)據(jù)，利用雷達(dá)和衛(wèi)星的降水反演技術(shù)，進(jìn)行實(shí)況反演。采用動(dòng)態(tài)Z-I關(guān)系方法，根據(jù)最新的雷達(dá)和自動(dòng)站降水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新Z-I關(guān)系，從而減小不同降水過(guò)程中雨滴譜差異造成的估算誤差。

將獲取到的站點(diǎn)實(shí)況數(shù)據(jù)，通過(guò)經(jīng)緯度疊加在對(duì)應(yīng)位置的地圖上，并加入地圖層級(jí)比例縮放展示不同層級(jí)的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以通過(guò)勾選對(duì)映氣象要素來(lái)切換，還加入了色斑圖的展示，通過(guò)站點(diǎn)插值和湖南省邊界shp文件經(jīng)緯度數(shù)據(jù)生成與邊界吻合的色斑圖。

2.4.2 外推產(chǎn)品針對(duì)0～2 h時(shí)段，基于已有降水實(shí)況及雷達(dá)產(chǎn)品等資料，研發(fā)多種外推算法（包括且不限于TREC方法、SCIT算法、光流法、TITAN算法），給出空間分辨率為1 km×1 km，時(shí)間分辨率10 min的定量降水預(yù)報(bào)。由于湖南省地形復(fù)雜，水系縱橫，僅采取某一種外推算法進(jìn)行預(yù)報(bào)必定限制其準(zhǔn)確率。為解決上述問(wèn)題提供多種外推算法，可幫助用戶選取適應(yīng)本地化需求的外推產(chǎn)品。其產(chǎn)品快速滾動(dòng)更新，更新時(shí)間間隔在6～10 min。外推算法所得結(jié)果可在用戶端清晰地展示。

針對(duì)0～6 h時(shí)段，研發(fā)外推算法與模式資料融合算法，由于模式預(yù)報(bào)結(jié)果與真實(shí)的降水情況相比，會(huì)出現(xiàn)降水區(qū)域和降水強(qiáng)度的偏移，利用離散傅里葉變換算法和多尺度光流算法對(duì)模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行位置訂正，再利用韋伯分布算法對(duì)模式預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度進(jìn)行訂正，利用動(dòng)態(tài)權(quán)重融合法對(duì)修正后的模式預(yù)報(bào)結(jié)果和外推預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行融合，給出空間分辨率為1 km×1 km，時(shí)間分辨率為30 min的定量降水預(yù)報(bào)。產(chǎn)品滾動(dòng)更新時(shí)間間隔在30 min。

針對(duì)0～24 h時(shí)段，基于現(xiàn)有中尺度模式結(jié)果，將其在時(shí)間、空間上進(jìn)行降尺度。使得產(chǎn)品的空間分辨率為1 km×1 km，時(shí)間分辨率為1 h。Knn-Barnes插值算法，給出精細(xì)網(wǎng)格化降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品。相比于傳統(tǒng)的雙線性插值方法，該算法具有計(jì)算速度快、占用資源少等優(yōu)勢(shì)。

2.4.3 智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)解析獲取的智能網(wǎng)格文件，起報(bào)時(shí)間為8時(shí)和20時(shí)，在地圖上展示逐3 h格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，展示要素包括降水、氣溫、最高氣溫、最低氣溫、濕度、能見(jiàn)度（圖6）。可隨時(shí)隨地獲得基于位置的精細(xì)化氣象服務(wù)，將實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)向格點(diǎn)預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)變。

圖6 智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)

2.4.4 24 h城市預(yù)報(bào)通過(guò)精細(xì)化氣象服務(wù)產(chǎn)品國(guó)省共享平臺(tái)獲取小時(shí)分辨率預(yù)報(bào)和24 h分辨率預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)（圖7），再結(jié)合地圖和E-CHART彈窗的方式列表顯示對(duì)應(yīng)的天氣圖標(biāo)、天氣現(xiàn)象、氣溫等要素，點(diǎn)擊地圖上站點(diǎn)可以任意切換對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖7 24 h城市預(yù)報(bào)

3 小結(jié)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了湖南氣象部門(mén)網(wǎng)站集約化，統(tǒng)一全省氣象部門(mén)信息的發(fā)布窗口，建立省級(jí)主站及14個(gè)市（州）子站，采用統(tǒng)一的后臺(tái)、統(tǒng)一的風(fēng)格、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來(lái)源、統(tǒng)一氣象服務(wù)產(chǎn)品展示模式［5］，實(shí)現(xiàn)了湖南氣象網(wǎng)內(nèi)容管理平臺(tái)、信息發(fā)布服務(wù)平臺(tái)、業(yè)務(wù)管理平臺(tái)的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了氣象信息、氣象新聞的實(shí)時(shí)發(fā)布，信息的快速傳播，內(nèi)容的有效整合，資源的便捷共享，服務(wù)的雙向互動(dòng)。湖南氣象網(wǎng)成為面向社會(huì)公眾提供權(quán)威、及時(shí)、準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)氣象信息服務(wù)的總出口與總平臺(tái)。