馬蕾 冉桂平 褚穎佳 趙子龍

（濟南市氣象局 山東省濟南市 250102）

1 引言

隨著經(jīng)濟和科技的高速發(fā)展, 人們對于氣象服務(wù)的要求也越來越精細(xì)化。特別是上下班、出行、旅游、農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)活動等方面，人們越來越關(guān)注自身所在位置區(qū)域氣象實時變化情況。精細(xì)化預(yù)報在人們的生產(chǎn)生活中具有重要的指導(dǎo)意義。2020年，山東省人民政府辦公廳發(fā)布了《關(guān)于加快推進新型智慧城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》，統(tǒng)籌推進全省新型智慧城市建設(shè)，對氣象信息融入智慧城市運行和政府決策提出了要求，也給省內(nèi)各級氣象部門帶來了挑戰(zhàn)。

近幾年，氣象預(yù)報逐步實現(xiàn)了由站點向格點預(yù)報轉(zhuǎn)變，形成了以模式預(yù)報為背景場，結(jié)合站點預(yù)報和精細(xì)化地理信息訂正的氣溫、相對濕度等連續(xù)變量的智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品，并在氣象預(yù)報業(yè)務(wù)中已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用。為精細(xì)化預(yù)報服務(wù)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

目前，精細(xì)化預(yù)報服務(wù)問題主要集中在兩方面：一是由于格點預(yù)報產(chǎn)品數(shù)據(jù)體量大且數(shù)據(jù)格式復(fù)雜難懂，因此其數(shù)據(jù)的讀取和處理工作是比較困難的。各級氣象部門在氣象服務(wù)過程中存在重復(fù)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)無法規(guī)范統(tǒng)一的問題。二是目前全國智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品空間分辨率為5km，無法滿足精細(xì)化要求較高的行業(yè)和地區(qū)的服務(wù)需求。為了更加高效、方便、廣泛地滿足精細(xì)化預(yù)報數(shù)據(jù)的服務(wù)需求，就必須建立統(tǒng)一、易懂、調(diào)用便捷且更為精細(xì)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。

2 建設(shè)內(nèi)容

使用智能網(wǎng)格全國5*5km格點預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品，實現(xiàn)對于獲取山東省任意經(jīng)緯度位置的預(yù)報要素值數(shù)據(jù)的接口開發(fā)，其涉及的預(yù)報時效和頻次與格點數(shù)據(jù)一致（預(yù)報時效240小時，時間間隔1小時）。要素包括氣溫、降水、相對濕度、云量等要素。并使用本接口實現(xiàn)基于jQuery的動態(tài)精細(xì)化格點預(yù)報場GIS顯示。

實現(xiàn)省內(nèi)任意區(qū)域空間分辨率為1*1km按要素的最新精細(xì)化預(yù)報：該功能主要用于解決針對區(qū)域的預(yù)報服務(wù)需求，包括任意區(qū)域的溫度、風(fēng)向風(fēng)速、最高溫度、最低溫度、降水等要素的預(yù)報，返回某未來時次（十天內(nèi)）某要素的自定義區(qū)域的預(yù)報結(jié)果, 解決“最近一公里”的預(yù)報服務(wù)需求。

實現(xiàn)省內(nèi)任意點按要素未來十天的精細(xì)化預(yù)報：返回用戶對某位置某要素的未來十天內(nèi)的變化情況，為用戶提供生產(chǎn)生活參考價值。

3 技術(shù)架構(gòu)

基于Linux操作系統(tǒng)環(huán)境，使用PHP、Fortran語言實現(xiàn)接口開發(fā)。接口開發(fā)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、接口服務(wù)。從NAS存儲實時采集格點預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品，通過文件解析提取氣溫、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、降水量、云量等要素的數(shù)據(jù)值，以適應(yīng)接口查詢的存儲結(jié)構(gòu)進行存儲。接口服務(wù)根據(jù)用戶請求的內(nèi)容讀取和加工各要素值數(shù)據(jù)，最終把加工后的產(chǎn)品數(shù)據(jù)提供給用戶。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)

4 接口設(shè)計

4.1 設(shè)計原則

為了融入山東省氣象服務(wù)接口庫以及對接目前已有的山東氣象服務(wù)手機客戶端，接口的設(shè)計應(yīng)滿足以下原則：

（1）接口應(yīng)符合山東省地方標(biāo)準(zhǔn)《DB37/T 2930-2017氣象服務(wù)信息數(shù)據(jù)接口規(guī)范》。

（2）訪問方式：對氣象服務(wù)信息的訪問對應(yīng)唯一的資源標(biāo)識符（URL網(wǎng)址），應(yīng)采用HTTP協(xié)議（RFC 2616）的GET方式進行。

（3）接口編碼：服務(wù)請求字符串及返回結(jié)果編碼采用UTF-8字符集（參見RFC 3629/STD 63（2003））。

（4）安全性：考慮到部分氣象數(shù)據(jù)敏感性，訪問氣象服務(wù)信息數(shù)據(jù)接口需要進行授權(quán)（即需要用戶認(rèn)證的服務(wù)）。注冊用戶申請相關(guān)服務(wù)資源，經(jīng)審核后獲取合法授權(quán)（用戶名密碼、IP認(rèn)證或Key值）。通過在氣象服務(wù)信息數(shù)據(jù)訪問接口資源地址上加入用戶名和密碼或Key值參數(shù)來構(gòu)建加密服務(wù)資源的訪問地址，形式為“&username=&password=”或“&key=”，生成新的服務(wù)網(wǎng)址（經(jīng)過IP認(rèn)證的用戶可以直接訪問）。通過訪問加密地址獲取返回結(jié)果。

（5）服務(wù)響應(yīng)：請求響應(yīng)返回信息格式宜使用JSON格式。服務(wù)請求返回結(jié)果應(yīng)包括請求結(jié)果狀態(tài)信息和內(nèi)容信息。結(jié)果狀態(tài)信息應(yīng)至少包含狀態(tài)碼和狀態(tài)說明信息。返回結(jié)果內(nèi)容信息中應(yīng)包含時間、空間、產(chǎn)品要素名稱和要素單位等信息。

（6）效能要求：接口應(yīng)提供多用戶并行訪問支持。接口響應(yīng)時間應(yīng)小于500 ms。

4.2 功能設(shè)計

接口應(yīng)滿足用戶對于任意區(qū)域、任意位置點的溫度、降水量、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等預(yù)報的查詢需求。

（1）檢索全省范圍內(nèi)區(qū)域溫度、降水量、最高溫度、最低溫度等十天內(nèi)逐1公里預(yù)報格點要素場：根據(jù)用戶提供的關(guān)注區(qū)域范圍的經(jīng)緯度、預(yù)報要素、未來時次，返回該區(qū)域空間分辨率1km的所有格點要素值。

使用數(shù)據(jù)：逐3小時5公里分辨率降水預(yù)報、日最高溫預(yù)報、日最低溫預(yù)報、相對濕度預(yù)報、風(fēng)向風(fēng)速預(yù)報。

輸入?yún)?shù)：預(yù)報要素、預(yù)報時次、經(jīng)緯度范圍

輸出參數(shù)：狀態(tài)標(biāo)識碼、狀態(tài)消息、返回內(nèi)容

返回值：狀態(tài)標(biāo)識碼返回0，表示正常；狀態(tài)消息為OK；返回設(shè)定區(qū)域內(nèi)的輸入要素的逐1公里格點預(yù)報值。狀態(tài)標(biāo)識碼返回1，表示授權(quán)驗證失?。粻顟B(tài)標(biāo)識碼返回2，表示查詢內(nèi)容為空；狀態(tài)標(biāo)識碼返回3，表示輸入?yún)?shù)格式錯誤。

（2）檢索全省范圍內(nèi)某位置溫度、降水量、最高溫度、最低溫度等十天內(nèi)預(yù)報隨時間的變化序列：根據(jù)用戶提供的位置的經(jīng)緯度信息、預(yù)報要素，返回該位置要素逐3小時十天內(nèi)的預(yù)報數(shù)值。

使用數(shù)據(jù)：逐3小時5公里分辨率降水預(yù)報、日最高溫預(yù)報、日最低溫預(yù)報、相對濕度預(yù)報、風(fēng)向風(fēng)速預(yù)報。

輸入?yún)?shù)：預(yù)報要素、經(jīng)度、緯度

輸出參數(shù)：狀態(tài)標(biāo)識碼、狀態(tài)消息、返回內(nèi)容

返回值：狀態(tài)標(biāo)識碼返回0，表示正常；狀態(tài)消息為OK；返回請求位置的格點預(yù)報值。狀態(tài)標(biāo)識碼返回1，表示授權(quán)驗證失敗；狀態(tài)標(biāo)識碼返回2，表示查詢內(nèi)容為空；狀態(tài)標(biāo)識碼返回3，表示輸入?yún)?shù)格式錯誤。

5 接口開發(fā)實現(xiàn)

5.1 數(shù)據(jù)采集解析

GRIB 碼是與計算機無關(guān)的壓縮的二進制編碼,主要用來表示數(shù)值天氣預(yù)報的產(chǎn)品資料?，F(xiàn)行的GRIB 碼版本有GRIB1 和GRIB2 兩種格式。 目前，智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品是以GRIB2格式存儲。NCEP提供了開發(fā)的GRIB2命令行工具wgrib2，用于讀取、創(chuàng)建和修改GRIB2文件。

通過ftp服務(wù)連接省局NAS服務(wù)器，根據(jù)時間檢索融合格點產(chǎn)品下載至接口服務(wù)器。利用wgrib2讀取產(chǎn)品數(shù)據(jù)，固定選取山東區(qū)域范圍產(chǎn)品覆蓋范圍（112.25-125.15°E、31.85-40.85°N）的格點要素數(shù)值并轉(zhuǎn)存為micaps4格式。

系統(tǒng)選取micaps格式文本文件用于精細(xì)化預(yù)報格點數(shù)據(jù)存儲方式，選擇該類存儲方式能夠符合預(yù)報員的常用操作軟件的解析格式，同時格點數(shù)據(jù)從讀取速度和寫入速度上來說，使用輕量級的文本文件比數(shù)據(jù)庫等方式效率高。

MICAPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是建立在文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上的。其特點是：

利用目錄來區(qū)分不同的數(shù)據(jù)來源、要素和層次，即不同的數(shù)據(jù)來源、要素和層次的數(shù)據(jù)要放在不同的目錄中。同一目錄中的數(shù)據(jù)只能有時次或時效上的不同。

系統(tǒng)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)格式來顯示不同類型的圖形。除第六類數(shù)據(jù)（傳真圖）外，每個數(shù)據(jù)文件都有一個文件頭，描述該數(shù)據(jù)文件屬于哪一類數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)的日期、時次、時效及其它有關(guān)參數(shù)。

除第6和13類數(shù)據(jù)（圖象）外，數(shù)據(jù)文件均為文本文件。

（1）wgrib2解析工具部署：訪問該地址http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/wesley/wgrib2下載wgrib2.tgz。使用gunzip解壓wgirb2.tgz為wgrib2.tar，執(zhí)行tar –xvf wgirb2.tar解壓生成目錄grib2，cd grib2進入目錄并make編譯，提示編譯成功則wgrib2部署完成。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)解析：運行./wgrib2 *.grb2 -s |grep "TMP" |./wgrib2 -i *.grb2 -spread data.txt，其中*.grb2為需要解析的文件名或絕對路徑，data.txt為解析的臨時數(shù)據(jù)文件，TMP代表溫度要素，如需解析其他按照格點預(yù)報要素代碼進行替換。其中風(fēng)要素是包括風(fēng)向風(fēng)速的鍵值對。

（3）生成Micap第四類格式：選定山東區(qū)域范圍產(chǎn)品覆蓋范圍（112.25-125.15°E、 31.85-40.85°N），空間分辨率5km，時間分辨率3小時。根據(jù)以上信息提取臨時數(shù)據(jù)文件內(nèi)符合經(jīng)緯度范圍的數(shù)據(jù)值，并按照先經(jīng)度由小到大排序，后緯度由小到大排序后，按照array[259][181]二維格式進行文本寫入。

5.2 計算位置預(yù)報要素值

5.2.1 獲取地理位置信息

可以使用以下兩種方式來獲取用戶地理位置信息：

（1）方式一：用戶訪問精細(xì)化預(yù)報GIS頁面，通過點擊請求位置，頁面通過調(diào)用百度API接口獲取用戶的經(jīng)緯度信息。

使用百度地圖獲取用戶當(dāng)前信息，首先需要申請ak密匙，申請之后引入依賴的js文件：

通過以下函數(shù)來獲取經(jīng)緯度：

（2）方式二：用戶通過平臺或url向接口寫入具體已知的經(jīng)緯度信息。

5.2.2 利用雙線性插值內(nèi)插和計算位置預(yù)報要素值

雙線性內(nèi)插法是通過取采樣點到周圍4鄰域像元的距離加權(quán)來計算其柵格值新值。具體操作是首先在Y方向做一次內(nèi)插(或X方向)，再在X方向(或Y方向)內(nèi)插一次，通過距離加權(quán)計算得到該像元的柵格值。用該法進行重采樣，結(jié)果往往會比最鄰近法重采樣的結(jié)果更加光滑，但是會改變原來的柵格值，丟失一些局部細(xì)微的特征。適用于表示某種現(xiàn)象分布、地形表面的連續(xù)數(shù)據(jù)，如DEM影像、溫度統(tǒng)計、降雨量分布、坡度等，這些數(shù)據(jù)一般就是通過采樣點多次內(nèi)插得到的連續(xù)表面。以下示意圖為柵格數(shù)據(jù)經(jīng)過平移和旋轉(zhuǎn)等幾何變換之后，輸出柵格采用雙線性內(nèi)插法重采樣，其中黑色線框表示的是輸入柵格，藍(lán)色填充表示的是輸出柵格，紅色的點表示輸出柵格某一像元的中心位置，其柵格值需要被重新計算，在這里取距離它最近的4個輸入柵格的值通過距離加權(quán)平均來計算新值。

將4.1中生成的micaps4格式數(shù)據(jù)以數(shù)組形式存儲，將5km數(shù)據(jù)產(chǎn)品柵格進行五等分，通過雙線性插值計算每個新柵格值，并寫入新數(shù)組，生成空間分辨率為1*1km的micaps4格式文件。

通過4.3.1的方法獲取經(jīng)緯度位置后，將經(jīng)緯度位置通過輸入?yún)?shù)的方式傳遞給接口，接口接收到經(jīng)緯度參數(shù)值(lon,lat)，已知區(qū)域邊界的兩個經(jīng)緯度位置(minlon,minlat)和(maxlon,maxlat)。計算該位置的上下邊界：

下邊界：lon0=(lon-minlon)/interval lat0=(lat-minlat)/interval

上邊界：lon1=(maxlon-lon)/interval lat1=(maxlat-lat)/interval

即其該經(jīng)緯度位置周邊四點的預(yù)報值為f(minlon,minlat)=data[lon0][lat0]、f(minlon,maxlat)=data[lon0][lat1]、f(maxlon,minlat)=data[lon1][lat0]、f(maxlon,maxlat)=data[lon1][lat1]。

判斷以上四個值是否均為有效值，當(dāng)四值均為有效值時，進行雙線性插值算法（圖2）。

圖2

首先在緯向進行線性插值，得到

然后在y方向進行線性插值，得到

這樣就得到所要的結(jié)果 f(lon,lat),

這種插值方法的結(jié)果與插值的順序無關(guān)。首先進行y方向的插值，然后進行x方向的插值，所得到的結(jié)果是一樣的。

若不足四點有效值，則將剩余有效值直接取平均值。

5.3 接口訪問

用戶客戶端通過移動應(yīng)用或者嵌入平臺的定位接口所獲取的經(jīng)緯度位置信息作為接口的輸入?yún)?shù)，使用HTTP GET方式發(fā)送數(shù)據(jù)請求，數(shù)據(jù)接口根據(jù)請求返回JSON格式的結(jié)果。接口請求和返回符合1.2的接口規(guī)范。例如，用戶請求其當(dāng)前位置的氣溫逐3小時變化情況，接口請求地址格式為http://www.sdmsc.net:9090｛接口服務(wù)器域名｝/api/pgrid｛接口路徑｝/?type=TMP{預(yù)報要素參數(shù)}&lon=*&lat=*｛位置參數(shù)｝&key=*｛授權(quán)key值｝

接口程序通過GET方式獲取用戶傳遞的輸入?yún)?shù)后，程序首先驗證授權(quán)值是否合法，若不合法，則返回驗證失敗提示信息。驗證成功后，對輸入?yún)?shù)進行正則校驗，校驗不通過則提示輸入不合法參數(shù)提示。以上通過后，程序根據(jù)輸入的起報時間和要素檢索相應(yīng)的文件，通過循環(huán)逐個讀取數(shù)據(jù)文件的內(nèi)容并確定所輸入的經(jīng)緯度所在的格點位置，根據(jù)該位置的相鄰的四個格點的要素值使用雙線性算法進行插值，得出該位置的要素值，并按照預(yù)報時次由近及遠(yuǎn)的進行排列，將各個預(yù)報時次的預(yù)報值根據(jù)接口設(shè)計格式進行輸出。

例如查詢2021年8月5日（120°E，35°N）氣溫逐3小時變化情況：

5.4 GIS應(yīng)用

讀取解析后的micaps4格式文件，調(diào)用繪制函數(shù)/方法，根據(jù)文件的要素值大小繪制相應(yīng)顏色的像素塊，最后輸出圖像文件。如圖3所示為氣溫添加至百度地圖上的效果。

圖3：氣溫產(chǎn)品疊加百度地圖效果

讀取GIS前景圖疊加至百度在線GIS上，利用接口1和接口2，實現(xiàn)GIS應(yīng)用實例：在頁面上可以選擇要顯示的氣象要素，如溫度、濕度、降水、云量、風(fēng)速等，頁面載入時默認(rèn)顯示溫度。在頁面上點擊任意點有彈出層，顯示該點的位置信息及溫度、降水、風(fēng)速等格點預(yù)報信息。如圖4所示。

圖4：某位置逐3小時氣象預(yù)報曲線

6 結(jié)語

精細(xì)化預(yù)報數(shù)據(jù)接口的開發(fā)和GIS應(yīng)用產(chǎn)品，已經(jīng)納入山東省氣象服務(wù)產(chǎn)品“齊魯風(fēng)云”APP中使用。接口的設(shè)計符合公眾氣象服務(wù)應(yīng)用需要，基于JSON的格點預(yù)報數(shù)據(jù)接口，滿足了地圖、曲線等服務(wù)形式的調(diào)用，統(tǒng)一了格點預(yù)報服務(wù)格式和對接方式，能夠靈活適用于移動和桌面應(yīng)用。