丁圣 申文熙 吳沅芳

摘? 要：該文設(shè)計的玉溪山地云海景觀預(yù)報系統(tǒng)，依托氣象內(nèi)網(wǎng)氣象信息共享平臺（CIMISS）統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境和服務(wù)接口，借助局地氣象站觀測數(shù)據(jù)、當?shù)貧庀箢A(yù)報數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀測的云海出現(xiàn)時間數(shù)據(jù)自動計算云海出現(xiàn)概率預(yù)報方程，支持人機交互訂正預(yù)報結(jié)果，提供完整、及時、穩(wěn)定、準確的云海景觀預(yù)報服務(wù)。該系統(tǒng)的部署使用簡單，維護成本低，已在玉溪部分縣局投入使用，具有良好的應(yīng)用推廣前景，有利于提升基層氣象服務(wù)供給水平。

關(guān)鍵詞：云海；預(yù)報；設(shè)計與實現(xiàn)

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0029-04

Abstract： Based on the unified data environment and service interface of the meteorological intranet meteorological information sharing platform （CIMISS）， the cloud sea landscape forecast system in Yuxi mountain designed in this paper automatically calculates the cloud sea occurrence probability prediction equation with the help of the local meteorological station observation data， local meteorological forecast data and the cloud sea occurrence time data observed by the video monitoring system， and supports human-computer interaction to revise the forecast results， providing complete， timely， stable， accurate cloud sea landscape forecast service. The deployment and use of the system is simple， and the maintenance cost is low. It has been put into use in some counties and bureaus in Yuxi. It has a good prospect of application and promotion， and is conducive to improving the level of meteorological service supply at the grass-roots level.

Keywords： cloud sea; forecast; design and implementation

0? 引? 言

云海是山岳地區(qū)風景的重要景觀之一，當旅游者努力攀爬直至高山之巔，看到眼前海天高遠，蒼?？臻熤硶r，心情暢快淋漓。云海是攝影愛好者和云海觀賞者的心儀之地，然而云海出現(xiàn)的地方大多在大山上，距離鬧市較遠，由于缺乏景觀預(yù)報，一些攝影愛好者會一連數(shù)日早起守候云海奇觀，耗費大量的經(jīng)濟成本和時間成本。

云海是一種嚴重依賴于氣象條件的自然景觀，是山岳間充沛水汽與靜穩(wěn)大氣層結(jié)等氣象條件共同作用形成的特殊云層。云海的出現(xiàn)需要靜穩(wěn)的大氣條件，因空氣中水汽因輻射冷卻達到過飽和而形成。云海和霧都有著共同的天氣學成因，結(jié)合霧的特征分析研究[1，2]，有研究人員對部分著名景點的云海景觀進行過天氣學分析并結(jié)合天氣過程進行預(yù)報[3，4]，傳統(tǒng)上針對云?；蜢F的研究主要是運用天氣學原理和氣候?qū)W特征尋找指標群，依賴預(yù)報員經(jīng)驗結(jié)合水汽和靜穩(wěn)天氣形勢綜合判斷做出預(yù)報，云南的云海地域跨度小，僅局限于數(shù)千米范圍的地域內(nèi)，使用常規(guī)低解析度的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品即使是同化后的資來進行預(yù)報模擬，不確定性太高，建立局地加密區(qū)域站觀測，利用數(shù)理統(tǒng)計方法建立本地化的預(yù)報回歸方程才是經(jīng)濟合理的技術(shù)路線。

云海預(yù)報服務(wù)一般附屬于其他氣象服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的一部分，缺乏專門針對基層云海預(yù)報服務(wù)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)?；诰值卦坪Ｓ^測開發(fā)一套適合基層使用的云海預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)很有必要[5-7]，原因有二：一是云海作為一種局地景觀現(xiàn)象，一般局限在縣域內(nèi)，空間分辨率在千米級別，和當?shù)叵聣|面自然環(huán)境關(guān)系密切，尋找普適預(yù)報方法及指標不可能，需要當?shù)仡A(yù)報人員不斷總結(jié)提煉適合當?shù)氐脑坪ｎA(yù)報方法和預(yù)報指標；二是現(xiàn)有的氣象服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能模塊較多，學習、部署及維護成本較高，不適合基層氣象部門直接拿來開展云海旅游氣象服務(wù)業(yè)務(wù)工作使用。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)按照軟件工程“高內(nèi)聚低耦合”的思想采用3層架構(gòu)設(shè)計[8-11]，如圖1所示?？紤]到系統(tǒng)用戶群固定在氣象臺站內(nèi)部使用，為提供更快的響應(yīng)速度和靈活的人機交互，同時考慮到維護和管理工作量不大，設(shè)計使用C/S（客戶機/服務(wù)器）架構(gòu)。

表現(xiàn)層用于系統(tǒng)功能操作人機交互的界面展示和設(shè)計，為數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢等功能提供界面接口，為用戶提供了交互的工具，也為顯示和提交數(shù)據(jù)實現(xiàn)了一定的邏輯。

數(shù)據(jù)層完成讀取數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)的工作，集合氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)（含云海觀測數(shù)據(jù)）、氣象預(yù)報數(shù)據(jù)、預(yù)報方程參數(shù)、角色權(quán)限參數(shù)等各種不同類型的數(shù)據(jù)訪問。

系統(tǒng)主要功能和業(yè)務(wù)邏輯都在服務(wù)層內(nèi)進行處理，相當于中間類的作用，方便程序開發(fā)者維護管理，無需關(guān)注架構(gòu)或底層數(shù)據(jù)變化，主要完成云海預(yù)報制作及發(fā)布、云海預(yù)報歷史查詢及建議、相關(guān)角色權(quán)限管理等功能。

1.2? 安全設(shè)計

氣象數(shù)據(jù)是氣象業(yè)務(wù)、科研、服務(wù)、培訓(xùn)工作的基礎(chǔ)資料，也是國家經(jīng)濟建設(shè)、國家安全建設(shè)的重要信息資源。做好氣象數(shù)據(jù)安全管理和利用，是發(fā)揮氣象數(shù)據(jù)在提高氣象預(yù)測預(yù)報能力、氣象防災(zāi)減災(zāi)能力、應(yīng)對氣候變化能力、開發(fā)利用氣候資源能力的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)安全對于氣象業(yè)務(wù)的重要性不言而喻，需要嚴格氣象數(shù)據(jù)訪問授權(quán)，加強對氣象數(shù)據(jù)訪問、加工利用和對外服務(wù)的記錄與審計，保障氣象數(shù)據(jù)安全。

所有客戶端均部署于氣象內(nèi)網(wǎng)，僅系統(tǒng)運行的預(yù)報方程參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、角色權(quán)限參數(shù)和云海預(yù)報結(jié)果存放于公網(wǎng)阿里云數(shù)據(jù)庫中，便于管理和維護，用戶口令等數(shù)據(jù)都加密存儲，針對注入攻擊要增加安全防范代碼，提升安全性。系統(tǒng)通過氣象廣域網(wǎng)訪問氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)部署終端設(shè)備應(yīng)關(guān)閉不需要的系統(tǒng)服務(wù)和高危端口；設(shè)備口令強度應(yīng)滿足規(guī)定要求；應(yīng)通過接入方式等對設(shè)備管理進行限制；能夠發(fā)現(xiàn)可能存在的漏洞，經(jīng)測試評估后修補漏洞；應(yīng)能夠檢測到對重要節(jié)點進行入侵的行為，并在發(fā)生入侵時提供報警。要求主機和終端必須安裝防護軟件并定期進行升級，免受惡意代碼的攻擊。

1.3? 系統(tǒng)部署設(shè)計

良好的系統(tǒng)拓撲架構(gòu)不僅能提高系統(tǒng)的性能，也為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供良好的保證機制。云海景觀預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計支持不同基層臺站同時使用，實現(xiàn)了多區(qū)域、多用戶的擴展功能，便于推廣，為加強安全防護和節(jié)約維護運營成本，系統(tǒng)基于最小數(shù)據(jù)原則同時考慮到可擴展性進行云平臺部署，系統(tǒng)部署設(shè)計如圖2所示，氣象云數(shù)據(jù)中心位于氣象部門內(nèi)網(wǎng)，即氣象內(nèi)網(wǎng)（China Integrated Meteorological Information Service System， CIMISS）基礎(chǔ)平臺[12]，系統(tǒng)通過MUSIC標準接口調(diào)取CIMISS中的數(shù)據(jù)，螢石云是?？倒咎峁┑乃接性票O(jiān)控系統(tǒng)，云海站點的歷史和實時影像可用通過螢石云觀看，云海預(yù)報歷史數(shù)據(jù)放在阿里云數(shù)據(jù)庫中，不同臺站只需要配置各自數(shù)據(jù)接口和角色權(quán)限即可使用。

1.4? 功能模塊設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計成預(yù)報制作、歷史預(yù)報查詢、歷史預(yù)報檢驗、系統(tǒng)設(shè)置四大模塊，如圖3所示。預(yù)報制作模塊用于錄入數(shù)據(jù)，調(diào)取并顯示后臺數(shù)據(jù)庫的云海氣象站數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報數(shù)據(jù)和云海實時監(jiān)控網(wǎng)頁，根據(jù)預(yù)報模式方程計算出結(jié)果給出云海預(yù)報建議，人機交互后生成云海預(yù)報結(jié)果。歷史預(yù)報查詢模塊能夠?qū)υ坪ｎA(yù)報、實況和氣象要素數(shù)據(jù)進行歷史查詢和瀏覽。歷史預(yù)報檢驗?zāi)K能夠?qū)χ付〞r間段云海歷史預(yù)報數(shù)據(jù)進行預(yù)報檢驗，得出云海預(yù)報準確率、空報率和漏報率。系統(tǒng)設(shè)置模塊用于預(yù)報人員角色設(shè)置及云海預(yù)報使用的氣象站點信息及數(shù)據(jù)接口的參數(shù)設(shè)置。

1.5? 數(shù)據(jù)設(shè)計

系統(tǒng)運行所需要的全部數(shù)據(jù)都來自氣象部門。實現(xiàn)云海預(yù)報需要云海地區(qū)梯度氣象觀測的氣壓、氣溫、濕度、風向風速、降雨量、逆溫等氣象觀測要素數(shù)據(jù)，需要記錄當?shù)氐奶炜諣顩r、日出日落時間及預(yù)報的氣象要素和天空狀況信息，還需要記錄觀測到的云海出現(xiàn)日期時間數(shù)據(jù)，通過以上數(shù)據(jù)分析得出預(yù)報方程，系統(tǒng)使用預(yù)報方程計算出預(yù)報結(jié)果，預(yù)報員可以通過人機交互綜合判斷未來是否出現(xiàn)云海的預(yù)報結(jié)果。系統(tǒng)運行還需要角色、安全、維護等后臺參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.6? 角色設(shè)計

本系統(tǒng)主要在氣象部門內(nèi)部使用，考慮功能結(jié)構(gòu)，僅劃分為超級管理員、管理員和預(yù)報員3個角色。超級管理員用于系統(tǒng)各類后臺數(shù)據(jù)接口設(shè)置及注冊管理員。管理員不可維護設(shè)置數(shù)據(jù)接口，可以維護本地的站點信息，可以注冊新預(yù)報員，并擁有預(yù)報員所有操作權(quán)限。預(yù)報員角色可以使用預(yù)報制作、預(yù)報歷史查詢、歷史預(yù)報檢驗3個功能模塊。角色對應(yīng)功能用例圖如圖4所示。

2? 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1? 軟硬件條件及開發(fā)技術(shù)

本系統(tǒng)運行于Windows操作系統(tǒng)，需.NET環(huán)境支持，依托氣象內(nèi)網(wǎng)氣象信息共享平臺（CIMISS）統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境和服務(wù)接口，簡單配置數(shù)據(jù)接口參數(shù)及錄入臺站信息后即可使用。應(yīng)用程序基于C#語言開發(fā)，后臺參數(shù)數(shù)據(jù)使用阿里云數(shù)據(jù)庫存儲，支持SQL Server，氣象數(shù)據(jù)環(huán)境以CIMISS基礎(chǔ)平臺為支持，無需單獨維護及支付版權(quán)費用，安全穩(wěn)定。

2.2? 界面功能實現(xiàn)

系統(tǒng)界面按照前文1.4節(jié)的功能模塊設(shè)計的四項功能進行劃分，實現(xiàn)：1）調(diào)取后臺數(shù)據(jù)庫的云海氣象站數(shù)據(jù)、預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報數(shù)據(jù)和云海監(jiān)控網(wǎng)頁，根據(jù)預(yù)報模式方程給出云海預(yù)報建議，人機交互后生成云海預(yù)報結(jié)果。2）對云海預(yù)報、實況和氣象要素數(shù)據(jù)進行歷史查詢和瀏覽。3）對云海歷史預(yù)報數(shù)據(jù)指定時間段數(shù)據(jù)進行預(yù)報檢驗得出，云海預(yù)報準確率、空報率和漏報率。4）后臺參數(shù)設(shè)置修改功能。

操作人員輸入用戶名、密碼等信息登錄后，系統(tǒng)界面如圖5所示。點擊軟件上部的“預(yù)報制作”“歷史預(yù)報查詢”“歷史預(yù)報檢驗”“系統(tǒng)設(shè)置”標簽切換到各自功能模塊的界面。

由圖5可知，系統(tǒng)考慮了多區(qū)域、多用戶的擴展功能，便于在不同地區(qū)推廣使用，同一地區(qū)可能有多個云海地點，一個氣象局有多個預(yù)報員來制作云海預(yù)報，預(yù)報員登錄后選擇不同云海預(yù)報地點?；绎@部分是系統(tǒng)自動調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，僅能瀏覽無法修改內(nèi)容，其他非灰顯部分可以由預(yù)報員人機交互修改，點擊“打開云海監(jiān)控網(wǎng)頁”按鈕，會彈出螢石云界面，輸入螢石云的用戶名、密碼信息登錄后，可以查看是否出現(xiàn)云海，在系統(tǒng)輸入云海的出現(xiàn)與消散時間，然后點擊“預(yù)報保存”按鈕，會彈出保存成功的提示，預(yù)報制作成功。

云海出現(xiàn)與否屬于一種二分類（即有/無）預(yù)報，筆者曾對比過[4]邏輯回歸、決策樹、支持向量機三種模型預(yù)報準確率，TS評分差別不大，考慮到邏輯回歸模型實現(xiàn)的簡便性和結(jié)果的可數(shù)值化，本系統(tǒng)暫使用邏輯回歸模型結(jié)果作為自動預(yù)報結(jié)果顯示給預(yù)報員，預(yù)報員可以根據(jù)預(yù)報經(jīng)驗人機交互操作修改預(yù)報結(jié)論。某站點的云海預(yù)報方程如下式所示，不同站點不同年份的預(yù)報方程選取的預(yù)報因子及權(quán)重都有不同，其預(yù)報因子及權(quán)重暫由超級管理員統(tǒng)一維護，存入后臺數(shù)據(jù)庫中，由系統(tǒng)調(diào)用，普通預(yù)報員無法修改預(yù)報方程參數(shù)。

其中，p表示云海出現(xiàn)概率；x1表示當天是否出現(xiàn)云海（1為出現(xiàn)，0為未出現(xiàn)）；x2表示日最大逆溫值（0.1 ℃）；x3表示預(yù)報最高氣溫（0.1 ℃）。

云海歷史預(yù)報查詢界面如圖6所示，選擇相應(yīng)時間段和“預(yù)報地點”后，點擊“查詢”按鈕，顯示相應(yīng)時間段的數(shù)據(jù)列表，歷史預(yù)報列表包含站點觀測日數(shù)據(jù)、云海起止時間、云海預(yù)報結(jié)果、當天天氣實況及當天預(yù)報結(jié)果等全部數(shù)據(jù)，僅能瀏覽不可以修改。

使用歷史預(yù)報的數(shù)據(jù)，依據(jù)中國氣象局《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法》中的評分公式可以直接計算出各時間段內(nèi)的預(yù)報準確率、空報率、漏報率等數(shù)據(jù)，為便于預(yù)報員撰寫材料及匯報展示使用，系統(tǒng)提供歷史預(yù)報檢驗功能，功能界面如圖7所示。

3? 結(jié)? 論

云海作為局地景觀，和當?shù)刈匀画h(huán)境關(guān)系密切，需要當?shù)仡A(yù)報人員不斷總結(jié)氣候特征和提煉預(yù)報指標，針對基層預(yù)報員開發(fā)專業(yè)的云海預(yù)報系統(tǒng)很有必要，本系統(tǒng)已在玉溪市基層氣象臺站使用，多年觀測總結(jié)云海多發(fā)生在晴朗、微風、近地面水汽充沛的早晨，一般在冬季、初春和深秋時節(jié)發(fā)生概率比較大，在夏季發(fā)生較少，因為氣溫升高會使云凝結(jié)的高度升高，云層底部超過山頂。因此看不到云海，多年平均TS預(yù)報評分最高可接近50分，總體準確率穩(wěn)定在70%以上，最高可達80%以上。

云海預(yù)報系統(tǒng)的使用豐富了對云海景觀成因與預(yù)報研究的認識，有利促進了當?shù)貧庀蟛块T針對旅游氣象服務(wù)工作科技含量和工作效率提升，系統(tǒng)安裝和操作簡單，使用直觀便捷，集成預(yù)報、歷史查詢、預(yù)報檢驗、參數(shù)設(shè)置等實用功能，適合基層氣象預(yù)報人員不斷總結(jié)提煉適合當?shù)氐脑坪ｎA(yù)報方法和預(yù)報指標，開展云海旅游氣象服務(wù)業(yè)務(wù)工作使用。

本系統(tǒng)考慮了多區(qū)域、多用戶的擴展功能，便于在不同地區(qū)推廣，可以滿足基層氣象預(yù)報員制作云海預(yù)報業(yè)務(wù)需求，但本系統(tǒng)使用的預(yù)報模型記錄資料時間較短，預(yù)報模型是固定的，下一步還應(yīng)該繼續(xù)收集資料，嘗試加入機器學習模型，針對不同區(qū)域自動改進預(yù)報模型，提升預(yù)報準確率。

隨著氣象大數(shù)據(jù)云平臺（“天擎”）上線，CIMISS平臺即將下線，為正常運行本系統(tǒng)，今后需要升級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口到天擎平臺。

參考文獻：

[1] 王亞，楊令.湖南省近46a霧霾天氣時空分布特征分析 [J].中低緯山地氣象，2018，42（6）：50-53.

[2] 白瑩瑩，楊世琦，劉川，等.重慶霧和霾的氣候特征分析 [J].中低緯山地氣象，2018，42（3）：33-37.

[3] 單權(quán)，馮國標，梁曉妮.雁蕩山云海的時空變化特征及其與氣象因子的關(guān)系 [J].浙江氣象，2014，35（2）：34-37.

[4] 丁圣，段瑋，朱勇，等.基于多種模型的云南元江哈尼云海景觀預(yù)報研究 [J].氣象與環(huán)境學報，2020，36（3）：106-112.

[5] 宋毅，宋曉姜，高志一，等.基于貝葉斯理論的中國近海網(wǎng)格化氣象要素概率預(yù)報研究 [J].海洋預(yù)報，2017，34（3）：1-9.

[6] 丁國香，劉安平，劉承曉，等.安徽省山岳型景區(qū)旅游氣象服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng) [J].南京信息工程大學學報：自然科學版，2016，8（1）：71-75.

[7] 許劍勇，陳建春，吳永澤.黃山霧凇氣候特征及旅游氣象指數(shù)預(yù)報 [J].中低緯山地氣象，2020，44（6）：51-55.

[8] 林鈺杰，吳麗賢.基于工作流技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].微型電腦應(yīng)用，2020，36（3）：130-132.

[9] 丁圣，張茂松，李剛.火龍果氣候品質(zhì)認證溯源APP的設(shè)計與實現(xiàn) [J].氣象水文海洋儀器，2020，37（1）：59-62.

[10] 丁圣，李剛.通用機場氣象服務(wù)手機APP的設(shè)計與實現(xiàn) [J].氣象水文海洋儀器，2019，36（1）：48-50.

[11] 魏恩偉，張之涵，溫克歡，等.基于智能家居系統(tǒng)的智能插座設(shè)計與實現(xiàn) [J].微型電腦應(yīng)用，2019，35（12）：82-84+88.

[12] 鄭波，李湘，何文春，等.基于CIMISS全國精細化格點預(yù)報業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].氣象科技，2018，46（4）：670-677.

作者簡介：丁圣（1981—），男，回族，安徽安慶人，副高級工程師，碩士，研究方向：應(yīng)用氣象。