王 鵬，張 亮

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；2.河南河長(zhǎng)學(xué)院，河南 鄭州 450045）

1 系統(tǒng)概述

1.1 研究背景

格點(diǎn)化降水可有效表征一定范圍內(nèi)的面雨量，在洪水預(yù)報(bào)作業(yè)中具有基礎(chǔ)參考作用。代刊等人分析指出，中國(guó)中短期氣象預(yù)報(bào)技術(shù)存在客觀預(yù)報(bào)技術(shù)方法未全面深入開展、格點(diǎn)化的處理技術(shù)基礎(chǔ)薄弱等問(wèn)題。冶運(yùn)濤等人認(rèn)為，流域產(chǎn)匯流機(jī)理研究中，能否通過(guò)動(dòng)態(tài)融合進(jìn)行不同預(yù)報(bào)時(shí)效的嵌套，滾動(dòng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)降水（暴雨）狀態(tài)，是實(shí)施數(shù)字孿生系統(tǒng)的評(píng)判準(zhǔn)則之一。

1.1.1 原則要求

降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)化技術(shù)在洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用開發(fā)，充分考慮技術(shù)與開發(fā)工具的選擇，提高技術(shù)方法的可靠性與手段應(yīng)用的穩(wěn)定性；平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)考慮客戶端開放性，允許部分功能、項(xiàng)目編碼等內(nèi)容可擴(kuò)充，保證技術(shù)應(yīng)用功能的可持續(xù)發(fā)展。

1.1.2 研究目標(biāo)

將降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品研發(fā)為具備精細(xì)化時(shí)空分布信息的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確有效地反映研究區(qū)域內(nèi)降水時(shí)空權(quán)重分配，直接應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)和防汛業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)累積雨量、降水籠罩面積等預(yù)報(bào)特征要素統(tǒng)計(jì)功能。

1.2 系統(tǒng)組成

1.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)總體框架采用B/S 三層架構(gòu)體系，由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，應(yīng)用服務(wù)層和表示層組成，采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理和備份機(jī)制，在保證系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定、體系結(jié)構(gòu)清晰的前提下，滿足對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可靠性和一致性需求見圖1。

圖1 降水格點(diǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2.2 庫(kù)表組成

降水預(yù)報(bào)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)包括降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品表、預(yù)報(bào)產(chǎn)品等值線表及預(yù)報(bào)產(chǎn)品等值面表，其中降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品表存儲(chǔ)降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品列表時(shí)間，預(yù)報(bào)產(chǎn)品等值線表存儲(chǔ)降水預(yù)報(bào)編輯等值線數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)產(chǎn)品等值面表存儲(chǔ)降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品圖片；降水預(yù)報(bào)等值面圖形表在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，主要用于存儲(chǔ)降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品圖片；行政編碼表在站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，主要用于行政降水預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)。

1.2.3 應(yīng)用環(huán)境

降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)化技術(shù)運(yùn)行環(huán)境由硬件和軟件環(huán)境組成。硬件環(huán)境包括降水、洪水業(yè)務(wù)系統(tǒng)所運(yùn)載客戶端、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；軟件運(yùn)行環(huán)境為研發(fā)技術(shù)以系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件形式，其中降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)化處理技術(shù)依托降水預(yù)報(bào)制作軟件運(yùn)行，降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)與洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用依托洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行。

2 技術(shù)功能

2.1 降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)化

以數(shù)值模式的預(yù)報(bào)格點(diǎn)規(guī)則為依據(jù)，將人工降水預(yù)報(bào)按照?qǐng)D形矢量格式分配為格點(diǎn)數(shù)據(jù)，形成與數(shù)值預(yù)報(bào)模式格點(diǎn)的坐標(biāo)位置、降水時(shí)空權(quán)重一致的降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，并按照洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)格點(diǎn)信息寫入規(guī)則入庫(kù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)將人工降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)數(shù)據(jù)在洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時(shí)對(duì)面雨量值、不同量級(jí)降水籠罩面積等特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，針對(duì)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)的任意時(shí)段，利用GIS 分析形成所選時(shí)段累積雨量等值線和等值面圖；等值線在軟件終端支持人工二次編輯。

2.1.1 功能實(shí)現(xiàn)方案

基于具備地理信息應(yīng)用功能的降水預(yù)報(bào)制作軟件，通過(guò)GIS插值方法，將降水預(yù)報(bào)等值面和等值線計(jì)算得出全部預(yù)報(bào)格點(diǎn)的日雨量數(shù)據(jù)，并按照空間拓?fù)潢P(guān)系歸納為各個(gè)格點(diǎn)與研究區(qū)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)數(shù)值模式相應(yīng)的時(shí)段雨量數(shù)據(jù)，計(jì)算研究區(qū)域中小時(shí)級(jí)別的時(shí)段面雨量，得出各時(shí)段的對(duì)應(yīng)雨量權(quán)重，將人工降水預(yù)報(bào)日雨量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值預(yù)報(bào)權(quán)重模式下的時(shí)段雨量；最后按照洪水預(yù)報(bào)庫(kù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)要求，完善時(shí)段雨量格點(diǎn)格式，將預(yù)報(bào)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息保存入庫(kù)。

2.1.2 GIS算法說(shuō)明

①反距離加權(quán)算法：根據(jù)降水預(yù)報(bào)等值線對(duì)格點(diǎn)數(shù)據(jù)定義，計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)全部有效降水?dāng)?shù)據(jù)的格點(diǎn)到雨量等值線的距離，利用距離倒數(shù)計(jì)算各條等值線的權(quán)重值，再根據(jù)等值線權(quán)重值和雨量值，獲取更合理更準(zhǔn)確的格點(diǎn)雨量值。②分區(qū)統(tǒng)計(jì)算法：根據(jù)來(lái)自其他數(shù)據(jù)集的值（雨量柵格），為每一個(gè)由區(qū)域數(shù)據(jù)集定義的區(qū)域（分區(qū)數(shù)據(jù)）計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為輸入?yún)^(qū)域數(shù)據(jù)集里的每一個(gè)區(qū)域計(jì)算單個(gè)輸出值。③空間屬性關(guān)聯(lián)：根據(jù)圖層邊界內(nèi)各個(gè)格點(diǎn)坐標(biāo)信息，計(jì)算其相對(duì)空間位置，并利用GIS的空間拓?fù)潢P(guān)系，在格點(diǎn)的屬性里匹配對(duì)應(yīng)的區(qū)間編碼。

2.2 降水預(yù)報(bào)圖層

2.2.1 功能實(shí)現(xiàn)方案

2.2.1.1 人工降水預(yù)報(bào)圖層

將人工繪制的降水預(yù)報(bào)等值面生成預(yù)報(bào)產(chǎn)品圖層保存至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)降水預(yù)報(bào)服務(wù)地址發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)，利用GDAL 將預(yù)報(bào)產(chǎn)品圖層數(shù)據(jù)（shp）轉(zhuǎn)換為GeoJSON 格式，返回并在前端平臺(tái)進(jìn)行圖層的加載、渲染和展示（圖2），實(shí)現(xiàn)WebAPI類型圖層服務(wù)。

圖2 人工降水預(yù)報(bào)圖層服務(wù)方案流程圖

2.2.1.2 數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)圖層

開發(fā)數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)服務(wù)接口，系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)發(fā)送降水預(yù)報(bào)請(qǐng)求，尋找對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件，并根據(jù)時(shí)段對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行提取計(jì)算，傳入降水預(yù)報(bào)GIS 分析工具，自動(dòng)生成降水預(yù)報(bào)等值面；利用GDAL將預(yù)報(bào)產(chǎn)品圖層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GeoJSON格式，并返回進(jìn)行圖層加載、渲染和展示（圖3）。

圖3 數(shù)值模式降水預(yù)報(bào)圖層服務(wù)方案流程圖

2.2.1.3 特征要素統(tǒng)計(jì)

通過(guò)GIS 插值算法將降水預(yù)報(bào)等值線（面）計(jì)算為雨量格點(diǎn)，根據(jù)區(qū)間邊界數(shù)據(jù)生成區(qū)間雨量值、籠罩面積等特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并保存；系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)統(tǒng)計(jì)服務(wù)接口發(fā)送要素特征統(tǒng)計(jì)請(qǐng)求，接收返回結(jié)果并在平臺(tái)前端加載展示。

2.2.2 GeoJSON格式說(shuō)明

GeoJSON（JavaScript Object Notation）是對(duì)各種地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼的格式。GeoJSON對(duì)象可以表示幾何、特征或者特征集合，支持點(diǎn)、線、面、多點(diǎn)、多線、多面和幾何集合等類型，其中特征包含一個(gè)幾何對(duì)象和其他屬性。

3 應(yīng)用與成效

3.1 降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)應(yīng)用

降水預(yù)報(bào)格點(diǎn)技術(shù)提升了降水預(yù)報(bào)的精細(xì)化程度，為洪水預(yù)報(bào)提供了時(shí)空分辨率屬性的預(yù)報(bào)技術(shù)手段，有效提升了氣象預(yù)報(bào)和水文預(yù)報(bào)的結(jié)合度，并在業(yè)務(wù)實(shí)踐中，可根據(jù)水文特性和經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，對(duì)預(yù)報(bào)格點(diǎn)時(shí)空分辨率進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，優(yōu)化雨洪預(yù)報(bào)關(guān)系，為延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期和預(yù)報(bào)精度提供有力支撐。同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)方法可自動(dòng)生成預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)指定時(shí)段的累積面雨量等值面，并計(jì)算指定邊界的區(qū)域面雨量值，使表征降水過(guò)程的產(chǎn)品更直觀合理，累積特征值更科學(xué)準(zhǔn)確。

3.2 降水預(yù)報(bào)圖層服務(wù)

GeoJSON 格式標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)降水預(yù)報(bào)圖層技術(shù)系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)圖表形式，對(duì)最新降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行加載，特別是圖層形式，可將降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品疊加在綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)界面，明確指示強(qiáng)降雨中心位置、移動(dòng)趨勢(shì)、雨區(qū)范圍等信息，及時(shí)統(tǒng)計(jì)分析暴雨洪水災(zāi)害影響范圍和特征值，完善了降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品在暴雨洪水災(zāi)害防御決策過(guò)程中的適用能力。