樓茂園 沈翊

(浙江省氣象臺, 浙江 杭州 310017)

0 引 言

隨著我國海洋戰(zhàn)略的調(diào)整和浙江社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,社會各界對海洋氣象預報及服務的需求與日俱增,對精細化精準化的需求也越來越高[1-4]。由于海洋氣象預報更多依賴非常規(guī)的觀測數(shù)據(jù),因此需要對浮標站數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)等進行更好的顯示應用。同時,氣象現(xiàn)代化預報業(yè)務也對海洋氣象預報提出了更高的要求,傳統(tǒng)的海區(qū)預報、主觀預報必將被精細化格點化訂正的海洋氣象要素預報所取代。因此,開發(fā)新一代海洋氣象預報業(yè)務平臺來為預報員提供精細化海洋預報產(chǎn)品分析顯示、預報制作等成為當務之急。除此之外,隨著海洋和臺風預報業(yè)務及服務水平的不斷發(fā)展,業(yè)務流程不斷調(diào)整優(yōu)化,對于客觀預報產(chǎn)品、臺風報告單產(chǎn)品等的應用也對海洋業(yè)務平臺提出了更高要求,也需要該平臺提供高效、精準的數(shù)據(jù)支撐。

目前,中央氣象臺和各地方臺開發(fā)了多種適合現(xiàn)代化氣象預報服務業(yè)務的工作平臺[5-12],在開發(fā)手段上也用到了許多新技術新方法[13-15],取得了很好的效果。

而浙江省氣象臺此前使用的省級海洋業(yè)務平臺因為開發(fā)應用多年,且主要功能以多種產(chǎn)品顯示為主,不具有GIS縮放、格點訂正等功能,無法很好展示近年來發(fā)展的海洋氣象客觀預報產(chǎn)品的精細化程度,已不能滿足現(xiàn)代化海洋預報業(yè)務的需求。為此,省氣象臺及時組織力量開發(fā)新一代省級海洋預報業(yè)務平臺。新一代海洋預報業(yè)務平臺是立足于為全省氣象預報員服務,基于海洋業(yè)務扁平化的理念,提供集數(shù)據(jù)采集、精細分析、格點訂正、預報制作、快速發(fā)布、產(chǎn)品展示、工作記錄等功能于一體,基于Silverlight和SQL數(shù)據(jù)庫技術進行開發(fā)的專業(yè)業(yè)務平臺,并將在使用中不斷發(fā)展來更好滿足臺風和海洋氣象預報業(yè)務需求。

1 總體框架和主要功能

1.1 總體框架

浙江省新一代海洋預報業(yè)務平臺采用面向服務(Service Oriented Architecture,SOA)和多層體系的結(jié)構(gòu),這種框架結(jié)構(gòu)屬于開放式、松耦合的服務結(jié)構(gòu),使得平臺中各部件的連接更加靈活,有利于平臺隨著海洋氣象業(yè)務發(fā)展變動而迅速更新。整個平臺框架如圖1所示。

圖1 新一代海洋氣象業(yè)務平臺總體框架

最底層為數(shù)據(jù)層,負責將省臺多個海洋和臺風數(shù)據(jù)庫及多種數(shù)據(jù)文件整合,包括對數(shù)據(jù)的采集、處理加工、入庫出庫、更新維護等,對上層不透明,利用一個數(shù)據(jù)中間件與上層發(fā)生關系,便于平臺對數(shù)據(jù)的使用維護,當省臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者文件存儲出現(xiàn)變化時,不需要改變上層結(jié)構(gòu),只需要對數(shù)據(jù)中間件進行更新即可。

中間層是應用組件層,負責將底層的數(shù)據(jù)和上層的業(yè)務進行銜接,通過統(tǒng)一接口完成資源和應用的集成,為業(yè)務層提供功能支持,包括基本組件和功能組件。

最上層是業(yè)務服務層,負責直接面對用戶,采用交互式界面,將平臺所有功能及海洋臺風產(chǎn)品靈活、高效、友好地提供給用戶使用,同時接收用戶請求并快速返回數(shù)據(jù)。

平臺采用可配置設計原則,將所有參數(shù)存放于多個配置文件中,便于對平臺各模塊的動態(tài)調(diào)整,也方便日常維護和后期升級。同時采用可視化、分布式設計保證平臺管理和日常使用的高效、安全、可靠、穩(wěn)定。

1.2 主要功能

本平臺面向一線預報員,加強了對省臺精細化格點化客觀產(chǎn)品的顯示分析應用,對省臺分散存儲的各類數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫進行梳理,結(jié)合省臺的海洋氣象業(yè)務流程,提供海洋預報產(chǎn)品制作功能,并記錄工作日志,確保預報工作留痕可查。

1.2.1 數(shù)據(jù)管理

本平臺具備完備及便捷的數(shù)據(jù)管理功能,包括對臺風和海洋數(shù)據(jù)的查看、修改、轉(zhuǎn)移等功能。數(shù)據(jù)管理程序使用.net平臺開發(fā),部署于省臺SQL數(shù)據(jù)庫服務器中,采用優(yōu)良的人機交互界面,預報員即使不會SQL命令也可以方便的檢索相應數(shù)據(jù)。

臺風數(shù)據(jù)管理程序可對各家臺風中心(中國、美國、日本、歐洲、香港等)發(fā)布的主客觀臺風報文實時存入數(shù)據(jù)庫,使用數(shù)據(jù)中間件和WebService接口,預報員可很方便的在網(wǎng)頁上查看各種臺風和海洋預報產(chǎn)品、檢驗數(shù)據(jù),包括查看和下載臺風實況資料。同時程序集成自學習模塊,在后臺自動對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行校驗,并對其中預報數(shù)據(jù)定時進行檢驗,將檢驗數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中,方便預報員在前臺實時了解和比較各家的預報準確率情況。

海洋數(shù)據(jù)管理程序可對所有海洋產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行監(jiān)控,如有數(shù)據(jù)缺失會實時顯示,并指出數(shù)據(jù)地址,方便預報員或相關技術人員查看(圖略)。同時對省臺海洋精細化預報產(chǎn)品自動進行檢驗,并將檢驗數(shù)據(jù)也存入數(shù)據(jù)庫中。

1.2.2 預報產(chǎn)品制作

本平臺將原先分散的產(chǎn)品制作小程序及Word編輯功能集中到預報產(chǎn)品制作模塊中,使得預報員可以通過一個平臺制作所有海洋氣象預報產(chǎn)品,省去了不同制作軟件之間的切換,提高了工作效率。平臺按照崗位工作流程定時提醒預報員制作相應產(chǎn)品,后臺自動在工作日志中記錄預報員操作,同時預報員也可以隨時查看工作日志并手動填寫工作日志。管理員和預報員可以通過平臺查詢歷史工作記錄(圖略)。預報產(chǎn)品可通過格點訂正工具進行主觀訂正,并支持預覽,然后通過一鍵發(fā)布按鈕進行產(chǎn)品保存和快速發(fā)布,這可滿足現(xiàn)代天氣預報的檢驗與訂正業(yè)務所需。所有產(chǎn)品在平臺后臺自動保存,確保數(shù)據(jù)不丟失,并通過一鍵發(fā)布的形式,以多種手段(FTP、直接拷貝、推送)等形式發(fā)布到制定地址,供其他用戶使用。

1.2.3 臺風實況顯示

本平臺將臺風實況,包括臺風位置、臺風路徑、臺風強度、風圈半徑、臺風預報等信息,并采用不同顏色的點和線顯示不同等級的臺風中心位置及其路徑(圖2)。對不同預報線路也采用不同顏色表示,平臺可同時顯示一個或多個臺風信息,所有臺風有關信息都可以顯示或消隱,并具備測距、地形疊加等GIS功能,方便預報員參考。同時平臺也對省臺臺風報告單制作系統(tǒng)提供良好支持。

圖2 平臺可顯示豐富的臺風信息

1.2.4 海洋產(chǎn)品顯示和應用

本平臺可顯示各種格點及站點的省臺海洋氣象精細化預報產(chǎn)品、檢測產(chǎn)品、各種要素的海洋氣象實況資料,如海霧監(jiān)測和客觀預報產(chǎn)品(圖3a),海上極大風監(jiān)測和預報產(chǎn)品(圖3b),海上精細化天氣現(xiàn)象產(chǎn)品,海島精細化預報產(chǎn)品,海浪預報產(chǎn)品,海島站、浮標站實況資料,衛(wèi)星實況資料,雷達拼圖資料。

圖3 平臺顯示格點化海上大霧預報產(chǎn)品(a)和海上極大風預報產(chǎn)品(b)

產(chǎn)品顯示功能模塊還支持多要素疊加顯示,提供數(shù)據(jù)空間過濾功能,可對氣象要素、地圖、區(qū)域、色標、填色、線條等所有顯示要素進行精細化調(diào)整,滿足預報員制作預報產(chǎn)品和服務產(chǎn)品的需求。平臺中所有展示色彩可設置固定色彩,也可根據(jù)要素值采用分段、點對點、連續(xù)過度等方式色標填充。展示符號的大小、線條的粗細可根據(jù)地圖比例自適應縮放,確保平臺各要素能得到清晰展示。

1.2.5 海洋氣象個例查詢

該平臺集成海洋氣象個例庫和預報手冊功能。平臺將我省海上大風、大霧、臺風等典型個例、預報指標和預報經(jīng)驗及相關資料、技術文檔、業(yè)務規(guī)范、業(yè)務流程等集中歸檔入庫,建立海洋氣象個例庫,并提供便捷查詢功能,方便預報員隨時調(diào)用閱讀。

個例庫以文檔形式存于省臺分布式服務器中,其中資料可手動添加,隨時更新,并確保查詢的快捷高效和資料的安全。

1.2.6 海洋產(chǎn)品檢驗和訂正

平臺默認展示24、48、72 h預報時效的海洋及臺風預報檢驗產(chǎn)品,將各類客觀化的海洋及臺風預報產(chǎn)品檢驗結(jié)果通過圖表形式展示,預報員也可根據(jù)自己需要查看特定時間段或特定臺風的預報檢驗結(jié)果,為預報員的主觀訂正提供依據(jù)。平臺同時開發(fā)了一個格點訂正的工具,可幫助預報員根據(jù)預報檢驗結(jié)果以及預報員主觀分析的綜合意見,對大風或海霧產(chǎn)品進行主觀格點訂正,也可供預報員對其他客觀產(chǎn)品的格點數(shù)據(jù)進行主觀訂正。

2 關鍵技術

2.1 數(shù)據(jù)資料接入技術

新一代海洋氣象業(yè)務平臺涉及的原始資料包括數(shù)據(jù)庫、共享文件、FTP、Web頁面等多種形式。數(shù)據(jù)庫資料存儲于省臺SQL數(shù)據(jù)庫服務器中,部分格點數(shù)據(jù)以文件形式分散存于多個存儲服務器中。為便于上層調(diào)用,采用數(shù)據(jù)庫中間件的方式,集中管理分散的數(shù)據(jù)來源,并采用GIS數(shù)據(jù)接入服務平臺統(tǒng)一管理,滿足精細化產(chǎn)品多種顯示方式的需求,以WebService方式供前臺調(diào)用,滿足跨平臺需求。

為滿足性能和靈活性要求,前端采用Silverlight開發(fā)矢量/柵格混合顯示環(huán)境,在GIS地理信息系統(tǒng)平臺客戶端上實現(xiàn)基于GIS的多要素疊加展示,通過統(tǒng)一配合規(guī)則描述多個要素的數(shù)據(jù)路徑、時間規(guī)則、顯示樣式等,調(diào)用WebService接入原始數(shù)據(jù)。

2.2 坐標系統(tǒng)和空間定位技術

該平臺面向用戶界面統(tǒng)一采用直接經(jīng)緯度坐標系統(tǒng),所有非經(jīng)緯度坐標的原始資料在服務器端轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度,由于目前氣象要素顯示精度要求不高(最大精度也就0.01度),各種大地坐標基準之間的差別可以忽略不計。

2.3 圖形展示技術

需要展示的氣象要素包括規(guī)則格點和離散站點兩大類。規(guī)則格點資料原始數(shù)據(jù)形式由Micaps4類或13類等二維網(wǎng)格表示形式和Micaps2類的站點列表表示形式,Micaps4類或13類格式數(shù)據(jù)用自適應網(wǎng)格數(shù)據(jù)提取技術,根據(jù)顯示比例和展示的樣式尺寸自動計算出適合展示的網(wǎng)格密度,隨著地圖縮放自動調(diào)整。Micaps2類格式數(shù)據(jù)通過對各點坐標的分析計算出網(wǎng)格參數(shù)后轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格形式再進行后續(xù)處理。離散站點由于站點密度分布不規(guī)則,無法采用規(guī)則格點方式自動計算,本平臺采用分級展示技術,根據(jù)站點級別/重要性等將站點分組,隨著縮放比例自動確定顯示哪些組,確保內(nèi)容顯示完整性和版面的可讀性。

控制展示模式通過前端jQuery調(diào)用Silverlight內(nèi)的方法實現(xiàn),集成第三方網(wǎng)頁方面通過服務器上定制過濾規(guī)律,移除X-Frame-Options HTTP響應頭,讓部分無法嵌入網(wǎng)頁展示的網(wǎng)站可以嵌入到展示平臺中。平臺通過PDF插件將文件轉(zhuǎn)化為保存在服務器,通過Viewjs插件實現(xiàn)文件的在線預覽、下載。采用Highcharts控件,通過調(diào)用Highcharts API,結(jié)合自定義的json配置文件,支持直線圖、曲線圖等數(shù)據(jù)可視化展示,同時可集成在同一個圖形中形成綜合圖。

2.4 產(chǎn)品制作技術

通過基礎平臺的引擎和數(shù)據(jù)庫集合對文件資料進行監(jiān)管,通過基礎平臺的文件引擎對文件進行統(tǒng)計,并將統(tǒng)計信息寫入SQLServer數(shù)據(jù)庫中，并和數(shù)據(jù)庫的配置的問價規(guī)則進行匹配,得到統(tǒng)計的實時信息。然后將統(tǒng)計信息或者文件內(nèi)容通過Dictionary和對字符串的基本處理根據(jù)要求展示其統(tǒng)計信息和文件數(shù)量等信息。

在數(shù)據(jù)齊全前提下,通過基礎平臺的產(chǎn)品引擎和調(diào)用Frame框架里API規(guī)則定義文檔模板,自動生成簡單的信息編輯框來輸入信息和自動生成Word文檔,平臺上可以預覽Word文檔并且進行下載,并通過一鍵點擊“發(fā)布”或者“保存”將信息和文檔自動保存入庫或上傳到指定的服務器。

2.5 格點訂正技術

本平臺具有海平面大風的格點訂正功能,兩者的原始數(shù)據(jù)均為Grib格式,但由于Grib文件較大,并且dat/ctl文件的原始資料是蘭伯特投影的,需要解析成需要的Micaps4類或Micaps2類數(shù)據(jù)進行展示。由于實時解析速度過慢,影響業(yè)務實際操作,所以采用基礎平臺的數(shù)據(jù)抓取技術,定時抓取文件,保存到目錄下,從而滿足24、48、72 h內(nèi)大風和海霧格點訂正需求。

平臺開發(fā)的格點訂正工具是通過OpenGL4.2接口調(diào)用顯卡資源來進行繪圖的,將繪圖所需的坐標轉(zhuǎn)換、頂點渲染等矢量運算調(diào)用顯卡輔助計算,確保圖形化格點訂正操作的快速流暢,并確保充分利用計算資源(圖4)?？紤]到大風要素的連續(xù)性,對于風速,平臺采用簡單多點平滑方法,自動在主觀訂正與原始格式的邊緣進行處理;對于風向,平臺采用伯格斯方程對u、v風場在主觀訂正與原始格式的邊緣進行平滑[16]。

圖4 省臺客觀格點化海上極大風數(shù)據(jù)(a),使用客觀風力預報圖及風力訂正工具經(jīng)過主觀訂正的風力預報圖(b)和實況風力(c)對比

3 業(yè)務應用

浙江省新一代海洋氣象業(yè)務平臺于2018年3月完成主體框架和主要功能,并同期在省氣象臺部署應用,本著邊開發(fā)、邊應用、邊改進的理念,始終緊盯業(yè)務一線的需求,不斷更新完善平臺的各項功能,使省臺海洋氣象預報產(chǎn)品制作效率大大提高,產(chǎn)品調(diào)用更加便捷高效。

在產(chǎn)品顯示方面,通過先進的圖形技術,將省臺海洋精細化產(chǎn)品和臺風各類信息美觀清晰的顯示給預報員使用,尤其對縮放功能可對東海海區(qū)細小的海區(qū)進行顯示分析,大大提高了精細化預報程度,針對性更強,圖形也更美觀,對日常業(yè)務和臺風預報服務提供了極好的平臺支撐作用。在預報制作方面,通過統(tǒng)一制作平臺的方式,減少了預報員頻繁切換多種產(chǎn)品制作軟件的時間,減輕了軟件維護難度,有效提高了預報員制作海上氣象預報產(chǎn)品的效率。

4 結(jié) 語

浙江省新一代海洋氣象業(yè)務平臺已作為浙江省氣象臺海洋氣象預報預警業(yè)務的主要工作平臺投入業(yè)務應用,明顯提高了現(xiàn)代海洋預報的服務能力。該平臺具有以下特點:

1)遵循先進設計理念,采用多層體系結(jié)構(gòu),具備穩(wěn)定高效、跨平臺、易維護、易擴展的特性。

2)具有的GIS圖形等功能,可快速查詢查看省臺多種海洋氣象預報產(chǎn)品和臺風數(shù)據(jù),提供靈活多樣的展示方式,基本滿足預報和服務的需求。

3)緊密結(jié)合業(yè)務規(guī)范和工作流程,在產(chǎn)品制作上極大提高預報員的工作效率,有效減小出現(xiàn)錯誤的環(huán)節(jié),并自動記錄工作日志,方便留痕管理和檢查。

4)平臺采用多種技術開發(fā)格點訂正功能,方便預報員制作主客觀融合的預報產(chǎn)品,同時平臺具備一鍵分發(fā)功能,提高業(yè)務效率。

浙江省新一代海洋氣象業(yè)務平臺目前主要針對省一級需求開發(fā),未來探討各沿海市縣的需求,加入更多功能、開發(fā)更多產(chǎn)品問題。同時繼續(xù)加強數(shù)據(jù)庫建設,擴展基于CIMISS的數(shù)據(jù)環(huán)境接口,不斷提高平臺對數(shù)據(jù)獲取的高效穩(wěn)定及快速檢索,提高數(shù)據(jù)檢驗模塊的執(zhí)行效率和展示接口,提供更加友好靈活的檢驗結(jié)果展示。