李雨謙，范進(jìn)進(jìn)，王美月

（湖北省公眾氣象服務(wù)中心，湖北武漢 430074）

目前，數(shù)據(jù)可視化理念和技術(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且在抽象數(shù)據(jù)信息的分析、表達(dá)、傳達(dá)等方面表現(xiàn)出獨(dú)有的優(yōu)越性[1]。氣象數(shù)據(jù)可視化是將復(fù)雜、抽象、離散的氣象數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為直觀、生動(dòng)的圖形或動(dòng)畫產(chǎn)品，所有數(shù)據(jù)處理和呈現(xiàn)都是為了服務(wù)社會(huì)公眾，讓公眾宏觀了解一個(gè)地區(qū)、一段時(shí)期內(nèi)的天氣特點(diǎn)及氣候變化規(guī)律等，增加了趣味性和可讀性，讓氣象數(shù)據(jù)變得有溫度、可交互[2-4]。

隨著人們對(duì)氣象信息的需求不斷增長，如何將氣象信息圖片化、視頻化成為公眾氣象服務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，將復(fù)雜的氣象數(shù)據(jù)及背后蘊(yùn)含的氣象科學(xué)通過各種可視化手段運(yùn)用在公眾氣象服務(wù)業(yè)務(wù)中，有利于人們對(duì)天氣、氣候產(chǎn)生更加直觀、深刻的理解。本文結(jié)合業(yè)務(wù)工作實(shí)際，闡述了氣象數(shù)據(jù)在公眾服務(wù)產(chǎn)品中可視化呈現(xiàn)的常規(guī)步驟和方法。

1 可視化數(shù)據(jù)分析

在日常氣象服務(wù)工作中，需要向公眾展示氣溫、降水、風(fēng)力、能見度等天氣實(shí)況，通過預(yù)報(bào)數(shù)值變化反映天氣發(fā)展趨勢(shì)，通過歷史氣象數(shù)據(jù)反映極端天氣的程度、氣候變化規(guī)律等。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理之前，首先需要用對(duì)比分析、分組分析、分布分析、結(jié)構(gòu)分析等方法來分析數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提煉產(chǎn)品主題。

1.1 對(duì)比分析法

將2 個(gè)或2 個(gè)以上的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析它們的差異，從而揭示這些數(shù)據(jù)所代表的天氣特征。該方法可直觀地展現(xiàn)不同地區(qū)、不同時(shí)間的天氣變化或差距，還可以準(zhǔn)確、量化地表示這種變化或差距的大小。

對(duì)比分析實(shí)質(zhì)上是基于參照物得出的一個(gè)相對(duì)關(guān)系，參照物的選擇則決定了得出結(jié)論質(zhì)量的高低。對(duì)比分析法的特點(diǎn)為簡(jiǎn)單、直觀、量化，在可視化中可進(jìn)一步細(xì)分為空間對(duì)比、時(shí)間對(duì)比、指標(biāo)對(duì)比等。

1.1.1 空間對(duì)比分析

在同一時(shí)間條件下，對(duì)不同地區(qū)的同一類氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這些地區(qū)（氣象站點(diǎn)）既可以是連續(xù)的，也可以是離散的，常用來呈現(xiàn)地區(qū)之間的天氣、氣候差異。如夏季高溫天氣時(shí)，可對(duì)比某個(gè)階段內(nèi)站點(diǎn)間的最高氣溫、高溫日數(shù)等，也可以分析統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)常年平均高溫?cái)?shù)值、高溫日數(shù)及極端高溫?cái)?shù)值等數(shù)據(jù)，通過對(duì)空間數(shù)據(jù)的對(duì)比來反映該地區(qū)涼熱分布特點(diǎn)。

1.1.2 時(shí)間對(duì)比分析

對(duì)同一區(qū)域取不同時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，用于揭示該地區(qū)天氣、氣候變化。短時(shí)間的取值常用于反映天氣特點(diǎn)，如某地一周的氣溫變化、一個(gè)月的降水變化等，最為關(guān)鍵的是時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)可視化有一個(gè)起點(diǎn)和一個(gè)終點(diǎn)；長時(shí)間取值可在一定程度上反映該地區(qū)氣候變化及規(guī)律。以梅雨為例，通過某年的降水量、降雨過程、梅雨期長度等數(shù)據(jù)，可反映當(dāng)年的梅雨天氣特點(diǎn)。若分析對(duì)象是常年梅雨期長度、降水量等數(shù)據(jù)，通過對(duì)比可以呈現(xiàn)該地區(qū)梅雨逐年強(qiáng)弱變化，甚至反映氣候變化背景下梅雨有哪些變化趨勢(shì)。

1.1.3 指標(biāo)對(duì)比分析

綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、氣象學(xué)中的一些指標(biāo)來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，常運(yùn)用某個(gè)特定時(shí)段或者某類氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如最大值、最小值、平均值等進(jìn)行對(duì)比分析，用于反映一些極端天氣的量級(jí)、分布，或者某種特殊天氣的屬性特征。

指標(biāo)分析方法可分為靜態(tài)比較和動(dòng)態(tài)比較分析。靜態(tài)比較，也叫橫向比較，是同一時(shí)間條件下不同指標(biāo)比較。動(dòng)態(tài)比較，也叫縱向比較，是不同時(shí)期指標(biāo)數(shù)值的比較，反映其發(fā)展水平和速度的變化規(guī)律，如年代季節(jié)長度分析。

1.2 分組分析法

分組分析法是指通過統(tǒng)計(jì)分組的計(jì)算和分析來認(rèn)識(shí)所要分析對(duì)象的不同特征、不同性質(zhì)及相互關(guān)系的方法。分組分析法是通過研究對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，進(jìn)行定量或定性分析，以便找到事物的發(fā)展規(guī)律，正確發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題。

分組的目的是便于對(duì)比，把性質(zhì)相同的對(duì)象合并在一起，進(jìn)一步來揭示內(nèi)在的數(shù)量關(guān)系，例如根據(jù)氣象數(shù)據(jù)的特征，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)計(jì)算劃分為不同的部分和類型來進(jìn)行研究和展示，用以揭示內(nèi)在的氣候規(guī)律和氣候特征，并幫助人們更好地理解和分析信息。

1.3 分布分析法

數(shù)據(jù)分布是將不同地區(qū)某類氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以圖形的方式直觀表現(xiàn)，可以從以下3 個(gè)方面進(jìn)行測(cè)度和描述：①分布的集中趨勢(shì)，反映各數(shù)據(jù)向其中心值靠攏或聚集的程度；②分布的離散程度，反映各數(shù)據(jù)遠(yuǎn)離其中心值的趨勢(shì)；③分布的形狀，反映數(shù)據(jù)分布的偏態(tài)和峰態(tài)。

利用數(shù)據(jù)分布分析法直接查看數(shù)據(jù)分布特征，是數(shù)據(jù)可視化最為常用的場(chǎng)景之一，如對(duì)湖北冬季日平均氣溫距平進(jìn)行分析對(duì)比，可直觀反映當(dāng)年冬季氣溫冷暖振蕩變化及冷暖程度等特點(diǎn)。湖北冬季平均氣溫距平如圖1 所示。

圖1 湖北冬季平均氣溫距平

1.4 結(jié)構(gòu)分析法

結(jié)構(gòu)分析法是在統(tǒng)計(jì)分組的基礎(chǔ)上，計(jì)算各組成部分所占比例，進(jìn)而分析某一總體現(xiàn)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、總體性質(zhì)、總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)依時(shí)間推移而表現(xiàn)出的變化規(guī)律性的統(tǒng)計(jì)方法。

結(jié)構(gòu)分析法分析各組部分占總體的比例，屬于相對(duì)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)指標(biāo)=（總體中某一部分/總體總量）×100%。

結(jié)構(gòu)分析法簡(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)用繁雜。通過結(jié)構(gòu)分析可以了解總體中某一部分的重要程度，再結(jié)合對(duì)比分析法分析某一結(jié)構(gòu)指標(biāo)是增加了還是減少了，使受眾快速了解結(jié)構(gòu)狀況，如某年夏季里高溫預(yù)警發(fā)布條數(shù)中高溫紅色預(yù)警信號(hào)、高溫橙色預(yù)警信號(hào)、高溫黃色預(yù)警信號(hào)分布情況。湖北高溫預(yù)警信號(hào)條數(shù)分析如圖2所示。

圖2 湖北高溫預(yù)警信號(hào)條數(shù)分析

以上各種常見的統(tǒng)計(jì)分析方法，都是將若干氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析它們的差異，從而揭示這些數(shù)據(jù)所代表的天氣特征。統(tǒng)計(jì)分析的目的是便于量化和直觀地展現(xiàn)不同地區(qū)、不同時(shí)間的天氣變化或差距。

2 可視化數(shù)據(jù)處理

公眾氣象服務(wù)中，數(shù)據(jù)分析結(jié)束后，需通過數(shù)據(jù)可視化將復(fù)雜、抽象、離散的氣象數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為形象、具體、美觀、生動(dòng)的圖形圖像，以方便公眾閱讀和傳播。數(shù)據(jù)可視化是借助圖形化的手段，快捷有效地傳達(dá)與溝通信息，一般具備準(zhǔn)確性、創(chuàng)新性和簡(jiǎn)潔性特點(diǎn)。數(shù)據(jù)可視化處理的方法有許多，不同的表現(xiàn)方法呈現(xiàn)出來的效果也不同。

2.1 面積/尺寸可視化

面積/尺寸可視化是對(duì)同一類氣象數(shù)據(jù)，通過長度、高度或面積加以區(qū)別，來清晰地表達(dá)不同目標(biāo)對(duì)應(yīng)目標(biāo)值之前的比照，使公眾對(duì)數(shù)據(jù)之間的差別一目了然，它不僅僅局限于面積，還包括常用的柱狀、雷達(dá)等，常適用于降水量、氣溫?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比。制作這類可視化產(chǎn)品時(shí)，要注意核算，表達(dá)準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)和份額。

傳統(tǒng)的柱形圖、餅圖可能會(huì)帶來審美疲勞，可嘗試從圖形的視覺樣式上下功夫，常用的方法是將圖形和指標(biāo)的含義關(guān)聯(lián)起來。相比于傳統(tǒng)的柱狀和餅狀圖，這樣的表達(dá)更加生動(dòng)形象，如將高溫日數(shù)的多少用火苗大小來展現(xiàn)（如圖3 所示），與產(chǎn)品主題更加契合。

圖3 武漢高溫日數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 色彩可視化

色彩可視化是給不同的氣象數(shù)值賦予不同的色彩，或者不同的亮度，通過這些表達(dá)目標(biāo)值的強(qiáng)弱和粗細(xì)，使公眾一眼便可了解哪部分目標(biāo)數(shù)據(jù)值更突出，便于快速、整體地了解一個(gè)地區(qū)的天氣、氣候差異。這種方法最常見于氣溫色斑圖、降水量色斑圖等，也應(yīng)用于某種氣象指標(biāo)的空間分布。此方法還常應(yīng)用在季節(jié)進(jìn)程、指數(shù)等級(jí)等場(chǎng)景中。如根據(jù)站點(diǎn)平均氣溫及季節(jié)指標(biāo)，用不同顏色代表各地不同的季節(jié)，通過鮮明的顏色區(qū)分，可以讓公眾快速、整體地了解該地區(qū)季節(jié)分布，并掌握自己所在地區(qū)的季節(jié)進(jìn)程情況。

2.3 圖形可視化

在設(shè)計(jì)指標(biāo)及數(shù)據(jù)時(shí)，使用有對(duì)應(yīng)實(shí)際含義的圖形圖標(biāo)來結(jié)合呈現(xiàn)，會(huì)使可視化產(chǎn)品更加生動(dòng)，更便于用戶理解圖像要表達(dá)的主題。

例如在《湖北“凍哭”指數(shù)》中，根據(jù)氣溫預(yù)報(bào)，將氣溫降幅轉(zhuǎn)換成不同的表情圖標(biāo)，并給予了體感文字描述，突出了氣溫低、天氣寒冷的宣傳主題，把氣溫預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)可視化處理成為一張生動(dòng)有趣的圖形產(chǎn)品，更有利于產(chǎn)品傳播。

2.4 地域空間可視化

當(dāng)目標(biāo)數(shù)據(jù)要表達(dá)的主題與地域有關(guān)聯(lián)，并需要突出表現(xiàn)時(shí)，一般會(huì)挑選地圖為主背景來呈現(xiàn)所有信息點(diǎn)，公眾能夠直觀地了解到全體所有的數(shù)據(jù)分布情況，同時(shí)也能夠依據(jù)地理位置快速定位到某一地區(qū)來查看詳細(xì)數(shù)據(jù)。

2.5 時(shí)態(tài)可視化

時(shí)態(tài)可視化是將氣象數(shù)據(jù)以線性的方式展示，首先對(duì)氣象數(shù)據(jù)定義一個(gè)時(shí)間起點(diǎn)和一個(gè)時(shí)間終點(diǎn)，通過離散圖、曲線、折線等形式，來反映某一氣象指標(biāo)連續(xù)的變化，也就是常見的趨勢(shì)圖。該方法常見于表現(xiàn)某一類氣象要素隨時(shí)間的變化，例如表現(xiàn)數(shù)九寒天期間某地氣溫變化。時(shí)態(tài)可視化也可以和空間可視化結(jié)合使用，展現(xiàn)同個(gè)時(shí)間點(diǎn)、多個(gè)地區(qū)同一個(gè)氣象指標(biāo)的離散分布情況，通過排列對(duì)比，使公眾能迅速從產(chǎn)品中了解到各地氣象指標(biāo)的差異性。

3 數(shù)據(jù)可視化基本原則

3.1 一切以數(shù)據(jù)說話

發(fā)掘氣象數(shù)據(jù)背后的意義，找尋數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和聯(lián)系，凝練出來的結(jié)論或表達(dá)的主題需以實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析結(jié)果為準(zhǔn)，不提前帶入觀點(diǎn)、結(jié)論。

3.2 信息易于理解

可視化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)至少應(yīng)包含2 個(gè)層次：①整體的圖形輪廓，讓公眾能夠快速地了解服務(wù)產(chǎn)品所要表達(dá)的整體概念；②對(duì)重要信息的呈現(xiàn)，能突出重要?dú)庀髷?shù)據(jù)或結(jié)論。做出的可視化圖形要易于理解，在顯性化的基礎(chǔ)上越美觀越好，切忌華而不實(shí)。

3.3 遵守保密制度

不能在氣象數(shù)據(jù)可視化產(chǎn)品中發(fā)布涉密氣象數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息。

4 結(jié)論

隨著氣象信息技術(shù)和融媒體的迅猛發(fā)展，天氣服務(wù)信息的制作發(fā)布也需要不斷探索新技術(shù)、新形式、新手段，以適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)公眾的體驗(yàn)需求?？梢暬a(chǎn)品在氣象數(shù)據(jù)新聞、氣象科普宣傳、防災(zāi)減災(zāi)宣傳等公眾服務(wù)中都得到廣泛應(yīng)用和傳播。要利用好各類氣象數(shù)據(jù)，為公眾傳播更有內(nèi)涵、更有趣味、更有價(jià)值的氣象信息，為氣象防災(zāi)減災(zāi)、公眾美好生活創(chuàng)造更高價(jià)值。