地面气候月报编报软件的设计与实现

韩书丽， 谭小华， 韩鑫强， 张来恩

(国家气象信息中心,北京 100081)



地面气候月报编报软件的设计与实现

韩书丽， 谭小华， 韩鑫强， 张来恩

(国家气象信息中心,北京 100081)

地面气候月报是世界气象组织规定需要编发并通过国际通信系统进行国际交换的一类气象报告，报告中编发的数据对气象及气候应用有重要作用。根据中国气象局的业务改革发展规划，地面气象观测站取消编报业务后，为了保证国际应用上和气候相关的变量能够保持无间断地监控，在国家级需依托已有业务资源，完成地面气候月报的编报。在此研究了新的业务流程下地面气候月报编报算法的编制及软件框架的设计，并介绍了软件开发及应用部署情况。

地面气候月报；格式；算法；设计；实现

地面气候月报是世界气象组织(World Meteorological Organization，以下简称WMO)规定的一类气象报告[1]，它编发的是地面观测站气压、气温、降水量、日照等基本气候要素的月度统计值和多年统计值。地面气候月报的数据在气象和气候应用中发挥了重要作用，包括气候监测、气候建模、时间序列生成等。根据区域基本气候网络的站点定义，各国站点在每月均要编发上个月份的地面气候月报，并通过全球电信系统(Global Telecommunication System，以下简称GTS)进行国际交换[2-3]。

中国气象局对地面气候月报的编报规定是：每月4日，由地面气象观测站编发前一月本站地面气候月报，并通过省级通信系统上行传输至国家级国内通信系统，国家级国内通信系统收集后向国际通信系统分发。根据《中国气象局关于县级综合气象业务改革发展的意见》，为了全面推进县级综合气象业务改革发展，按照《县级地面气象观测业务调整方案》工作要求，将取消地面气象观测站地面气候月报编发业务。台站取消编报后，由于中国气象局承担着地面气候月报国际交换任务，为了保证国际应用上和气候相关的变量保持无间断地监控，在国家级需要依托现有业务资源，完成地面气候月报编报应用的设计、开发及应用部署。笔者研究了新的业务流程下地面气候月报编报算法的编制及软件框架的设计，并介绍了软件开发及应用部署情况。

1 软件框架

1.1 报文格式

按照WMO规定，地面气候月报的电码格式为FM 71-XII CLIMAT，简式报头的TT为CS。一份地面气候月报的报告通常包含5段，每段包含若干组。每段编发的内容如表1所示，其中，第2段每10年编发一次[4]。地面气候月报中涉及到的月度统计值要素包括气压、气温、水汽压、降水、日照、积雪深度、能见度、风速、雷暴和冰雹，涉及到的年度统计值要素包括月总日照时数多年平均值和降水量五分级。

表1 地面气候月报格式

1.2 编报算法

地面气候月报编报算法的研制是整个工作的核心及关键所在，是地面气候月报编报应用设计过程中的重要部分。编报算法主要包含数据源及计算规则两部分。

1.2.1 数据源。根据对地面气候月报电码格式、地面气象观测规范[5]等的研究，确定了月报中各组数据的编发数据源，分别是通过台站实时上行的地面自动站气象要素资料(国家站)、重要天气报、地面日照资料、地面气象要素日值资料计算各要素月度统计值，通过《中国地面气候标准值数据集》获取月多年平均值，降水量五分级数据直接由各台站上报。

1.2.2 基本计算规则。基本的计算规则包括：①气压、气温等要素的日平均值，根据定时观测时次进行平均计算而得；月平均值，根据日平均值进行平均计算求得。②降水量、日照时数等的月总量值，由日总量值累加计算而得。③计算极值时，从实有记录中挑取。同时，由于实际观测要素存在缺测的情况，需要根据观测时次以及统计规则对存在缺测的各种场景下数据组织和处理的规则进行细化，主要包括：①求取日平均时，如果存在4次定时观测时次至少存在1次缺测，则根据24次观测记录计算；24次观测记录如果存在6次或以上缺测时，则不做日平均，当日按缺测处理。②求取月平均时，各日值缺测达7次或以上时，月平均记为缺测。③如果日值全部为缺测，则月极值记为缺测。

1.2.3 特殊规则。参与国际交换的站点中，存在16个站点资料不足30整年或由于迁站等原因导致30年整编资料存在分段的情况，因此需要进行特殊的处理。处理方法为：对于资料不足30整年的站点，若实有资料已达到或超过20整年，则按实有资料统计；若实有资料不足20整年，相应段相应要素不编。针对某些30年整编资料存在分段统计的台站，统计每一段覆盖的统计年数，在进行资料应用时，选择时间区间靠前的数据集。

由于“天气现象”段中包含当日全部天气现象信息，该段数据不能直接应用，需要对其进行解析以进一步得到能见度、冰雹数据，具体解析规则为：①能见度。分号后面如果是3个数字和1个逗号，则取分号后面的3个数字作为最小能见度；一个“天气现象”中，可能存在多个能见度，需要逐一进行提取，对多个能见度进行比较，取其最小者。②冰雹。“天气现象”段中，白天段如果包含89，且其后是空格，即“89 ”，说明该天有冰雹；夜间记录用()表示，如果夜间记录中包含“89，”，也说明该天有冰雹。

1.3 软件框架

根据编报算法，地面气候月报编报流程如图1所示，具体为：①根据区域基本气候网络站点清单，获取中国区域参与国际交换站点信息；②根据编报规定，地面气象观测站通过编报软件编发地面自动站气象要素资料、地面气象要素日值资料、地面日照资料及重要天气报等资料，并实时上行传输至国内气象通信系统。经解码处理后，以要素形式存储于数据存储与管理系统[6]。每个月4日，地面气候月报编报系统通过API方式检索国际交换站上一个月观测数据，供编报使用；③从《中国地面气候标准值数据集》中提取各站累年月日照时数，供编报使用；④对各站上报的降水量五分级数据进行归一化整理，供编报使用。

以地面气候月报编报算法为支撑，地面气候月报编报系统共包含站点提取、历史数据处理、实时数据处理和地面气候月报编报四部分功能模块。具体软件框图如图2所示。程序实现时，不同模块之间采用内存镜像文件来进行数据的共享。通过mmap函数，将文件内容直接映射到程序地址空间，而不必再调用读(read)等操作，有效地提高了模块间的通信效率[6]。软件框架具体说明如下：

(1)站点提取模块。从WMO下载站表，从中提取中国区域参与国际交换站点信息，根据不同省份进行站点分组，并按照特定格式形成站点配置文件，供其他模块使用。站点配置文件格式如下：

[CCCC1]

站号1

[CCCC2]

站号2

其中，CCCC为相应省份编报中心代码；不同省份段之间以空行分隔。

(2)历史数据处理模块。对《中国地面气候标准值数据集》及台站降水量五分级进行处理，处理后的数据采用内存镜像文件进行存储，供其他模块使用。

(3)原始观测数据处理。依托国家级数据存储与管理系统，采用API接口获取各台站一个月的原始观测数据，根据编报算法以及数据存储规则对数据进行再组织和处理。处理后的数据采用内存镜像文件存储。同时，为了提高业务鲁棒性，设计异常处理及故障恢复机制。根据数据存储与管理系统定义的返回码进行错误识别，当API访问出现故障时，根据出故障的查询站号和查询时间按照配置的时间间隔和重试次数进行重试[7]。

(4)地面气候月报编报。根据地面气候月报的电码格式逐段逐组进行数据处理及编发。通过设计配置文件来提高应用的灵活性，并兼容当数据源错误时更正报的编发以及当数据不可用时空报的编发。

2 软件应用

目前，地面气候月报编报软件已经完成开发、测试、部署并投入业务运行。每个月4日，由编报软件完成国际交换地 面气象观测站的地面气候月报编报，编发数据接入国际通信系统，国际通信系统处理完该公报后通过GTS线路发出进行国际交换。

德国气象局和日本气象局作为全球气候观测系统地面网络监测中心，在每个月对接收到的全球地面气候月报进行监测，并给出监测报告，如图3以空间分布的方式展示了各区域地面气候月报接收量百分比，绿色代表接收量为100%，根据图3可以看到，对中国区域的数据接收情况良好。同时，德国利用收到的地面气候月报进行全球气温监测，形成全球天气气温偏差分析产品(与1961～1990年对比)，产品每月生成1个(图4)。

3 结语

观测站取消编报业务后，为了保障地面气候月报国际交换业务，依托现有业务资源，并根据地面气象观测规范，设计了编报流程，提出了编报算法，并在此基础上完成了应用软件的开发，该软件已完成部署，并发挥了实际效益。

[1] 王卷乐,孙九林.世界数据中心(WDC)回顾、变革与展望[J].地球科学进展,2009,24(6):11-12.

[2] 李湘.气象通信系统发展与展望[J].气象，2010,36(7)：56-61.

[3] 徐杰芙.第3代国际通信系统控制数据[J].气象科技，2006,34(S1)：10-12.

[4] 高华云，应显勋，高峰，等.气象观测报告的解码规则与算法[M].北京：气象出版社，2006.

[5] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003.

[6] 刘学勇，陈建伟.精通Linux C编程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[7] 高峰，赵芳.元数据技术在MDSS实时气象数据库系统建设中的应用[J].气象科技，2006，34(Z1):68-70.

Design and Implementation of Meteorological CLIMAT Report Editing Software

HAN Shu-li, TAN Xiao-hua, HAN Xin-qiang et al

(National Meteorological Information Centre, Beijing 100081)

CLIMAT is a code required by World Meteorological Organization (WMO) and should be exchanged via the Global Telecommunication System (GTS). CLIMAT-coded messages contain information on several meteorological variables that are important to meteorological and climatological applications. According to the reform and development plan of China Meteorological Administration, the observatory will cancel the edit of CLIMAT report. To monitor the characteristics, changes, and variability of climate, we should establish a new business process and edit the CLIMAT report in national level. The article discusses the edit algorithm of CLIMAT report, the design of software framework, also introduces the development and deployment of the software.

CLIMAT; Format; Algorithm; Design; Implementation

韩书丽(1986- )，女，海南文昌人，工程师，硕士，从事气象信息系统维护与开发工作。

2015-11-11

S 16

A

0517-6611(2015)35-270-02