浙江省新一代海洋气象业务平台设计和开发应用

楼茂园 沈翊

(浙江省气象台, 浙江 杭州 310017)

0 引 言

随着我国海洋战略的调整和浙江社会经济的高速发展,社会各界对海洋气象预报及服务的需求与日俱增,对精细化精准化的需求也越来越高[1-4]。由于海洋气象预报更多依赖非常规的观测数据,因此需要对浮标站数据、卫星数据等进行更好的显示应用。同时,气象现代化预报业务也对海洋气象预报提出了更高的要求,传统的海区预报、主观预报必将被精细化格点化订正的海洋气象要素预报所取代。因此,开发新一代海洋气象预报业务平台来为预报员提供精细化海洋预报产品分析显示、预报制作等成为当务之急。除此之外,随着海洋和台风预报业务及服务水平的不断发展,业务流程不断调整优化,对于客观预报产品、台风报告单产品等的应用也对海洋业务平台提出了更高要求,也需要该平台提供高效、精准的数据支撑。

目前,中央气象台和各地方台开发了多种适合现代化气象预报服务业务的工作平台[5-12],在开发手段上也用到了许多新技术新方法[13-15],取得了很好的效果。

而浙江省气象台此前使用的省级海洋业务平台因为开发应用多年,且主要功能以多种产品显示为主,不具有GIS缩放、格点订正等功能,无法很好展示近年来发展的海洋气象客观预报产品的精细化程度,已不能满足现代化海洋预报业务的需求。为此,省气象台及时组织力量开发新一代省级海洋预报业务平台。新一代海洋预报业务平台是立足于为全省气象预报员服务,基于海洋业务扁平化的理念,提供集数据采集、精细分析、格点订正、预报制作、快速发布、产品展示、工作记录等功能于一体,基于Silverlight和SQL数据库技术进行开发的专业业务平台,并将在使用中不断发展来更好满足台风和海洋气象预报业务需求。

1 总体框架和主要功能

1.1 总体框架

浙江省新一代海洋预报业务平台采用面向服务(Service Oriented Architecture,SOA)和多层体系的结构,这种框架结构属于开放式、松耦合的服务结构,使得平台中各部件的连接更加灵活,有利于平台随着海洋气象业务发展变动而迅速更新。整个平台框架如图1所示。

图1 新一代海洋气象业务平台总体框架

最底层为数据层,负责将省台多个海洋和台风数据库及多种数据文件整合,包括对数据的采集、处理加工、入库出库、更新维护等,对上层不透明,利用一个数据中间件与上层发生关系,便于平台对数据的使用维护,当省台数据结构或者文件存储出现变化时,不需要改变上层结构,只需要对数据中间件进行更新即可。

中间层是应用组件层,负责将底层的数据和上层的业务进行衔接,通过统一接口完成资源和应用的集成,为业务层提供功能支持,包括基本组件和功能组件。

最上层是业务服务层,负责直接面对用户,采用交互式界面,将平台所有功能及海洋台风产品灵活、高效、友好地提供给用户使用,同时接收用户请求并快速返回数据。

平台采用可配置设计原则,将所有参数存放于多个配置文件中,便于对平台各模块的动态调整,也方便日常维护和后期升级。同时采用可视化、分布式设计保证平台管理和日常使用的高效、安全、可靠、稳定。

1.2 主要功能

本平台面向一线预报员,加强了对省台精细化格点化客观产品的显示分析应用,对省台分散存储的各类数据和数据库进行梳理,结合省台的海洋气象业务流程,提供海洋预报产品制作功能,并记录工作日志,确保预报工作留痕可查。

1.2.1 数据管理

本平台具备完备及便捷的数据管理功能,包括对台风和海洋数据的查看、修改、转移等功能。数据管理程序使用.net平台开发,部署于省台SQL数据库服务器中,采用优良的人机交互界面,预报员即使不会SQL命令也可以方便的检索相应数据。

台风数据管理程序可对各家台风中心(中国、美国、日本、欧洲、香港等)发布的主客观台风报文实时存入数据库,使用数据中间件和WebService接口,预报员可很方便的在网页上查看各种台风和海洋预报产品、检验数据,包括查看和下载台风实况资料。同时程序集成自学习模块,在后台自动对数据库中数据进行校验,并对其中预报数据定时进行检验,将检验数据存入数据库中,方便预报员在前台实时了解和比较各家的预报准确率情况。

海洋数据管理程序可对所有海洋产品数据进行监控,如有数据缺失会实时显示,并指出数据地址,方便预报员或相关技术人员查看(图略)。同时对省台海洋精细化预报产品自动进行检验,并将检验数据也存入数据库中。

1.2.2 预报产品制作

本平台将原先分散的产品制作小程序及Word编辑功能集中到预报产品制作模块中,使得预报员可以通过一个平台制作所有海洋气象预报产品,省去了不同制作软件之间的切换,提高了工作效率。平台按照岗位工作流程定时提醒预报员制作相应产品,后台自动在工作日志中记录预报员操作,同时预报员也可以随时查看工作日志并手动填写工作日志。管理员和预报员可以通过平台查询历史工作记录(图略)。预报产品可通过格点订正工具进行主观订正,并支持预览,然后通过一键发布按钮进行产品保存和快速发布,这可满足现代天气预报的检验与订正业务所需。所有产品在平台后台自动保存,确保数据不丢失,并通过一键发布的形式,以多种手段(FTP、直接拷贝、推送)等形式发布到制定地址,供其他用户使用。

1.2.3 台风实况显示

本平台将台风实况,包括台风位置、台风路径、台风强度、风圈半径、台风预报等信息,并采用不同颜色的点和线显示不同等级的台风中心位置及其路径(图2)。对不同预报线路也采用不同颜色表示,平台可同时显示一个或多个台风信息,所有台风有关信息都可以显示或消隐,并具备测距、地形叠加等GIS功能,方便预报员参考。同时平台也对省台台风报告单制作系统提供良好支持。

图2 平台可显示丰富的台风信息

1.2.4 海洋产品显示和应用

本平台可显示各种格点及站点的省台海洋气象精细化预报产品、检测产品、各种要素的海洋气象实况资料,如海雾监测和客观预报产品(图3a),海上极大风监测和预报产品(图3b),海上精细化天气现象产品,海岛精细化预报产品,海浪预报产品,海岛站、浮标站实况资料,卫星实况资料,雷达拼图资料。

图3 平台显示格点化海上大雾预报产品(a)和海上极大风预报产品(b)

产品显示功能模块还支持多要素叠加显示,提供数据空间过滤功能,可对气象要素、地图、区域、色标、填色、线条等所有显示要素进行精细化调整,满足预报员制作预报产品和服务产品的需求。平台中所有展示色彩可设置固定色彩,也可根据要素值采用分段、点对点、连续过度等方式色标填充。展示符号的大小、线条的粗细可根据地图比例自适应缩放,确保平台各要素能得到清晰展示。

1.2.5 海洋气象个例查询

该平台集成海洋气象个例库和预报手册功能。平台将我省海上大风、大雾、台风等典型个例、预报指标和预报经验及相关资料、技术文档、业务规范、业务流程等集中归档入库,建立海洋气象个例库,并提供便捷查询功能,方便预报员随时调用阅读。

个例库以文档形式存于省台分布式服务器中,其中资料可手动添加,随时更新,并确保查询的快捷高效和资料的安全。

1.2.6 海洋产品检验和订正

平台默认展示24、48、72 h预报时效的海洋及台风预报检验产品,将各类客观化的海洋及台风预报产品检验结果通过图表形式展示,预报员也可根据自己需要查看特定时间段或特定台风的预报检验结果,为预报员的主观订正提供依据。平台同时开发了一个格点订正的工具,可帮助预报员根据预报检验结果以及预报员主观分析的综合意见,对大风或海雾产品进行主观格点订正,也可供预报员对其他客观产品的格点数据进行主观订正。

2 关键技术

2.1 数据资料接入技术

新一代海洋气象业务平台涉及的原始资料包括数据库、共享文件、FTP、Web页面等多种形式。数据库资料存储于省台SQL数据库服务器中,部分格点数据以文件形式分散存于多个存储服务器中。为便于上层调用,采用数据库中间件的方式,集中管理分散的数据来源,并采用GIS数据接入服务平台统一管理,满足精细化产品多种显示方式的需求,以WebService方式供前台调用,满足跨平台需求。

为满足性能和灵活性要求,前端采用Silverlight开发矢量/栅格混合显示环境,在GIS地理信息系统平台客户端上实现基于GIS的多要素叠加展示,通过统一配合规则描述多个要素的数据路径、时间规则、显示样式等,调用WebService接入原始数据。

2.2 坐标系统和空间定位技术

该平台面向用户界面统一采用直接经纬度坐标系统,所有非经纬度坐标的原始资料在服务器端转换成经纬度,由于目前气象要素显示精度要求不高(最大精度也就0.01度),各种大地坐标基准之间的差别可以忽略不计。

2.3 图形展示技术

需要展示的气象要素包括规则格点和离散站点两大类。规则格点资料原始数据形式由Micaps4类或13类等二维网格表示形式和Micaps2类的站点列表表示形式,Micaps4类或13类格式数据用自适应网格数据提取技术,根据显示比例和展示的样式尺寸自动计算出适合展示的网格密度,随着地图缩放自动调整。Micaps2类格式数据通过对各点坐标的分析计算出网格参数后转换成网格形式再进行后续处理。离散站点由于站点密度分布不规则,无法采用规则格点方式自动计算,本平台采用分级展示技术,根据站点级别/重要性等将站点分组,随着缩放比例自动确定显示哪些组,确保内容显示完整性和版面的可读性。

控制展示模式通过前端jQuery调用Silverlight内的方法实现,集成第三方网页方面通过服务器上定制过滤规律,移除X-Frame-Options HTTP响应头,让部分无法嵌入网页展示的网站可以嵌入到展示平台中。平台通过PDF插件将文件转化为保存在服务器,通过Viewjs插件实现文件的在线预览、下载。采用Highcharts控件,通过调用Highcharts API,结合自定义的json配置文件,支持直线图、曲线图等数据可视化展示,同时可集成在同一个图形中形成综合图。

2.4 产品制作技术

通过基础平台的引擎和数据库集合对文件资料进行监管,通过基础平台的文件引擎对文件进行统计,并将统计信息写入SQLServer数据库中，并和数据库的配置的问价规则进行匹配,得到统计的实时信息。然后将统计信息或者文件内容通过Dictionary和对字符串的基本处理根据要求展示其统计信息和文件数量等信息。

在数据齐全前提下,通过基础平台的产品引擎和调用Frame框架里API规则定义文档模板,自动生成简单的信息编辑框来输入信息和自动生成Word文档,平台上可以预览Word文档并且进行下载,并通过一键点击“发布”或者“保存”将信息和文档自动保存入库或上传到指定的服务器。

2.5 格点订正技术

本平台具有海平面大风的格点订正功能,两者的原始数据均为Grib格式,但由于Grib文件较大,并且dat/ctl文件的原始资料是兰伯特投影的,需要解析成需要的Micaps4类或Micaps2类数据进行展示。由于实时解析速度过慢,影响业务实际操作,所以采用基础平台的数据抓取技术,定时抓取文件,保存到目录下,从而满足24、48、72 h内大风和海雾格点订正需求。

平台开发的格点订正工具是通过OpenGL4.2接口调用显卡资源来进行绘图的,将绘图所需的坐标转换、顶点渲染等矢量运算调用显卡辅助计算,确保图形化格点订正操作的快速流畅,并确保充分利用计算资源(图4)。考虑到大风要素的连续性,对于风速,平台采用简单多点平滑方法,自动在主观订正与原始格式的边缘进行处理;对于风向,平台采用伯格斯方程对u、v风场在主观订正与原始格式的边缘进行平滑[16]。

图4 省台客观格点化海上极大风数据(a),使用客观风力预报图及风力订正工具经过主观订正的风力预报图(b)和实况风力(c)对比

3 业务应用

浙江省新一代海洋气象业务平台于2018年3月完成主体框架和主要功能,并同期在省气象台部署应用,本着边开发、边应用、边改进的理念,始终紧盯业务一线的需求,不断更新完善平台的各项功能,使省台海洋气象预报产品制作效率大大提高,产品调用更加便捷高效。

在产品显示方面,通过先进的图形技术,将省台海洋精细化产品和台风各类信息美观清晰的显示给预报员使用,尤其对缩放功能可对东海海区细小的海区进行显示分析,大大提高了精细化预报程度,针对性更强,图形也更美观,对日常业务和台风预报服务提供了极好的平台支撑作用。在预报制作方面,通过统一制作平台的方式,减少了预报员频繁切换多种产品制作软件的时间,减轻了软件维护难度,有效提高了预报员制作海上气象预报产品的效率。

4 结 语

浙江省新一代海洋气象业务平台已作为浙江省气象台海洋气象预报预警业务的主要工作平台投入业务应用,明显提高了现代海洋预报的服务能力。该平台具有以下特点:

1)遵循先进设计理念,采用多层体系结构,具备稳定高效、跨平台、易维护、易扩展的特性。

2)具有的GIS图形等功能,可快速查询查看省台多种海洋气象预报产品和台风数据,提供灵活多样的展示方式,基本满足预报和服务的需求。

3)紧密结合业务规范和工作流程,在产品制作上极大提高预报员的工作效率,有效减小出现错误的环节,并自动记录工作日志,方便留痕管理和检查。

4)平台采用多种技术开发格点订正功能,方便预报员制作主客观融合的预报产品,同时平台具备一键分发功能,提高业务效率。

浙江省新一代海洋气象业务平台目前主要针对省一级需求开发,未来探讨各沿海市县的需求,加入更多功能、开发更多产品问题。同时继续加强数据库建设,扩展基于CIMISS的数据环境接口,不断提高平台对数据获取的高效稳定及快速检索,提高数据检验模块的执行效率和展示接口,提供更加友好灵活的检验结果展示。