湖南气象网公众气象服务的设计与实现

罗 丹，朱宏武

（1.湖南省气象服务中心，长沙 410118；2.气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118；3.湖南省气象信息中心，长沙 410118）

湖南省气象局基于互联网技术对湖南气象网进行了改造升级，根据公众的需求，设计多元且个性化的气象服务产品，包括短临及中短期的城市预报、格点化预报、景点预报等，自动生成基于位置、图形图表化的气象监测、预报、预警产品，有效提升了气象服务在时空上的精度及气象信息的使用率，拓宽了气象信息的覆盖面，提升了公众气象服务的效果与体验感。

1 网站公众气象服务设计

1.1 精细化

精细化主要体现在产品种类以及时空精度两个方面。

1.1.1 产品种类该系统提供种类丰富、专业全面的气象GIS服务及气象服务产品。其中，气象GIS服务包括预警（预警信号、预警信号查询）、预报（城市预报、分钟级降水预报、强天气预报、空气质量预报、智能网格预报、旅游景点预报）、实况（气象要素实况、生态环境实况）、雷达回波图、卫星云图等。同时，网站特别增加了生态环境要素的监测和空气质量预报信息展示。

气象服务产品则包括全省降水量预报、全省气温预报、专题预报预警产品、全省气温实况、全省降水量实况、为农气象服务产品、卫星遥感监测产品、气候服务产品、天气分析图、台风路径等。其中，全省降水量预报、全省气温预报等产品均通过图形化的方式进行展示。

与原网站相比，新网站在产品种类上有了大幅度提升，由十几种提升至几十种。产品展现方式也由文档、图片扩展到生动专业的GIS地图展示，从而取得了量和质两方面的提升，并有效地扩大了气象服务覆盖面，提升了气象服务的科技内涵和支撑，为用户提供了多样、精细的气象服务［1］。

1.1.2 时空精度气象服务板块的精细化还体现在产品的时空精度上，就时间精度而言，可以提供未来2 h逐5 min降水预报、未来24 h逐小时天气预报、未来24 h逐3 h智能网格预报、未来14 d逐天天气预报，相比于原网站产品24 h的时间范围，新网站在时间精度上取得了大幅度的提升，精确到了分钟级，并且预报的时间范围由5 min、1 h、3 h到1 d，实现了时间范围上的全覆盖，为不同需求的用户提供更精准有效的气象服务。就空间精度而言，能够提供1 km×1 km的智能网格预报、5 km×5 km的分钟级降水预报，相比于原网站仅能展示站点数据，新网站通过在空间精度上的显著提升，使用户能够获取到更精细的气象信息［2］。

1.2 基于位置的服务

1.2.1 气象GIS服务该系统利用GIS技术提供了包括预警（预警信号、预警信号查询）、预报（城市预报、分钟级降水预报（图1）、智能网格预报、旅游景点预报等）、实况（气象要素实况、生态环境实况）、雷达回波图（图2）、卫星云图等在内的气象GIS服务，将各类气象数据以点位图、色斑图等方式在地图上进行叠加展示。

图1 分钟级降水预报

图2 基于位置的全省雷达拼图

首先，该系统通过收集湖南省全省行政区、气象站等的基础地理信息，利用GIS桌面制图技术规范，进行二次开发，提供满足系统需求的全省GIS地图，开发如下的GIS功能：

1）GIS地图支持多级缩放和拖拽等基本功能。

2）在不同比例尺下支持信息分级显示功能，始终显示符合地图比例尺大小的地理、气象信息，避免在地图分辨率较低时在地图上出现过多的信息。

3）提供气象站和色斑图等多种类型的图层叠加显示功能。

相比于原网站只能提供图片及文档格式的气象服务产品，新网站提供的GIS气象服务将原始的实况、预报等气象数据叠加在地图上，并通过上述GIS功能进行了更直观、生动、精准展示，提高了气象服务产品的智能性、科学性、先进性。

1.2.2 高精度IP定位服务 该系统依托全省GIS地图，结合百度位置大数据和高精尖定位技术，提供定位气象服务产品，其定位精度高、覆盖广、速度快，定位综合成功率高，定位误差低。例如在GIS地图上准确地展示用户IP位置未来2 h逐5 min的降水预报信息，用户还可点击地图其他位置更换定位地点，查看其他定位处的降水预报详情。基于位置展示气象数据的方式，有效地提高了气象服务产品的精准、灵活、智能化程度［3］。

1.3 数据图形化

该系统采用数据可视化技术对各类气象数据进行图形化处理，以下列4种可视化方式进行展示［4］。

1）图表。系统利用ECharts工具将24 h预报、14 d预报等以曲线图的方式进行展示，使用户能更清晰地了解各气象要素随时间的变化趋势。

2）色斑图。系统利用java.awt.Graphics2D将各气象要素、生态环境要素、雷达数据等以色斑图的方式在GIS地图上进行叠加展示，使用户能了解各气象要素在不同区域的分布情况。

3）三维展示。系统利用d3、d3.geo技术，通过颜色的深浅标示风速大小、气体流向标示风向，对风预报数据进行图形化处理，并叠加在立体地图上进行展示，使用户更直观地了解全省风预报信息。

4）动态播放。系统根据接入的自动站数据，再分析数据，将其中的风速、风向数据结合地理信息绘制成流线数据，使用户可自由选取风场的高度（地面、500 hPa）进行动态播放。

相比于原网站图片、文档格式的展示方式，新网站将气象数据与地理数据相结合，利用数据图形化处理技术，为不同类型的气象数据匹配不同的可视化展示方式，使用户能更直观、清晰地了解所需的气象信息及气象数据分布情况、变化趋势，有效地提高了数据可视化程度。

2 气象算法

2.1 资料处理

该系统能够通过湖南省气象局网络，获取自动站实况数据、雷达基数据、中尺度模式降水数据、全球模式降水数据和强降水预报产品。对所获得的自动站数据，质控采用Knn-Barnes算法。K-nearest neighbour（knn）算法本身是一种识别算法，可以找寻出离本站点（或格点）最近的K个站点。而Barnes作为一种气象常用的插值算法，可以有效地利用Knn算法中所寻找到的周边站点的信息确定本站点（或格点）的信息。在实际数据采集过程中，会出现自动站缺测、未及时传输上报数据等造成数据缺失的情况。此时引入Knn-Barnes插值算法可有效解决这一问题，明显改善数据缺测带来的影响，保证了数据的稳定性，更为数据的后续处理提供了保障。

对于该算法，质控主要分为气候极值范围检查、内部一致性检查、空间一致性检查、地形检查等方面。自动站数据首先要满足极值限定要求，对该点进行Knn-Barnes差值匹配，若其余周围站点信息一致性较差，则不采信该站点信息，从而完成梯度质控。由于各个气象要素受地形高度的影响较大，在进行插值时，需要考虑由地形高度差引起的误差。此时，在插值算法中引入地形质控，可有效解决这一问题。

2.2 预警提醒

该系统根据各项指定的气象指标生成客观的预报预警产品。根据网站的IP地址定位功能，自动识别预警范围内的用户，并在GIS地图上对相关用户进行提示。用户可根据自身需要，自由设置预警提示类型，确保用户可及时关注到网站的预警提示（图3）。

图3 预警信息展示图

2.3 产品展示

产品有多种展现方式，包括且不限于色斑图、单点三线图、单点雨量柱状图。在湖南省地图上，制作不同时段、不同区域的降水等级预报产品（图4）。产品格式有word格式、图片格式和txt格式。

图4 10 d累计降水色斑图

网站后台实现多种数据自动采集、处理、加工成降水实况、预报、预警产品，并叠加湖南省地理信息，无需人工干预，产品自动生成。

该系统具有较好的继承性，实现湖南省原有GIS信息的融合，所生产的各个信息均可叠加在原有GIS信息上。

基于便携式图形工作站，将某一时刻观测站实况雨量数据，按照观测站点经纬度标识在湖南省地图上，同时叠加显示降雨区域以及面雨量（图5），方便用户查看降雨实况。

图5 自动站降雨监测

2.4 产品制作

2.4.1 实况监测针对降水的实况监测，由于定量降水估计产品的空间分辨率和时间分辨率的要求较高，需要解决两个关键问题。第一，定量降水估计产品的更新频率很快（10 min一次），在自动站数据采集时，不能保证每次所有的自动站数据都能稳定，出现部分自动站数据缺失以及将站点数据插值成格点数据时出现插值结果不稳定的区域。第二，由于定量降水估计产品的空间分辨率很高（1 km×1 km），整个湖南省约为50万个格点。在已有的服务器运算能力条件下，必须保证每10 min更新一次降水实况。由于湖南气象网面对的公众用户众多，所以要求从数据到达至产品生成不能有过多的延时，就必须保证插值算法具有足够高的运算速度。

针对这种情况采用Knn_Barnes插值算法，该算法融合了Knn算法的大数据思想和Barnes算法的气象理论，可在部分自动站数据缺测或者未及时传输到达的情况下，进行自动站的自动补缺作用，保证1 km×1 km的格点化产品稳定生成。同时，由于Knn_Barnes算法在运算前，根据各个自动站和格点的位置提前生成稳定的权重系数静态文件。在插值运算进行时，可直接调用，其运算速度是传统的双线性插值、克里金插值等传统算法的几十倍。

针对自动站稀疏地区，需要结合雷达、卫星等实况数据，利用雷达和卫星的降水反演技术，进行实况反演。采用动态Z-I关系方法，根据最新的雷达和自动站降水数据实时更新Z-I关系，从而减小不同降水过程中雨滴谱差异造成的估算误差。

将获取到的站点实况数据，通过经纬度叠加在对应位置的地图上，并加入地图层级比例缩放展示不同层级的数据，同时可以通过勾选对映气象要素来切换，还加入了色斑图的展示，通过站点插值和湖南省边界shp文件经纬度数据生成与边界吻合的色斑图。

2.4.2 外推产品针对0～2 h时段，基于已有降水实况及雷达产品等资料，研发多种外推算法（包括且不限于TREC方法、SCIT算法、光流法、TITAN算法），给出空间分辨率为1 km×1 km，时间分辨率10 min的定量降水预报。由于湖南省地形复杂，水系纵横，仅采取某一种外推算法进行预报必定限制其准确率。为解决上述问题提供多种外推算法，可帮助用户选取适应本地化需求的外推产品。其产品快速滚动更新，更新时间间隔在6～10 min。外推算法所得结果可在用户端清晰地展示。

针对0～6 h时段，研发外推算法与模式资料融合算法，由于模式预报结果与真实的降水情况相比，会出现降水区域和降水强度的偏移，利用离散傅里叶变换算法和多尺度光流算法对模式预报结果进行位置订正，再利用韦伯分布算法对模式预报的降水强度进行订正，利用动态权重融合法对修正后的模式预报结果和外推预报结果进行融合，给出空间分辨率为1 km×1 km，时间分辨率为30 min的定量降水预报。产品滚动更新时间间隔在30 min。

针对0～24 h时段，基于现有中尺度模式结果，将其在时间、空间上进行降尺度。使得产品的空间分辨率为1 km×1 km，时间分辨率为1 h。Knn-Barnes插值算法，给出精细网格化降水预报产品。相比于传统的双线性插值方法，该算法具有计算速度快、占用资源少等优势。

2.4.3 智能网格预报解析获取的智能网格文件，起报时间为8时和20时，在地图上展示逐3 h格点预报数据，展示要素包括降水、气温、最高气温、最低气温、湿度、能见度（图6）。可随时随地获得基于位置的精细化气象服务，将实现从传统站点预报向格点预报的转变。

图6 智能网格预报

2.4.4 24 h城市预报通过精细化气象服务产品国省共享平台获取小时分辨率预报和24 h分辨率预报数据（图7），再结合地图和E-CHART弹窗的方式列表显示对应的天气图标、天气现象、气温等要素，点击地图上站点可以任意切换对应的站点数据。

图7 24 h城市预报

3 小结

该系统实现了湖南气象部门网站集约化，统一全省气象部门信息的发布窗口，建立省级主站及14个市（州）子站，采用统一的后台、统一的风格、统一的数据来源、统一气象服务产品展示模式［5］，实现了湖南气象网内容管理平台、信息发布服务平台、业务管理平台的统一，实现了气象信息、气象新闻的实时发布，信息的快速传播，内容的有效整合，资源的便捷共享，服务的双向互动。湖南气象网成为面向社会公众提供权威、及时、准确的网络气象信息服务的总出口与总平台。