祁连山人影试验数据档案的标准化处理＊

崔秀云，王 琦，尹 春，李宝梓，何金梅

（1.甘肃省气象局，甘肃 兰州 730020；2.甘肃省人工影响天气办公室，甘肃 兰州 730020；3.甘肃省气象服务中心，甘肃 兰州 730020）

1 引言

祁连山是中国西部重要生态安全屏障，是黄河流域重要水源产流地，也是中国生态极其脆弱区和生物多样性保护优先区域；祁连山有多条西北—东南走向的平行山脉和宽谷，海拔4 000～6 000 m，西端与阿尔金山脉相接，东端与秦岭、六盘山相连，长近1 000 km；南北宽200～400 km，山峰海拔4 000～5 000 m，最高峰海拔5 808 m，海拔4 000 m以上的山峰终年积雪，山间谷地的海拔也在3 000～3 500 m。

气象部门已初步建成祁连山及周边区域自动观测体系，在祁连山及周边地区布设了多种人影特种观测仪器，其中在甘肃省境内布设有Ka波段云雷达1台、微波辐射计3台、6要素自动站13套、降水类天气现象仪22套、全球定位系统（GPS）火箭探空系统2套、全球导航系统气象观测站（GNSS/MET）6个，结合已建成的国家气象站20个、无人气象站7个、区域自动站320个等自动观测站点，初步建立了飞机和地面作业、监测、作业指挥、效果检验、技术支撑保障等构成的人影作业体系，持续开展人影作业条件的监测，为祁连山人影作业指挥提供有效的数据支撑[1-9]。

档案工作的标准化、规范化是实现档案管理现代化的基础。随着信息技术、多媒体技术的飞跃发展，使档案工作朝着自动化方向迈进了一大步。利用数据档案管理的基本原理，依托现有观测网络和设备将祁连山试验示范基地的卫星、雷达、探空、地面等多项数据，以及祁连山森林火险气象等级和人工增雨资料进行收集[10-11]，并统一化管理进行数据分析和利用，形成祁连山人影试验数据档案的标准化数据集[12-18]，并充分发挥数据价值，为科学研究和人影作业提供可靠的档案数据。

2 祁连山人影试验数据档案的标准化处理需求分析

随着祁连山试验示范基地的深入运行，积累的数据量不断增长，数据的价值越来越高，数据对于人影业务价值帮助也越来越重要；此外，防灾减灾、应急抗旱、大气污染防治、森林防灭火、保障水资源、生态修复，无一不需要人影工作的参与，人影工作对于很多社会服务体系的运行都是不可或缺，甚至是举足轻重的。

2.1 数据采集收集

祁连山试验示范基地数据处理是建立数据采集、接收、存储、分析、计算的统一平台，提供统一的数据访问接口，为人影业务和科研服务及共享服务提供高效、规范的数据。主要收集卫星、雷达、探空、地面等常规资料；收集雨滴谱、微波辐射计、云雷达、双偏振雷达、GNSS/MET、探空火箭、飞机探测设备（Droplet Measurement Technologies Inc，DMT公司）、Stratton Park Engineering Company，SPEC公司）、风廓线雷达等特种观测资料分析。

2.2 数据统计分析

各种资料按时段，按区域分析（行政区域、自定义区域），并提供数据分析及可视化展示等数据资源服务应用，以多种个性化的功能和交互体验良好的系统界面提供数据服务。数据采集首先定位为祁连山试验示范基地人影业务信息数据存储、管理的统一平台，最大限度地将基地卫星、雷达、探空、地面等常规资料以及雨滴谱、微波辐射计、云雷达、双偏振雷达、GNSS/MET、探空火箭、飞机探测（DMT，SPEC等）、风廓线雷达等特种观测资料存储在统一的平台之上，为上层业务应用提供数据访问服务。

2.3 数据显示分析

数据处理平台提供一个可用于科研和业务的服务框架，在满足未来人影业务和探测手段不断发展、资料种类不断增加的同时，以“精准化、智慧型”为发展方向，能够在该平台上进行各种数据处理、分析、可视化展示。实现分类数据的图表显示，多种数据的叠加显示分析，资料的时序分析。

3 祁连山人影试验数据档案标准化处理的基本内容

祁连山试验示范基地数据采集处理主要对卫星等常规资料、雨滴谱等特种观测资料通过大数据技术构建一个统一、集中、智能的大数据平台，通过对人影办的指定业务数据进行汇聚，将分散的数据进行集中和整合管理，形成多类信息于一体的人影气象数据处理系统，对数据分析提供数据支撑；通过高质量数据资源，结合地理信息资源，实现数据的全方位综合查询、统计分析、可视化，更好地提高人工影响天气管理与作业的科技水平和经济、社会效益。

3.1 气象数据处理系统框架

气象数据处理系统以大数据框架为基础、融合数据挖掘技术，对与人影相关的常规资料、特种观测资料以及地理信息数据等进行质量控制、入库存储、数据挖掘、融合分析、管理监控，按照《气象数据管理办法（试行）》《气象资料分类编码及命名规范》等要求，结合人影需求提供数据接入、检索、可视化等功能，实现人影气象数据的有效存储与处理。

3.2 气象数据处理系统内容

气象数据处理系统将全面收集整合祁连山试验示范基地雨滴谱、微波辐射计、云雷达、双偏振雷达、GNSS/MET、探空火箭、飞机探测（DMT，SPEC等）、风廓线雷达等特种观测资料和卫星、雷达、探空、地面等常规资料，每天实时为气象业务人员提供气象数据；将建立与全国综合气象信息共享平台（简称CIMISS）等相关系统的对接，获取试验示范基地缺乏的数据资源，针对人影业务需求构建业务信息流程，以便更好地实现试验示范基地信息与其他气象部门信息的高度融合；建立统一数据访问模型，根据资料内容进行分类、存入不同类型的数据库，进行统一访问处理，并对数据采集、存储、信息显示控制、调度任务等功能进行管理监控；利用大数据架构技术实现数据的统一管理和共享，进一步满足数据统计分析、可视化需求，以及人影业务的需求，提升气象服务保障能力，以及数据的及时性、便捷性和有效性。

4 祁连山人影试验数据档案的标准化处理的数据集

4.1 地面资料

通过与CIMISS气象数据统一服务接口的地面资料中的各个接口对接，获取地面逐小时（图1）和分钟（图2）资料数据，逐小时资料包括：气温、最高气温、最低气温、露点温度、相对湿度、水汽压、降水量、最大风速、瞬时风向、瞬时风速、极大风速等要素；分钟资料包括：最高气压、最低气压、最高气温、最低气温、露点温度、最小相对湿度、水汽压、过去1 h降水量、2 min平均风向度、2 min平均风速、10 min平均风向、10 min平均风速、最大风速的风向、最大风速、瞬时风向、瞬时风速、最高地面温度、最低地面温度等要素。

图2 分钟数据资料接口对接内容

4.2 高空资料

通过与CIMISS气象数据统一服务接口的高空资料接口对接，获取高空资料，包括：区站号、纬度、经度、测站高度、测站海平面高度、气压传感器海拔高度、高度（气球释放）、时间、云量（低云或中云）、云底高度、低云状、中云状、高云状、资料所属部别、时间偏差、纬度偏差、经度偏差、气压、位势高度、高度、气温、露点温度、温度露点差、风向、风速等。

4.3 GNSSS/MET水汽资料

GNSSS/MET水汽资料包括零级产品：原始数据；一级产品：解算软件输出的大气总延迟量；二级产品：垂直大气水汽总量、区域水汽分布图等；三级产品：应用二级产品进行再开发的产品。

4.4 雷达资料

通过与CIMISS气象数据统一服务接口的高空资料的雷达资料接口对接，获取雷达资料。主要有雷达单站产品（见表1），包括基本反射率、基本速度、组合反射率。

表1 雷达资料类别

C、X波段双偏振多普勒天气雷达。通过自动或人工方式收集C、X波段双偏振多普勒天气雷达观测的强度、速度、速度谱宽、差分反射率因子、差分传播相移、相关系数、线性退极化等数据，并存储入库。

云雷达。根据实际情况采用自动和人工方式收集云雷达观测的反射率因子Zd，信噪比SNRd，线性退极化比LDRd，径向速度Vrd，速度谱宽SWd等数据。根据实际情况采用自动和人工方式收集云雷达观测的反射率因子Zd，径向速度Vrd数据。

探空火箭。根据实际情况主要收集探空火箭数据，包括温度、湿度、气压、风速、风向和测量点三维坐标等，系统将数据采集存储。

4.5 卫星资料

主要采用风云4号和葵花8号卫星数据。风云4号卫星L1数据资料，包括中国区域C001～C006通道的可见光，C009、C010通道的水汽及C011～C014通道的红外等数据；葵花8号卫星数据和风4数据类型一致（包括可见光、水汽、红外）。

4.6 雨滴谱和微波辐射计

雨滴谱资料里面包含降水粒径分布、粒子速度、天气现象数据、雷达发射率、降水类型、降水量、雨滴谱、雨强等数据，其中雨滴的粒径、降落速度数据为主要数据，其他的降水强度、降水量、雷达反射率主要是由雨滴谱数据测算得出。

从微波辐射计数据lv2文件中提取温、湿廓线数据、积分数据、云底高度及雨状态，并上传数据到数据库。lv2文件格式为csv文件，逗豆分隔，前20行为数据说明，数据从22行开始，每7行为1组，数据组第1行，有雨状态，第2行有温度廓线，第3行，水汽廓线，第4行液态水廓线，第5行相对湿度廓线（廓线资料有58层），第6行，水汽积分，液态水积分，云底高度。

4.7 飞机探测和风廓线雷达

对接取人影飞机（包括无人机）探测的各种云降水微物理等观测数据，以及温度、压力、湿度等常规气象要素进行采集，并存储入库。

风廓线雷达数据符合《风廓线雷达通用数据格式（V1.2）》，按照数据的获取方式实现自动或人工数据采集。

4.8 祁连山火险等级和人影效果评估

根据祁连山地形、气候条件和历史火灾分布等因素，划分并计算森林火险气象等级FFDI值（IFFDI）等级，并将历年火险等级和人工增雨数据对应采集存储。

式中：U为森林火险气象指数的函数表达式；Cr为降水量修正系数，24 h降水Rr≥1 mm时，Cr=0；Rr＜1 mm时，Cr=1；Cs为积雪修正系数，24 h积雪深度Hs＞0 cm时，Cs=0；Hs=0 cm时，Cs=1；V为14时风速，单位为m/s；T为14时气温，单位为℃；rRH为14时相对湿度，以百分比（%）表示；M为连续无降水日数，单位为d。

5 数据采集入库

数据源围绕核心数据，通过现有气象专网，利用文件传输协议（简称FTP）、文件共享、系统接口对接等方式从原数据服务器上或业务系统采集各类气象数据文件，包含地面气象资料、高空气象资料、雷达资料、卫星资料、雨滴谱、微波辐射计、云雷达、双偏振雷达、GNSS/MET、探空火箭、飞机探测（DMT，SPEC等）、风廓线雷达等特种观测资料等，系统对这些气象数据自动进行质量控制及预处理，并分类存储到气象数据库中。

项目所涉及所有资料采集的管理功能，支持用户添加或删除采集任务，自定义数据源路径、过滤规则、采集任务执行时间，以及数据保存期限，并且数据源支持FTP、共享目录等多种方式；可根据采集任务配置执行资料采集任务；在指定的时间从数据源采集资料并存储到服务器磁盘目录；对采集到的数据进行质量控制以及预处理，过滤错误的气象资料，将满足条件的资料按照规则存储到数据库中；可实时监控每个采集任务的运行状态，以及最近一段时间采集的数据文件名称及采集时间；对数据采集过程中出现的网络连接异常、数据缺失、数据错误、存储空间不足等异常情况进行报警提示，并通过声音的方式提醒管理员处理；最后，系统可自动记录气象资料采集过程，将采集资料来源、采集时间、存储路径记录至日志文件中，保证数据采集过程可追溯、可管理。

6 结论

文章利用祁连山及周边地区气象观测和多种人影特种观测数据，按照数据档案工作的标准化、规范化要求，利用数据档案管理的基本原理，分析了祁连山人影试验数据档案的标准化处理和制订档案标准化配套体系的思路，实现了祁连山人影试验数据资料采集的管理、多源数据的共享、数据质量控制以及预处理和自动记录采集存储功能，最终将祁连山试验示范基地的多项数据进行收集并统一化管理，为祁连山云水资源研究和人工影响天气提供可靠的档案数据。