胡麗川

摘要：強對流天氣內部蘊藏著巨大的能量，它具有突發(fā)性、強度大、持續(xù)時間短的特點。強對流天氣發(fā)生時，常伴隨有強雷暴、大風（風切變）、下?lián)舯┝?、冰雹、龍卷等惡劣天氣現(xiàn)象，嚴重影響航空的飛行安全。本研發(fā)計劃旨在研制和集成國內外先進的強流天氣分析預報方法，設計并建設終端區(qū)對流天氣監(jiān)測分析預報系統(tǒng)，以提升終端區(qū)強對流天氣預報能力，適應我國民航事業(yè)快速發(fā)展的緊迫需求。系統(tǒng)功能主要包括終端區(qū)對流天氣臨近預報，終端區(qū)對流天氣短時預報，起降條件與航路預報，預報產(chǎn)品檢驗與評估。

關鍵詞：預報系統(tǒng)；臨近預報；短時預報；leaflet

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0063-02

Abstract：Strong convective weather internal contains a huge amount of energy， it has a sudden， the intensity is big， the characteristics of short duration. Strong convective weather occurs， usually accompanied by a strong thunderstorm， strong wind （wind shear）， the critical flow， hail， tornado weather phenomenon， seriously affect the aviation flight safety. This research aims to develop and integrate advanced strong current weather analysis and prediction methods both at home and abroad， the design and construction monitoring analysis of convective weather forecast system， terminal area strong convective weather forecasting ability in the terminal area to enhance the adapt to the rapid development of civil aviation industry in China urgent demand. System function mainly includes the meteorological data analysis and quality control， terminal area near the convective weather forecasting， convective weather nowcasting， terminal area % E landing conditions and route.

Key words： nowcasting； forecasting system； shortterm forecast； leaflet

機場常年對流天氣頻發(fā)，強對流天氣強度強、次數(shù)多，嚴重威脅航班的正常與安全。為了在對流天氣發(fā)生時有效利用有限的空域資源、合理安排飛行流量及高效安全地實施空中交通管理，航空用戶需要掌握終端區(qū)對流天氣的發(fā)生、發(fā)展和變化情況。而目前的機場預報僅覆蓋機場周圍半徑8公里范圍內，無法滿足用戶的需求，所以必須針對終端區(qū)建立對流天氣預報系統(tǒng)，填補機場與航路之間天氣預報的空白。

系統(tǒng)主要針對終端區(qū)的雷達、衛(wèi)星、自動氣象站、閃電定位儀、AMDAR、GPS/MET資料以及中尺度數(shù)值預報產(chǎn)品等多源資料進行融合處理，使用國內領先的短時、臨近預報技術，建立終端區(qū)短臨客觀預報系統(tǒng)算法方案。該方案具備實時檢驗評分功能，擬定強對流天氣的預報準確率達到60%，提前40分鐘發(fā)布預報；可為建立終端區(qū)對流天氣信息服務系統(tǒng)提供科學與技術支撐。系統(tǒng)建設基于現(xiàn)有中南區(qū)域常規(guī)、非常規(guī)氣象資料及民航氣象部門收集的航空氣象觀測資料，內容主要包括：終端區(qū)對流天氣臨近預報、終端區(qū)對流天氣短時預報、終端區(qū)域對流天氣概念模型與中尺度分析、預報產(chǎn)品檢驗與評估、業(yè)務產(chǎn)品制作與展示、產(chǎn)品分發(fā)與共享。

1系統(tǒng)結構

根據(jù)系統(tǒng)的核心功能，將本系統(tǒng)劃分為業(yè)務處理平臺和基礎支撐平臺。業(yè)務處理平臺負責強對流天氣預報核心業(yè)務的運算，主要由各類氣象數(shù)據(jù)分析和質量控制、終端區(qū)對流天氣臨近預報、終端區(qū)對流天氣短時預報、終端區(qū)域對流天氣概念模型與中尺度分析以及臨近、短時預報實時檢驗評分等5個子系統(tǒng)組成?；A支撐平臺是為5大核心業(yè)務子系統(tǒng)提供軟件支撐和相應的產(chǎn)品服務，主要由數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理、產(chǎn)品制作與顯示、數(shù)據(jù)共享與發(fā)布，以及綜合業(yè)務監(jiān)控等5個子系統(tǒng)組成。

1.1數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心涉及存儲和管理相關的全部原始數(shù)據(jù)、中間產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)和圖形等，并且數(shù)據(jù)中心為子系統(tǒng)提供一致的數(shù)據(jù)訪問接口。其具體功能及處理流程主要有：

1）根據(jù)預先設定的計劃任務時間，通過FTP、Internet HTTPGet、DBMSAPI以及網(wǎng)絡共享等多種方式，定時主動獲取或被動接收氣象數(shù)據(jù)（文件），并將氣象數(shù)據(jù)（文件）分類存放到臨時存儲區(qū)中。

2）對獲取的文件大小、命名方式等進行初步檢驗。

3）對初驗合格的文件進行各種預處理操作，包括命名規(guī)范化、文件格式規(guī)范化等，按照統(tǒng)一的命名規(guī)則對氣象數(shù)據(jù)進行檢查。

4）對預處理后的文件進行質量檢驗，包括時間格式和有效性檢查、數(shù)據(jù)完整性檢查、數(shù)據(jù)準確性檢查、文件名與數(shù)據(jù)內容檢查、數(shù)據(jù)內容格式檢查等。

5）根據(jù)預設置的策略，依據(jù)文件名和數(shù)據(jù)內容，提取相應的元數(shù)據(jù)信息，并存儲到元數(shù)據(jù)庫中，用以提供其他業(yè)務子系統(tǒng)使用。

6）根據(jù)預設置的策略，系統(tǒng)可自動或者手動從數(shù)據(jù)庫中提取指定時間段、指定區(qū)域的若干種氣象數(shù)據(jù)，按照輸出格式模板或用戶自定義格式，重新組織生成文件，形成個例集合，用于特定業(yè)務分析或對外進行發(fā)布。

7）提供功能多樣且操作簡便的數(shù)據(jù)備份計劃，可自動將本系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料（包括各類文件和數(shù)據(jù)庫）進行備份，其中數(shù)據(jù)庫備份支持完全備份和增量備份。同時，還提供用戶手動備份與恢復功能。

8）根據(jù)不同數(shù)據(jù)的不同保存時限（該時限可由管理員用戶設定），定時啟動數(shù)據(jù)自動清理功能，將超過存儲時限的數(shù)據(jù)進行清理操作，并記錄清理日志；在數(shù)據(jù)清理之前，將數(shù)據(jù)歸檔至指定位置，并提供歸檔之前的數(shù)據(jù)不能清理的設置，以保障數(shù)據(jù)的安全性。

1.2業(yè)務中心

該部分是本系統(tǒng)的核心，由終端區(qū)對流天氣臨近預報、終端區(qū)對流天氣短時預報、臨近/短時預報實時檢驗評分、氣象數(shù)據(jù)分析和質量控制、終端區(qū)域對流天氣概念模型5個子系統(tǒng)構成，這里重點介紹前三種。

1） 終端區(qū)對流天氣臨近預報子系統(tǒng)。0-1小時的臨近預報技術主要以主觀預報為主，結合客觀算法，同時參考高分辨率數(shù)值預報模式在臨近預報中的應用。主觀臨近預報技術包括基于多普勒天氣雷達觀測數(shù)據(jù)并結合其他資料（常規(guī)高空和地面觀測、氣象衛(wèi)星云圖、快速同化循環(huán)的數(shù)值預報產(chǎn)品等）對雷暴生成、發(fā)展和衰減，特別是對強對流天氣（包括強冰雹、龍卷、雷暴大風和對流性暴雨）的臨近預報。

2）終端區(qū)對流天氣短時預報子系統(tǒng)。1-6小時的對流天氣短時預報技術，主要基于各種觀測資料集成融合和中尺度數(shù)值預報產(chǎn)品，利用動力-統(tǒng)計或數(shù)值模式所做的預報。包括數(shù)值模式預報方法、概念模型預報方法、統(tǒng)計預報方法和Blending技術。其中利用高分辨率數(shù)值預報模式產(chǎn)品作為背景場，與雷達回波外推融合，延長對流天氣短時預報的時效，與各種觀測資料融合得到快速更新的三維格點資料為雷暴和強對流風暴環(huán)境的判斷提供重要參考。

3）臨近、短時預報實時檢驗評分子系統(tǒng)。該模塊主要對臨近及短時預報產(chǎn)品進行檢驗，主要評估相關預報算法的準確性，為后期預報方法優(yōu)化及臨近短時預報質量的提高奠定基礎。

1.3管理中心

該部分主要由綜合業(yè)務監(jiān)控、作業(yè)調度管理，以及系統(tǒng)管理系統(tǒng)組成。綜合業(yè)務監(jiān)控子系統(tǒng)負責監(jiān)控本系統(tǒng)各業(yè)務進程的啟動與運行，監(jiān)控的內容主要包括系統(tǒng)守護進程運行狀態(tài)、各計劃任務執(zhí)行完成情況、當前正在運行或準備運行的業(yè)務（進程）、系統(tǒng)CPU、Memory、Hard Disk等硬件消耗情況，以及已運行程序的運行狀態(tài)記錄等。系統(tǒng)管理子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)用以實現(xiàn)功能豐富的系統(tǒng)管理功能，包括文件策略管理、目錄管理、基礎信息管理、基數(shù)據(jù)管理、日志管理、主機配置管理以及在線幫助等功能。

2 系統(tǒng)特點

1）基于WebGIS顯示技術。顯示區(qū)域靈活可變，可粗可細；具有國際水準的精細化臨近、短時預報技術的業(yè)務系統(tǒng)，強對流天氣預報能力國內領先，特別是1-6小時短時預報預警技術具有特色；

2）智能化可配置的核心。該平臺負責系統(tǒng)中氣象核心業(yè)務的管理與配置算法程序的調度與監(jiān)視，以及對遠程主機狀態(tài)、系統(tǒng)運行狀態(tài)、作業(yè)及產(chǎn)品輸出狀態(tài)的監(jiān)控等。監(jiān)控對象主要包括系統(tǒng)守護進程運行狀態(tài)、各計劃任務執(zhí)行情況、當前正在運行或準備運行的業(yè)務（進程）、系統(tǒng)CPU、Memory、Hard Disk等硬件消耗情況，以及已運行程序的運行狀態(tài)記錄等。對于運行異常的程序做出警告，并根據(jù)策略配置，自動嘗試重新激活相關程序。對死鎖、死循環(huán)、持續(xù)占用CPU 資源等情況進行智能糾錯，并根據(jù)策略配置決定是否終止進程或重新激活。該平臺采用雙守護進程技術，最大程度地保障整個系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。

3）氣象大數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡化架構特色。本系統(tǒng)運用氣象算法將采集到的數(shù)據(jù)（自動站數(shù)據(jù)，雷達數(shù)據(jù)等）根據(jù)業(yè)務需求形成不同的氣象產(chǎn)品，并采用B/S模式來發(fā)布處理數(shù)據(jù)。由于航空氣象業(yè)務系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)混雜，且對系統(tǒng)實時性、精細化要求較高，這對服務器端處理數(shù)據(jù)速度提出了很高的要求。因此本系統(tǒng)在氣象數(shù)據(jù)處理過程中采用了C++語言作為處理數(shù)據(jù)語言，生成dll動態(tài)鏈接庫，服務器端采用JNI技術調用生成的dll，將處理后的數(shù)據(jù)返回服務器端，服務器端接受處理完數(shù)據(jù)信息后采用WebSoket技術將接收信息發(fā)送到WEB端，從而形成整個氣象大數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡化架構的整體銜接。

4）采用高效實用的計算機新技術。首先是HTML5 + CSS3的運用，最新的Web標準技術，代表了下一代HTML和CSS技術。其次是Qt的運用，Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，繼承了C++的速度快、易使用、可移植性好的優(yōu)點。Qt是開源的，它有著優(yōu)良的跨平臺性。Qt Creator降低了開源程序的開發(fā)門檻。同時Qt有著豐富的API，支持2D/3D圖形渲染，支持OpenGL，對Webkit 引擎也有很好的集成，可以實現(xiàn)本地界面與Web內容的無縫集成。使用Qt庫來編寫氣象算法，不但節(jié)約大量的時間，還可以直接輸出圖像產(chǎn)品。第三是Leaflet地圖的運用，Leafle是為移動設備設計的一款交互式地圖，它最大的特點就是簡單、性能強大、可用性強。Leaflet的js庫只有33k大小，有著數(shù)以百計的擴展插件，可定制性很高。它支持最新的HTML5和CSS3技術，能有效的在主流的桌面和移動平臺使用。在氣象平臺和氣象預報系統(tǒng)開發(fā)中應用Leaflet，不但界面美觀直接，體積輕巧，還可以通過廣泛的插件來適應各式各樣氣象產(chǎn)品。

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