李建 楊忠恩 鄧闖 鄭偉才 魏晨

(1.浙江省氣象服務(wù)中心,浙江 杭州 310017；2.寧波市氣象局,浙江 寧波 315012)

0 引 言

2012年12月31日雨雪致高速杭州段12 h發(fā)生40余起交通事故；2014年4月8日早晨7時受濃霧影響,南洛高速542—544段南北雙幅先后發(fā)生6起連環(huán)交通事故,17輛車追尾,事故造成2人死亡,44人受傷；2015年6月1日深夜11點多“東方之星”大型豪華游輪突遇災(zāi)害性天氣在一兩分鐘之內(nèi)傾覆倒扣在水中致400多人死亡；2016年12月16日,寧洛高速因團(tuán)霧引發(fā)24車連環(huán)追尾,等各類氣象引發(fā)的特大交通事故頻發(fā)。

隨著國家經(jīng)濟(jì)與城市化的快速發(fā)展,由氣象條件引起的交通安全保障問題已成為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。統(tǒng)計表明,高速公路上因惡劣天氣造成的交通事故約占總事故的1/4左右[3-4]；同時在世界商船隊每年的全損船舶中,歸因于氣象這一表面原因的全損艘數(shù)和總噸約占33%,居各類全損海事之首。特別在惡劣天氣下,強(qiáng)風(fēng)大浪等災(zāi)害性天氣,是傾覆船舶的主要因素。以上案例可以看出災(zāi)害性天氣對交通安全的重大影響,如何通過一種便捷手段將前方氣象信息實時告知交通駕駛?cè)藛T,并提醒存在的交通氣象風(fēng)險顯得十分必要和重要。

1 氣象安全導(dǎo)航的概念和用戶定位

目前世界范圍內(nèi)較早提出的氣象服務(wù)交通安全的導(dǎo)航產(chǎn)品以海洋氣象導(dǎo)航和公路氣象導(dǎo)航為主。其中海洋氣象導(dǎo)航是指船舶在海洋里的整個航運(yùn)過程中,充分利用一切有利于航行的氣象和海洋方面的條件為船舶取得最安全和最有利的航行過程。公路氣象導(dǎo)航是指建立統(tǒng)一的交通氣象數(shù)據(jù)模型,管理天氣現(xiàn)象、能見度、溫度、降水、風(fēng)力、強(qiáng)天氣預(yù)警等在內(nèi)的一系列氣象信息數(shù)據(jù)和交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5-6],將各類氣象數(shù)據(jù)與道路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和用戶定位信息相融合,最終實現(xiàn)基于位置的交通氣象導(dǎo)航功能。

介于局地性災(zāi)害天氣的頻繁發(fā)生,如:江蘇鹽城的局地龍卷、湖北監(jiān)利致翻船事故的強(qiáng)對流天氣等,用戶特別是交通行業(yè)用戶對局地的災(zāi)害性天氣防范需求越來越強(qiáng)烈,有效的將陸地和水上交通氣象服務(wù)相結(jié)合,從而提出氣象安全導(dǎo)航概念。氣象安全導(dǎo)航指結(jié)合了海上、公路、內(nèi)河交通導(dǎo)航氣象服務(wù),為公路交通出行和船舶航行提供出行道路的選擇和災(zāi)害性氣象服務(wù)提醒,實現(xiàn)對出行的氣象安全保障服務(wù)。

2 氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用

目前國內(nèi)有150多部氣象雷達(dá),并已形成了6 min 1次的信息組網(wǎng)和拼圖,單部雷達(dá)的掃描覆蓋范圍在130～460 km不等,組網(wǎng)后除新疆、西藏、青海的部分地區(qū)外國內(nèi)陸地部分已基本覆蓋[7],如圖1全國的氣象雷達(dá)分布圖由中國天氣網(wǎng)提供。國內(nèi)的天氣雷達(dá)以多普勒雷達(dá)為主,相較于傳統(tǒng)天氣雷達(dá)多普勒雷達(dá)能夠監(jiān)測到位于垂直地面8～12 km的高空中的對流云層的生成和變化,判斷云的移動速度,極大地提高了對超級單體、湖泊效應(yīng)雪、成層雪、雷暴、降水、風(fēng)切變、下?lián)舯┝?、龍卷、鋒面、湍流、冰雹等重大災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)報能力[8],目前通過多普勒雷數(shù)據(jù)分析對強(qiáng)雷暴的偵察率是96%,對龍卷的發(fā)現(xiàn)率是83%,對龍卷警告的平均預(yù)警時間是18 km。因此充分應(yīng)用雷達(dá)數(shù)據(jù),結(jié)合用戶手機(jī)定位實時提供當(dāng)前位置及行進(jìn)方向前方的短時臨近預(yù)報,結(jié)合交通氣象指標(biāo)判斷前方是否會出現(xiàn)影響交通行駛安全的災(zāi)害性天氣并對駕駛?cè)藛T進(jìn)行相應(yīng)的語音文字提醒,對解決陸地和內(nèi)河交通行車和航行具有重要意義,特別是規(guī)避局地強(qiáng)對流天氣對交通安全的影響。

圖1 國內(nèi)氣象雷達(dá)分布圖

除衛(wèi)星監(jiān)測和少有的幾個浮標(biāo)站資料外,海上實時氣象監(jiān)測資料目前還比較欠缺。因此在近海雷達(dá)能覆蓋的范圍采用雷達(dá)監(jiān)測資料,外海則采用數(shù)值天氣預(yù)報模式的氣象資料進(jìn)行彌補(bǔ)。數(shù)值模式使用較多的有國內(nèi)的Grapes和T639、歐洲中心的ECMWF、美國的NCEP等[9-12],預(yù)報時效達(dá)到了10～15 d,空間分辨率可達(dá)5 km。數(shù)值天氣預(yù)報對臺風(fēng)[13]、降溫、大范圍的降水過程等趨勢預(yù)報較為準(zhǔn)確,同時根據(jù)提供的基礎(chǔ)預(yù)報要素,通過解釋應(yīng)用和統(tǒng)計分析方法計算出影響交通出行特別重要的能見度預(yù)報。近海的通航條件除參考雷達(dá)監(jiān)測信息外,部分海域還提供了航行預(yù)報,而承擔(dān)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)拇灰紤]規(guī)避災(zāi)害性天氣必須參考中長期的數(shù)值天氣預(yù)報,因此中長期數(shù)值天氣預(yù)報在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸中可幫助其選擇啟航時間以及優(yōu)化航行線路,來規(guī)避航行的氣象風(fēng)險。

3 氣象安全導(dǎo)航的設(shè)計

3.1 整體框架設(shè)計

設(shè)計分3個主功能模塊,分別是用戶管理、導(dǎo)航、綜合顯示模塊,系統(tǒng)整體框架如圖2。用戶管理模塊主要收集用戶的基本信息,如手機(jī)號碼、用戶使用時的定位信息等,根據(jù)天氣變化適時開展一對一的針對性氣象服務(wù),并可通過該模塊結(jié)合網(wǎng)絡(luò)支付等手段收取一定的服務(wù)費(fèi)用；導(dǎo)航模塊是主要的核心功能模塊,分模擬導(dǎo)航和實時導(dǎo)航。模擬導(dǎo)航通過事先規(guī)劃出行線路,了解沿途的天氣信息,預(yù)定路線發(fā)現(xiàn)可能遇到災(zāi)害性天氣時可進(jìn)行行程路線的調(diào)整,特別是遠(yuǎn)洋航行時可通過對預(yù)定的航速與途徑沿線的天氣進(jìn)行比較,根據(jù)設(shè)定的氣象風(fēng)險閾值進(jìn)行報警以提醒優(yōu)化航行路線。實時導(dǎo)航是在行進(jìn)過程中的實時天氣提醒,根據(jù)用戶手機(jī)實時定位信息匹配所在位置的氣象實況信息及行進(jìn)方向前方50 km范圍內(nèi)的短時臨近災(zāi)害性天氣信息,根據(jù)設(shè)定的氣象風(fēng)險閾值進(jìn)行提醒和報警；綜合顯示模塊為用戶提供雷達(dá)圖、衛(wèi)星云圖和天氣綜合圖,為海上航行用戶提供海圖、海域預(yù)報相關(guān)信息顯示。

圖2 氣象安全導(dǎo)航設(shè)計框架

軟件架構(gòu)上安卓版在Windows操作系統(tǒng)下采用Java語言開發(fā)[14-15],IOS版在Mac操作系統(tǒng)下采用Object-c語言開發(fā),結(jié)合Html5與LeafLet地圖類庫,各模塊可快速迭代更新,支持跨平臺(PC、平板電腦、手機(jī)瀏覽器)訪問。服務(wù)器端采用GNU/Linux、Windows操作系統(tǒng),主要為RedHat Enterprise 5版本和Win2008版本。數(shù)據(jù)存儲服務(wù)程序采用C/C++/Java等編程語言進(jìn)行開發(fā),數(shù)據(jù)庫擬采用Oracle RAC數(shù)據(jù)庫軟件。數(shù)據(jù)通信采用C#開發(fā),采用基于內(nèi)存的消息隊列(Zeromq)作為底層監(jiān)控系統(tǒng)的異步消息隊列接口,前端采用Ajax跨域調(diào)用JsonP數(shù)據(jù)服務(wù)接口。

3.2 模擬導(dǎo)航設(shè)計

模擬導(dǎo)航功能分公路導(dǎo)航和海上導(dǎo)航兩個部分。用戶通過輸入出發(fā)點、途經(jīng)點、終點和出發(fā)時間,系統(tǒng)通過地理信息匹配為用戶推薦進(jìn)行的路線,并在地圖上結(jié)合天氣信息突出顯示,如圖3和圖4。

圖3 公路模擬導(dǎo)航

圖4 海上模擬導(dǎo)航

公路模擬導(dǎo)航功能設(shè)計,主要根據(jù)用戶出行的路程距離來匹配所需要的氣象數(shù)據(jù),如6 h內(nèi)的短途公路交通出行,利用雷達(dá)外推的短臨預(yù)報提供沿途的氣象服務(wù),如6 h以上的出行路程,沿途天氣服務(wù)需要采用中短期的數(shù)值模式氣象預(yù)報數(shù)據(jù)提供服務(wù)。根據(jù)地圖導(dǎo)航功能獲得規(guī)劃的出行線路,提取出行線路的經(jīng)緯度地理信息與氣象格點數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,判斷規(guī)劃的行程中是否有災(zāi)害性天氣,從而實現(xiàn)出行前的行程規(guī)劃。

海上模擬導(dǎo)航功能,用戶自行設(shè)定船舶行駛的航速、需要行進(jìn)的途經(jīng)點,如10節(jié)航速,進(jìn)行行進(jìn)路程的時間計算(如圖5),通過動畫模擬,顯示每個途徑航段的天氣情況,分不同影響的氣象要素切換顯示)。若途中有大于8級大風(fēng)、低能見度等影響船舶航行安全的區(qū)域,在航道上突出標(biāo)注,同時通過聲音報警提醒,便于用戶更改航行的路線。

用戶出行前通過模擬導(dǎo)航功能,可有效的規(guī)避對交通出行影響較大的災(zāi)害性天氣過程。特別是遠(yuǎn)洋航行等路途較長的出行,出發(fā)后行程調(diào)整較為困難,通過該功能可修改出行時間或變更出行路線來規(guī)避氣象風(fēng)險。

圖5 設(shè)置航速和途徑點

3.3 實時導(dǎo)航設(shè)計

實時導(dǎo)航的設(shè)計是為了滿足在駕車或航行過程中獲知當(dāng)前位置和行進(jìn)方向前方的實時天氣信息。通過對雷達(dá)數(shù)量的實時分析,可判斷出雷雨大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣,并推算出其移動的方向。根據(jù)用戶提供的不斷刷新的行駛位置數(shù)據(jù),結(jié)合雷達(dá)分析的天氣影響結(jié)果不斷為用戶播報沿途及前方的氣象情況,提供氣象安全保障,如圖6和圖7。

圖6 公路實時導(dǎo)航

圖7 海上實時導(dǎo)航

沿途及前方氣象數(shù)據(jù)的分析過程如下:以汽車、船舶行使的駕駛?cè)藛T為中心位置,以50 km范圍為半徑假使一個圓形的行使警戒區(qū),結(jié)合雷達(dá)數(shù)據(jù)判斷該警戒區(qū)范圍內(nèi)是否有災(zāi)害性天氣并給予及時的提醒,如果災(zāi)害性天氣的移動路徑將經(jīng)過警戒區(qū),也給駕駛員及時進(jìn)行提醒和安全行使建議。在數(shù)據(jù)處理的具體邏輯方面,先獲取駕駛員所在位置50 km的風(fēng)暴追蹤(災(zāi)害性天氣演變移動方向)預(yù)報點經(jīng)緯度,根據(jù)預(yù)報點獲取影響風(fēng)暴追蹤線,檢索風(fēng)暴追蹤線實況點與中氣旋中心點,如小于30 km計算風(fēng)暴追蹤線每10 min的速度、方向,計算中氣旋進(jìn)入警戒區(qū)時間,判斷30 min內(nèi)汽車、船舶是否會進(jìn)入中氣旋范圍從而進(jìn)行相應(yīng)的提醒。如遇臺風(fēng)天氣時,接入臺風(fēng)路徑實況及預(yù)報數(shù)據(jù),并結(jié)合雷達(dá)、風(fēng)、降水等要素數(shù)據(jù),分析臺風(fēng)路徑趨勢對汽車、船舶行使的安全提示。以上分析判斷過程的邏輯如圖8。

通過分析經(jīng)過一段時間及距離的移動,系統(tǒng)可判斷用戶移動的方向,為用戶提供正前方左右30°角范圍內(nèi)的天氣實況,如有災(zāi)害性天氣出現(xiàn)將進(jìn)行語音播報提醒,具體邏輯示意圖如圖9。

圖8 警戒區(qū)及災(zāi)害性天氣移動示意圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

短時臨近災(zāi)害性天氣預(yù)報及結(jié)合導(dǎo)航功能的應(yīng)用是一項關(guān)鍵性技術(shù)之一。通過對雷達(dá)、氣象自動站數(shù)據(jù)的分析,實現(xiàn)災(zāi)害性天氣的分辨,并將風(fēng)暴追蹤與行車、行船移動方向比對,進(jìn)行移動路徑耦合算法的研究[16-17]。短時臨近災(zāi)害性天氣預(yù)報基于光流法外推技術(shù)的融合預(yù)報技術(shù),基于雷達(dá)數(shù)據(jù)并結(jié)合多源資料發(fā)展定量降水估測(QPE)技術(shù)。利用光流法和TITAN追蹤算法改進(jìn)雷達(dá)外推(QPF)技術(shù),實現(xiàn)風(fēng)暴追蹤。假設(shè)T1時刻風(fēng)暴i的體積是V1,位置坐標(biāo)是(X1,Y1),且有N1個風(fēng)暴；T2時刻風(fēng)暴j的體積是V2,位置坐標(biāo)是(X2,Y2),且有N2個風(fēng)暴。定義T1時刻風(fēng)暴i到T2時刻風(fēng)暴j的花費(fèi)函數(shù)是:Cij=w1dp+w2dv,其中dp=

圖9 語音播報邏輯控制示意圖

[(X1-X2)2+(Y1-Y2)2]1/2,dv=|V11/3-V21/3|,Wl和W2是權(quán)重。找到目標(biāo)函數(shù)Q=∑Cij(i是路徑的起點,j是對應(yīng)的終點)最小的配對,這樣就可以將兩個時刻的風(fēng)暴關(guān)聯(lián)起來,達(dá)到風(fēng)暴追蹤的目的。利用高分辨率的快速更新同化數(shù)值模式系統(tǒng)的預(yù)報結(jié)果,發(fā)展動態(tài)權(quán)重融合法和趨勢演變疊加法的降水與強(qiáng)對流Blengding融合技術(shù)。

強(qiáng)化分災(zāi)種強(qiáng)對流監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用,通過分布類、形態(tài)類、統(tǒng)計類、演變類、個例類的綜合應(yīng)用,建立數(shù)字組網(wǎng)3-D雷達(dá)識別、雨滴譜儀、自動站、探空等資料并結(jié)合本地特征的強(qiáng)對流監(jiān)測與識別產(chǎn)品,主要包括強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng)、雷電等強(qiáng)對流監(jiān)測識別產(chǎn)品。配料法和模糊邏輯法在強(qiáng)降水、雷暴、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣預(yù)報模型中的應(yīng)用,建立分災(zāi)種統(tǒng)計預(yù)報模型,氣候背景場作為影響因子,修訂強(qiáng)對流預(yù)報模型；發(fā)展強(qiáng)對流潛勢預(yù)報模型和數(shù)值預(yù)報融合產(chǎn)品的結(jié)合應(yīng)用。

充分應(yīng)用手機(jī)定位服務(wù)、手機(jī)地圖服務(wù)、信息推送、語音服務(wù)及氣象網(wǎng)格化數(shù)據(jù)的再分析等新技術(shù)。通過研究收集不同噸位的船舶和汽車行使氣象安全指標(biāo),建立氣象安全導(dǎo)航服務(wù)用語庫,運(yùn)用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)基于位置的信息推送和語音播報服務(wù)。在遠(yuǎn)洋導(dǎo)航過程中,需要考慮手機(jī)無網(wǎng)絡(luò)信號及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的高費(fèi)用問題,實現(xiàn)對氣象預(yù)報和地圖數(shù)據(jù)的一次性下載,方便用戶在航行過程中的隨時調(diào)閱和分析。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)的研究受“東方之星”大型豪華游輪突遇災(zāi)害性天氣啟發(fā),目前國內(nèi)尚沒有基于水上及陸路交通方面的氣象導(dǎo)航服務(wù)軟件,而在海洋上的氣象導(dǎo)航則也以國外軟件提供商為主,指在利于航行的氣象和海洋方面的條件為船舶取得最安全和最有利的航行過程。系統(tǒng)研究基于當(dāng)下流行的手機(jī)軟件通信技術(shù)研發(fā)氣象安全導(dǎo)航系統(tǒng),結(jié)合公路、海上、內(nèi)河的安全行駛氣象指標(biāo)及行駛路線導(dǎo)航功能,為陸路交通出行和船舶航行提供出行前的沿線天氣查詢及行駛過程中實時的災(zāi)害性天氣提醒,該服務(wù)方式為國內(nèi)首創(chuàng)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,截至2016年7月我國的汽車保有量為1.84億輛,2016年1—7月份全國造船完工1920萬載重噸,系統(tǒng)的研究將為汽車、船舶等的交通出行提供氣象安全保障,與預(yù)期社會和經(jīng)濟(jì)效益較為明顯。

系統(tǒng)研究中也存在需要改進(jìn)的內(nèi)容:1)海洋的邊界信息不齊全,目前通過陸地的地理信息經(jīng)RGB轉(zhuǎn)換后處理獲得,后續(xù)需要進(jìn)一步收集完善海圖、航線、港口等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2)短臨災(zāi)害性天氣的判別指標(biāo)及氣象影響交通出行的安全指標(biāo)需要不斷細(xì)化,讓實時導(dǎo)航對災(zāi)害性天氣的判別更準(zhǔn)確,功能更趨自動化；3)在導(dǎo)航路線規(guī)劃時,可考慮自動規(guī)避氣象嚴(yán)重影響交通安全的路線。

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