吳天亭，江曉玲，全秋浩

（1.吉林省氣象信息網(wǎng)絡中心，吉林 長春 130062；2.吉林省防雷減災中心，吉林 長春 130062）

近年來氣象模式預報發(fā)展越來越快，也越來越準確。但是吉林省氣象局的天氣預報（Weather Research and Forecasting，WRF）模式的數(shù)值預報一直只能用WRF模式平臺進行分析參考[1]。本文開發(fā)的吉林省數(shù)值預報可視化平臺以WRF模式數(shù)值預報為數(shù)據(jù)源，將基本的氣象要素進行可視化，例如溫度、濕度、降水等。使用該平臺，氣象預報人員可以告別Micaps的等值線分析方式，能更直觀地對要素做出可視化分析，提供更好的預報服務。

1 國內(nèi)外氣象可視化現(xiàn)狀

氣象預報中一直使用的是枯燥的數(shù)據(jù)，針對氣象要素的可視化研究一般局限于實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。對于在預報當中非常有用的數(shù)值預報數(shù)據(jù)的可視化一直研究較少，特別是對于WRF模式可視化研究，目前國內(nèi)還不多見。

國外在氣象可視化已經(jīng)走在了前列，特別是英國開發(fā)的氣象溫度歷史數(shù)據(jù)網(wǎng)頁如圖1所示。

目前，溫州市氣象局開發(fā)的溫州臺風網(wǎng)以溫州市附近的臺風數(shù)據(jù)為基礎，輔助以矢量線條作為風場的可視化形式，再用顏色變化來表現(xiàn)溫州市市內(nèi)的區(qū)域自動站和模式預報數(shù)據(jù)的實時要素可視化情況。還有美國的可視化系統(tǒng)Wind map，該系統(tǒng)以d3.js作為軟件開發(fā)基礎，也是做了風場數(shù)據(jù)的可視化[2]。國外還是以風場可視化為重點，本系統(tǒng)的可視化不只有風場，還加入了溫度、濕度、降水的可視化部分，在氣象分析中起到更大作用。

無論是美國氣象同行的風場可視化系統(tǒng)，還是日本同行的風場可視化系統(tǒng)，雖然已經(jīng)使用廣泛，成熟穩(wěn)定，但是都存在不同程度的缺點和有待完善的領域。溫州氣象局研發(fā)的風場系統(tǒng)以臺風為主，對于陸地的風場可視化并不直觀。東京氣象局研發(fā)的Tokoyo Wind Map雖然抓住了風場的流場特性，但是以黑白明暗的變化來表示風的強度，也并不便于氣象預報分析[3]。本系統(tǒng)研發(fā)的吉林省數(shù)值預報數(shù)據(jù)可視化平臺，既把握了風場的流場特性，又采用HTML5的新特性利用彩色顏色色度變化來表示風的強度，都對已有的國內(nèi)外的風場可視化系統(tǒng)進行了極大的完善。

圖1 英國氣溫史（UK Temperature History）的網(wǎng)站數(shù)據(jù)

2 WRF預報平臺總體設計

本設計數(shù)據(jù)源以吉林省氣象局研究所高性能計算機的WRF格點預報為主，經(jīng)緯度區(qū)域限為東北三省，首先利用Java將WRF格式的預報數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，然后再用程序?qū)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)寫入json文件。Vue.js將數(shù)據(jù)和前端view綁定到一起能夠更好地提供數(shù)據(jù)服務[4]。

要素的可視化主要是以風場動畫圖與其他要素的色斑圖結合為主，并且可以通過時間線多看72小時后的數(shù)值預報情況。世界地圖通過將時間地圖的shp數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Topojson數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)頁將世界地圖放在地球上，這樣可視化過程更為直觀[5]。

2.1 Node.js和Javascript相關技術

Node.js實際上是伴隨著HTML5的出現(xiàn)而產(chǎn)生的。HTML5的產(chǎn)生使前端網(wǎng)頁的開發(fā)大行其道，Javascript越來越重要，node.js就是C++開發(fā)的專門為Javascript服務的后端程序，在node.js的基礎上有各個公司為JS開發(fā)提供便利的插件，在node.js中可以很方便地進行配置安裝。Mysql.js就是其中一款插件。Mysql.js作為連接Javascript的前端和node.js的重要插件，將前端發(fā)送的訪問數(shù)據(jù)庫的命令通過node.js轉(zhuǎn)換為C++訪問數(shù)據(jù)庫的程序。Mysql.js的使用和Java中對MySql數(shù)據(jù)庫的API調(diào)用相似，也是先建立連接，然后執(zhí)行查詢，再關閉連接的流程操作。而最主要的就是Vue.js的框架和MVVM（Model-View-View Model）模式技術。

Node.js的特別之處是，框架本身以V8 Javascript為基礎，是服務端的Javascript，V8 Javascript與其他版本Javascript不同點是V8自身有一套獨特的解釋器，可以將V8 Javascript不局限于在瀏覽器中使用，可以作為應用程序使用，這樣的話，V8 Javascript將Javascript上升到了一種應用層面的編程語言系統(tǒng)[6]。

2.2 Vue.js和MVVM

Vue.js是用Javascript開發(fā)的一套視圖層MVVM框架。Vue.js與Angular.js相比，最大的特點就是入門容易，能夠更好地為前端開發(fā)服務。而且Vue.js還可以自定組件，支持自定義開發(fā)自己的Vue.js，自定義模塊更加方便了程序員的開發(fā)過程。

Vue.js是數(shù)據(jù)驅(qū)動型框架，DOM和數(shù)據(jù)綁定在一起，只要數(shù)據(jù)發(fā)生改變，DOM就會同步變化，無需手動操作DOM。它通過一些特殊的HTML語法，將DOM和數(shù)據(jù)綁定起來。一旦創(chuàng)建了綁定，DOM將和數(shù)據(jù)保持同步，每當數(shù)據(jù)變更，DOM也會相應地更新。在與相關工具和支持庫一起使用時，Vue.js也能完美地驅(qū)動復雜的單頁應用。

MVVM模式將框架分為模型和視圖兩部分。這樣做的好處就是：（1）可以模塊化，在ViewModel里，視圖的邏輯可以在模型當中重用。（2）不同的Model可以對應不同的View，也就是說View獨立于Model，當對Model進行修改時，View可以不做修改，而當更改View時Model也可以不變。（3）在數(shù)據(jù)開發(fā)和視圖開發(fā)當中，開發(fā)人員可以分開開發(fā)，因為MVVM模式低耦合性和模塊化的特點使在Vue.js的開發(fā)中有這樣的優(yōu)點。在Web開發(fā)中框架的選擇至關重要，因為框架決定著開發(fā)的難度和軟件維護的成本[7]。

2.3 服務端搭建

本系統(tǒng)的后臺使用的是目前前端開發(fā)使用比較廣泛的node.js，因為node.js本身就是用Javascript開發(fā)的，所以在HTML5和Javascript支撐的系統(tǒng)當中，既能保持很好的穩(wěn)定性，又能保持程序運行有較好的速度。而且node.js本身功能也十分強大，便于程序在開發(fā)過程中的調(diào)試和程序開發(fā)結束后的測試。

2.4 WRF數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)源，吉林省氣象研究所利用吉林省氣象局的高性能計算機，每天運行兩次進行高性能計算，計算出吉林省全省的WRF模式數(shù)值預報結果，該結果有兩種形式存儲于高性價計算機，一種是氣象通用格式Netcdf格式的預報結果數(shù)據(jù)文件，另外一種是Grads格式的預報結果數(shù)據(jù)文件。本系統(tǒng)利用GRADS格式的數(shù)據(jù)文件，利用Java程序解析成經(jīng)緯度步長都是0.5度的格點數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲到Mysql數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中的格點數(shù)據(jù)供調(diào)試和查詢使用[8]。

再利用Java程序?qū)ysql數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理成固定格式的Json數(shù)據(jù)，Json格式固定參數(shù)設置如表1所示。

表1 Json格式固定參數(shù)設置

Json格式文件上傳到node.js的服務器數(shù)據(jù)路徑，由系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺讀取。

2.5 實時數(shù)據(jù)處理

實時數(shù)據(jù)得技術難點是利用NCL（NCAR Command Language）的插值功能對實時數(shù)據(jù)進行插值。

NCL是氣象使用廣泛的一款軟件，由美國的NCAR研發(fā)，底層用FORTRAN語言寫的源碼，便于在圖形可視化和科學研究分析當中使用，和其他程序語言不同之處是沒有了其他程序語言的預編譯過程。作為開源軟件，便于開發(fā)人員進行使用。

NCL支持對GRIB和NETCDF等格式文件的直接解析和繪制，并能輸出位圖和矢量圖，也支持C語言程序或者FORTRAN語言程序的調(diào)用。

本系統(tǒng)主要使用的是NCL開源的API接口，對原數(shù)據(jù)進行插值然后輸出CSV格式的文件。NCL自帶的繪圖軟件在二維繪圖和三維繪圖上都是強項，本系統(tǒng)在開發(fā)過程中，使用了NCL的繪圖功能和系統(tǒng)的繪圖進行比較，便于程序的調(diào)試。

實時數(shù)據(jù)處理，在整個WRF模式數(shù)據(jù)預報軟件平臺中，除了預報數(shù)據(jù)，還有實時格點數(shù)據(jù)的可視化，實時格點數(shù)據(jù)的來源是吉林省氣象信息網(wǎng)絡中心的數(shù)據(jù)庫。以數(shù)據(jù)庫中的區(qū)域站數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，NCL為插值工具。

3 結語

作為輕量級的前端網(wǎng)頁可視化程序，在MVVC的框架選擇中選擇了比較容易上手的Vue.js，數(shù)據(jù)交互利用MySql數(shù)據(jù)庫和json文件進行前后臺數(shù)據(jù)交互，然后將氣象要素降水溫度濕度進行可視化，特別是在氣象預報當中比較重要的要素風場，可以用矢量動畫進行展示，大大方便了預報員的預報工作。

[1]彭娜.基于Node.JS博客系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學，2013.

[2]巴特爾.基于NodeJS的理財應用的設計與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學，2014.

[3]李永生，劉修偉，楊玉紅.氣象大數(shù)據(jù)跨平臺分析與應用技術研究[J].電腦知識與技術，2013（31）：6943-6947.

[4]沈文海.氣象業(yè)務信息系統(tǒng)未來基礎架構探討—“云計算”和“大數(shù)據(jù)”在氣象信息化中的作用[J].氣象科技進展，2015（3）：64-66.

[5]SKAMAROCK W C，KLEMP J B，DUDHIA J，et al.A description of the advanced research WRF version 3[R].NCAR Technical Note,NCAR/TN-475+STR，2008.

[6]章國材.美國WRF模式的進展和應用前景[J].氣象，2004（12）：27-31.

[7]王曉君，馬浩.新一代中尺度預報模式（WRF）國內(nèi)應用進展[J].地球科學進展，2011（11）：1191-1199.

[8]劉星沙，羅昔軍.基于MVC模式的Struts和Spring整合框架的研究與應用[J].湘潭大學自然科學學報，2007（1）：92-95.