張偉鋒 黃波 李飛

摘要：城市運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警涉及到多個(gè)方面，本研究在氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警基礎(chǔ)上，結(jié)合城市的網(wǎng)格化管理，把氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警落實(shí)到管理網(wǎng)格。本文研究氣象在城市運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的應(yīng)用，針對(duì)城市運(yùn)行管理中心需求，以暴雨內(nèi)澇、低溫寒潮、高溫?zé)崂说葹?zāi)害影響為切入點(diǎn)，將氣象大數(shù)據(jù)與交通、網(wǎng)格、熱線等城市綜合治理大數(shù)據(jù)共融互通，將風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警嵌入到城市運(yùn)行綜合管理平臺(tái)，為精細(xì)化城市運(yùn)行管理提供支撐。最后以徐匯區(qū)為試點(diǎn)，說明了本研究的可行性及其應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：氣象災(zāi)害;風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警;城市運(yùn)行;網(wǎng)格化

中圖分類號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0128-04

0 引言

城市氣象災(zāi)害是指發(fā)生在城市區(qū)域，由于氣象要素或其組合的異常，對(duì)城市運(yùn)行帶來很大影響的各類事件，包括暴雨內(nèi)澇、低溫寒潮、高溫?zé)崂说取Ｓ捎诔鞘腥丝诩?、?cái)產(chǎn)密集，一旦發(fā)生氣象災(zāi)害，其受災(zāi)的影響和損失就會(huì)很大，如2005年，受“麥莎”臺(tái)風(fēng)影響，上海市區(qū)200余路段馬路積水，因電線被風(fēng)掛斷以及暴雨積水觸電死亡4人，受傷149人，直接經(jīng)濟(jì)損失約13.4億元[1];2008年春運(yùn)期間，上海出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪天氣，大量旅客的出行受阻，因路面結(jié)冰和積雪，造成跌傷骨折、車禍的急救病人成倍增加[2]。

氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是城市防御氣象災(zāi)害中重要的非工程措施之一，通過對(duì)城市氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，制定應(yīng)對(duì)災(zāi)害的防治措施，能減少或避免災(zāi)害帶來的損失[3]。目前，已有許多城市開發(fā)了不同類型的城市氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，如2000年天津市建立了城區(qū)內(nèi)澇仿真系統(tǒng)，將雨量信息和氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)帶入模型進(jìn)行模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)澇的預(yù)報(bào)預(yù)警，此后，武漢、西安、南寧、鄭州等城市也相繼建立了城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)[4];上海市建立了多災(zāi)種風(fēng)險(xiǎn)分析與研判三維輔助決策系統(tǒng)，系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前天氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與高影響天氣落區(qū)預(yù)報(bào)信息，智能地分析暴雨、大風(fēng)、雷電等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與影響范圍[5]。

基于氣象的城市運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)是在氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警基礎(chǔ)上，結(jié)合城市的網(wǎng)格化管理，把氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警落實(shí)到管理網(wǎng)格，為城市的精細(xì)化管理提供支撐。本論文以上海市徐匯區(qū)為例，介紹氣象在城市運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)針對(duì)徐匯區(qū)城市運(yùn)行管理中心需求，以暴雨內(nèi)澇、低溫寒潮、高溫?zé)崂说葹?zāi)害影響為切入點(diǎn)，將氣象大數(shù)據(jù)與交通、網(wǎng)格、熱線等城市綜合治理大數(shù)據(jù)共融互通，將風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警嵌入到徐匯區(qū)城市運(yùn)行綜合管理平臺(tái)，為精細(xì)化城市運(yùn)行管理提供支撐。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、判斷、展現(xiàn)、制作、發(fā)布于一體，主體采用BS構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和云平臺(tái)管理。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、云平臺(tái)、后臺(tái)服務(wù)程序、客戶端Web系統(tǒng)組成，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012 R2，通過虛擬化技術(shù)搭建數(shù)據(jù)管理和共享云平臺(tái)，后臺(tái)服務(wù)采用C#語言基于多線程技術(shù)開發(fā)，通過ArcGIS集成暴雨內(nèi)澇、雷電災(zāi)害影響評(píng)估模型和用戶風(fēng)險(xiǎn)矩陣與影響閾值分析，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和服務(wù)產(chǎn)品的加工，客戶端Web系統(tǒng)采用Javascript For ArcGIS Server開發(fā)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)和融合顯示，通過平臺(tái)的人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)影響預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的制作和發(fā)布，也實(shí)現(xiàn)氣象實(shí)況、氣象預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息與網(wǎng)格化管理單元的疊加顯示和預(yù)警的實(shí)時(shí)顯示與城市運(yùn)行管理支撐。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 基于網(wǎng)格的城市運(yùn)行氣象風(fēng)險(xiǎn)普查

結(jié)合徐匯區(qū)災(zāi)害性天氣過程，分析歷年來造成人員傷亡、較大經(jīng)濟(jì)損失、城市運(yùn)行不暢等的各類氣象災(zāi)害出現(xiàn)的時(shí)間、網(wǎng)格、災(zāi)害損失等情況，了解徐匯區(qū)城市運(yùn)行氣象風(fēng)險(xiǎn)隱患網(wǎng)格基本信息，掌握隱患網(wǎng)格主要?dú)庀鬄?zāi)害類型、氣象致災(zāi)因子及相關(guān)要素和城市運(yùn)行氣象服務(wù)用戶需求情況等，了解隱患網(wǎng)格氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)施建設(shè)情況，采集基于網(wǎng)格的各類城市運(yùn)行氣象風(fēng)險(xiǎn)信息數(shù)據(jù)，為氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)多樣，且實(shí)時(shí)更新，為達(dá)到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)擴(kuò)展和高效訪問，數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)化文件夾結(jié)合的方式。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)雨量站、氣象水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、氣象水文歷史資料、社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性資料、系統(tǒng)監(jiān)控等數(shù)據(jù);結(jié)構(gòu)化文件夾用于存儲(chǔ)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、雷達(dá)與衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)插值分析結(jié)果、數(shù)值模式結(jié)果文件、監(jiān)控視頻片段、切片地圖數(shù)據(jù)等，按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行命名，并把元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到二維數(shù)據(jù)庫中。如表1所示列出了系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)方式。

2.3 氣象與城市綜合治理大數(shù)據(jù)分析建模

基于大數(shù)據(jù)的城市綜合治理，就是利用城市中的大數(shù)據(jù)來解決城市本身所面臨的挑戰(zhàn)，通過大數(shù)據(jù)分析手段，結(jié)合氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和交通、網(wǎng)格、熱線等城市綜合治理大數(shù)據(jù)，建立城市運(yùn)行態(tài)勢(shì)與氣象之間的大數(shù)據(jù)分析模型，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、精準(zhǔn)治理和智慧服務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，如提前預(yù)警在什么天氣條件下該地會(huì)出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，雨要下到多大才會(huì)成災(zāi)，暴雨洪澇的時(shí)間多久，下那么大的雨會(huì)預(yù)計(jì)有多少區(qū)域面積受災(zāi)，哪些小區(qū)受災(zāi)，市民會(huì)在暴雨洪澇多久后通過12345熱線不斷投訴、什么樣類型的案件會(huì)集中爆發(fā)式的投訴等。

根據(jù)氣象局記錄的徐匯區(qū)歷史重大氣候數(shù)據(jù)和天氣災(zāi)害數(shù)據(jù)、發(fā)生時(shí)長以及該地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、市民熱線投訴數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析建模，對(duì)模型進(jìn)行樣本訓(xùn)練、測(cè)試，建立算法模型知識(shí)訓(xùn)練庫，最后再根據(jù)氣象局的天氣預(yù)報(bào)情況，對(duì)徐匯區(qū)城市區(qū)域管理做預(yù)警預(yù)測(cè)。

大數(shù)據(jù)分析算法包括分類分析、描述統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、因子分析、關(guān)聯(lián)分析、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、決策樹模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析、時(shí)序模式分析、時(shí)間序列算法、偏差分析。具體的建模流程如圖2所示。

2.4 基于影響模型（暴雨內(nèi)澇、寒潮、高溫）的城市運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

暴雨內(nèi)澇影響評(píng)估模型以暴雨積澇模擬為基礎(chǔ)，通過接入實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)并結(jié)合城市暴雨內(nèi)澇評(píng)估概化模型（SUM）和暴雨內(nèi)澇水動(dòng)力模型方法構(gòu)建積澇的實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)，以得到對(duì)應(yīng)小區(qū)和道路的積水深度、積水時(shí)長和積水范圍等模擬結(jié)果，模擬評(píng)估暴雨內(nèi)澇對(duì)交通、網(wǎng)格的影響，建立暴雨內(nèi)澇交通及網(wǎng)格影響的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、精準(zhǔn)治理和智慧服務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

寒潮和高溫影響評(píng)估模型是基于城市運(yùn)行態(tài)勢(shì)與氣象之間的大數(shù)據(jù)分析模型，針對(duì)不同氣象條件情景和歷史個(gè)例，模擬評(píng)估高溫?zé)崂?、低溫寒潮?duì)徐匯城市運(yùn)行各網(wǎng)格的影響和風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而對(duì)大數(shù)據(jù)分析模型進(jìn)行反饋、調(diào)整和優(yōu)化，使模型適用于徐匯城市運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警業(yè)務(wù)服務(wù)。

根據(jù)氣象局紀(jì)錄的整個(gè)徐匯地區(qū)的歷史重大氣候數(shù)據(jù)和天氣災(zāi)害數(shù)據(jù)，發(fā)生時(shí)長，以及該地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、市民熱線投訴數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析建模，對(duì)模型進(jìn)行樣本訓(xùn)練、測(cè)試，建立算法模型知識(shí)訓(xùn)練庫，最后再根據(jù)氣象局的天氣預(yù)報(bào)情況，對(duì)徐匯區(qū)城市區(qū)域管理做預(yù)警預(yù)測(cè)。

2.5 城市暴雨內(nèi)澇情景模擬與影響分析

基于歷年氣象實(shí)況、內(nèi)澇災(zāi)情實(shí)況、網(wǎng)格熱線數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)，通過暴雨內(nèi)澇評(píng)估模型開展徐匯城市運(yùn)行暴雨內(nèi)澇情景模擬分析。暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)情景評(píng)估是以城市暴雨內(nèi)澇模擬為基礎(chǔ)，通過接入歷史降雨實(shí)況數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算得到對(duì)應(yīng)網(wǎng)格和道路分塊的積水深度、積水時(shí)長和積水范圍等模擬結(jié)果。在內(nèi)澇積水模擬計(jì)算基礎(chǔ)上，疊加分網(wǎng)格的內(nèi)澇災(zāi)情、網(wǎng)格熱點(diǎn)事件、交通路況信息等數(shù)據(jù)，分析在不同降雨、內(nèi)澇積水情景下徐匯城市運(yùn)行影響。

在徐匯城市運(yùn)行暴雨內(nèi)澇情景模擬基礎(chǔ)上，對(duì)徐匯城市運(yùn)行各網(wǎng)格進(jìn)行暴雨內(nèi)澇影響分級(jí)，建立暴雨內(nèi)澇交通及網(wǎng)格影響的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，評(píng)估評(píng)估暴雨內(nèi)澇對(duì)交通、網(wǎng)格的影響，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、精準(zhǔn)治理和智慧服務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

3 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)研制

系統(tǒng)接入上海市氣象局分區(qū)預(yù)警、中心臺(tái)天氣預(yù)警等產(chǎn)品。暴雨風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品可結(jié)合閾值指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，根據(jù)預(yù)警發(fā)布或其他觸發(fā)條件不定時(shí)制作四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品，并可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行人工修訂。當(dāng)天氣影響結(jié)束時(shí)，撤銷風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品。

氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品接入后，可通過與服務(wù)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)對(duì)象列表實(shí)現(xiàn)一鍵式發(fā)布，通過短信終端發(fā)布并跟蹤短信產(chǎn)品;通過與微信端口對(duì)接實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在微信菜單中的發(fā)布或主動(dòng)推送;通過與大屏發(fā)布統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在顯示大屏上顯示;通過與其他信息發(fā)布平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在信息發(fā)布平臺(tái)中顯示。系統(tǒng)后臺(tái)顯示產(chǎn)品送達(dá)狀態(tài)。

3.1 基于智能網(wǎng)格的預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)

面向徐匯城市運(yùn)行氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的時(shí)效和空間格網(wǎng)精度需求，改進(jìn)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)，提高0-24小時(shí)智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，提供上海地區(qū)0～24小時(shí)內(nèi)逐3小時(shí)、水平分辨率5km的降水、溫度、大風(fēng)等預(yù)報(bào)產(chǎn)品，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與網(wǎng)格管理實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

3.2 城市氣象體征感知及可視化。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)普查結(jié)果和徐匯區(qū)監(jiān)測(cè)覆蓋情況，在探測(cè)空白區(qū)域、重點(diǎn)場所和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域合理增加布設(shè)城市氣象體征感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)所在區(qū)域氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、質(zhì)控、存儲(chǔ)、監(jiān)測(cè)警戒和可視化。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于站點(diǎn)的多要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和1小時(shí)逐分鐘時(shí)序、24小時(shí)逐小時(shí)時(shí)序、月逐日時(shí)序圖?；诩用艿某鞘袣庀筇卣鞲兄獢?shù)據(jù)，通過可視化手段，實(shí)現(xiàn)徐匯區(qū)城市氣象特征多維度實(shí)時(shí)展示。

4 結(jié)語

基于氣象觀測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警等數(shù)據(jù)和城市運(yùn)行精細(xì)化治理數(shù)據(jù)，建立城市運(yùn)行精細(xì)化治理氣象大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)模型，并開發(fā)城市運(yùn)行精細(xì)化治理氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，在智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)產(chǎn)品支撐下，將大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)模型和氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警服務(wù)嵌入城市運(yùn)行管理指揮平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)氣象對(duì)城市運(yùn)行影響和風(fēng)險(xiǎn)的早期發(fā)現(xiàn)、及時(shí)預(yù)警和快速響提供支撐，從而有效提高示范區(qū)域應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)管理能力和城市精細(xì)化管理水平。

徐匯區(qū)基于氣象的城市運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)目前已在徐匯區(qū)城市運(yùn)行中心正式使用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣象部門的影響預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的制作和推送，同時(shí)在徐匯區(qū)城市運(yùn)行中心實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)普查數(shù)據(jù)、氣象大數(shù)據(jù)分析結(jié)果、城市氣象體征感知及氣象影響預(yù)報(bào)預(yù)警相關(guān)內(nèi)容的實(shí)時(shí)展示，實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)氣象—網(wǎng)格—徐匯城市運(yùn)行管理的無縫服務(wù)銜接，已在氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警運(yùn)營服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

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