董良淼，范 嬌，張正國(guó)，詹瑩玉，韋增岸，李林紅

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)人工影響天氣辦公室，南寧 530022）

引言

大氣中的水物質(zhì)包括氣態(tài)的水汽，以及液、固態(tài)形式存在的水凝物；盡管定量分析表明后者比前者要小1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)［1］，卻是人類目前能夠施加有限干預(yù)的主要對(duì)象。因此，以云為主要載體的水凝物含量及其變化特征也就成了當(dāng)前“空中水資源”分析研究的重點(diǎn)。而對(duì)目前已實(shí)現(xiàn)常態(tài)化作業(yè)的全國(guó)各級(jí)人工影響天氣業(yè)務(wù)單位而言，科學(xué)評(píng)估和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空中云水的分布變化特征，是提升人影業(yè)務(wù)服務(wù)能力水平的核心工作之一［2-3］，相關(guān)定量分析和監(jiān)測(cè)服務(wù)產(chǎn)品在各級(jí)業(yè)務(wù)服務(wù)單位中都有非常迫切的應(yīng)用需求。過(guò)去由于觀測(cè)資料和評(píng)估方法等局限，學(xué)者主要通過(guò)分析水汽及地面降水變化來(lái)間接評(píng)估特定區(qū)域范圍內(nèi)的空中云水資源分布狀況［4-11］。從2010 年起，中國(guó)氣象科學(xué)研究院結(jié)合國(guó)家需求，依托數(shù)值模式再分析資料和三維云場(chǎng)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)，以云水、云冰等“空中水凝物”為直接研究對(duì)象構(gòu)建出新一代云水資源監(jiān)測(cè)評(píng)估方案（CWR-MEM）［1，12］，提供了一條量化評(píng)估空中云水含量的新思路，形成《云水資源評(píng)估技術(shù)指南（2016 版）》（以下簡(jiǎn)稱《指南》）供各級(jí)人影業(yè)務(wù)單位參考使用。由于該方案基于實(shí)驗(yàn)室研究手段，對(duì)云資料的獲取及處理技術(shù)要求高，且資料時(shí)空分辨率難以刻畫局地云水分布差異，一直以來(lái)未能在基層業(yè)務(wù)單位推廣使用。2018 年開始，廣西新一代人工影響天氣業(yè)務(wù)平臺(tái)研發(fā)團(tuán)隊(duì)結(jié)合目標(biāo)需求，在CWR-MEM 方案基礎(chǔ)上融合采用最新數(shù)值模式再分析資料，設(shè)計(jì)出一套穩(wěn)定高效業(yè)務(wù)評(píng)估流程，填補(bǔ)了以“空中水凝物”為研究對(duì)象的業(yè)務(wù)化云水資源綜合分析評(píng)估系統(tǒng)空白。本文就平臺(tái)功能設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)作一概括介紹。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和處理策略

1.1 資料來(lái)源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定保障是構(gòu)建業(yè)務(wù)化系統(tǒng)的關(guān)鍵；《指南》 基于Cloudsat 衛(wèi)星觀測(cè)資料的云場(chǎng)分析診斷方案存在著資料無(wú)法持續(xù)保障、數(shù)據(jù)處理難度高、基層業(yè)務(wù)單位直接應(yīng)用轉(zhuǎn)化困難等問題，必須找到可靠易用的數(shù)據(jù)源加以替代。

（1）ERA5 大氣再分析資料

“大氣再分析（atmospheric reanalysis）”資料是利用數(shù)值天氣模式的數(shù)據(jù)同化技術(shù)（4D-Var data assimilation method），將來(lái)自世界各地的各種觀測(cè)儀器和觀測(cè)源、不同誤差標(biāo)準(zhǔn)、不同時(shí)空分辨率的大氣觀測(cè)資料融入到遵循基本物理定律約束的動(dòng)力模式中，依據(jù)嚴(yán)格數(shù)學(xué)理論在實(shí)際觀測(cè)值與模式解之間找到最優(yōu)解。由于不受計(jì)算時(shí)效限制，生成再分析資料時(shí)可以用更多時(shí)間收集和整理各種觀測(cè)數(shù)據(jù)，允許吸收原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)定或改進(jìn)版本，能夠形成全球統(tǒng)一完整、標(biāo)準(zhǔn)水平一致、各觀測(cè)要素之間物理關(guān)系協(xié)調(diào)匹配的高質(zhì)量資料數(shù)據(jù)集，在氣象科學(xué)研究和業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中能夠起到有足夠客觀依據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐作用。

系統(tǒng)以最新ECMWF 第五代全球氣候模式再分析大氣資料（ERA5）［13］作為核心數(shù)據(jù)源，水平分辨率為0.1°×0.1°（ERA5-Land data）／0.25°×0.25°（ERA5 data on single levels、ERA5 data on pressure levels）、垂直分辨率為37 層、時(shí)間分辨率為1h。對(duì)照《指南》方案需求，ERA5 完整提供了各高度層和各經(jīng)緯度格點(diǎn)的云水關(guān)鍵特征量（其中，水凝物總量應(yīng)為ERA5 空中雨水rain_water、空中雪水snow_water、云液水cloud_liquid_water、云冰水cloud_ice_water 這4 個(gè)要素分量之和），有效解決了評(píng)估工作最為棘手的數(shù)據(jù)來(lái)源問題。

（2）實(shí)測(cè)降水資料

ERA5 雖提供了0.1°×0.1°分辨率的精細(xì)化陸面再分析降水量資料（ERA5-Land data），但對(duì)比檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)集給出的降水落區(qū)分布與實(shí)況差別較大，且計(jì)算出來(lái)的區(qū)域降水量偏高（廣西區(qū)域驗(yàn)證結(jié)果較地面氣象站實(shí)測(cè)年平均值偏大可達(dá)50%），導(dǎo)致水凝物降水效率、水物質(zhì)更新周期等關(guān)鍵云水特征參量評(píng)估結(jié)果可信度不高。因此，系統(tǒng)改用“天擎”大數(shù)據(jù)云平臺(tái)（CMADaaS）經(jīng)過(guò)質(zhì)控的國(guó)家氣象臺(tái)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集作為基礎(chǔ)降水?dāng)?shù)據(jù)源，資料序列長(zhǎng)度從2000 年起逐日至今；特別是CMADaaS 數(shù)據(jù)集從2010 年起逐步納入各省區(qū)建設(shè)的區(qū)域加密自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，僅廣西周邊區(qū)域8×9 個(gè)經(jīng)緯度格點(diǎn)面積內(nèi)，至少有1000 多個(gè)測(cè)站資料可供使用（近年更多達(dá)近4000 個(gè)），顯著提高了降水的地域匹配精準(zhǔn)度，確保了地市級(jí)區(qū)域云水參量分析評(píng)估結(jié)果的穩(wěn)定可靠性。

1.2 物理量計(jì)算方案

系統(tǒng)嚴(yán)格遵照《指南》技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)各相關(guān)物理量的評(píng)估計(jì)算［1，12］，每次評(píng)估統(tǒng)計(jì)均輸出包括水物質(zhì)總量、水物質(zhì)更新周期和水物質(zhì)轉(zhuǎn)換效率等共計(jì)三大類、十個(gè)重要云水特征參量，分別是：水汽總量GQv、水凝物總量GQh、降水總量GR、云水總量GCWR、水汽更新周期Tv、水凝物更新周期Th、水汽凝結(jié)效率P、水汽降水效率Ev、水凝物降水效率Eh和總水物質(zhì)降水效率Em。

其中，對(duì)水凝物總量的估算沿用《指南》算法，即首先利用公式（1）判斷凝結(jié)與蒸發(fā)之間的差值，公式如下：

當(dāng)凝結(jié)量大于蒸發(fā)量時(shí)，定義該差值即為該格點(diǎn)柱單位時(shí)間內(nèi)的凝結(jié)量，此時(shí)采用公式（2）計(jì)算水凝物總量：

反之凝結(jié)量小于蒸發(fā)量時(shí)，定義該差值即為該格點(diǎn)柱單位時(shí)間內(nèi)的蒸發(fā)量，此時(shí)采用公式（3）計(jì)算水凝物總量：

1.3 源數(shù)據(jù)處理策略

（1）下載ERA5 自2000 年以來(lái)廣西區(qū)域（20°～27°N，104°～112.5°E）逐月、逐日的相關(guān)再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品，歸類存儲(chǔ)到系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)目錄下，隨時(shí)供系統(tǒng)評(píng)估模塊根據(jù)用戶查詢需要進(jìn)行調(diào)用。通過(guò)在程序中引入ECMWF Web API 客戶端接口模塊cdsapi 并設(shè)定好需下載的資料要素清單、區(qū)域經(jīng)緯度范圍和年月日時(shí)段參數(shù)，資料準(zhǔn)備工作可通過(guò)調(diào)用retrieve（）函數(shù)批量化自動(dòng)完成。

（2）將離散化的CMADaaS 氣象觀測(cè)站實(shí)測(cè)雨量按規(guī)定格點(diǎn)分辨率進(jìn)行網(wǎng)格化，即可形成滿足云水參量計(jì)算需求的基礎(chǔ)地面降水資料序列。站點(diǎn)雨量插值到格點(diǎn)采用克里金（Kriging）算法［14，15］（這也是廣西氣象臺(tái)進(jìn)行氣象要素等值面分析的主要業(yè)務(wù)算法之一），對(duì)比分析表明其輸出結(jié)果，比起線性插值（Linear）、樣條插值（Spline）、反距離權(quán)重（IDW）等其它插值算法更能體現(xiàn)出降水的局地性特征，這對(duì)地市級(jí)轄區(qū)云水分布特征差別的精細(xì)刻畫非常關(guān)鍵。

sufer 軟件的GridData 函數(shù)（指定Algorithm 參數(shù)為srfKriging 選項(xiàng)）可用來(lái)完成站點(diǎn)雨量插值到格點(diǎn)；鑒于Kriging 算法在擬合物理量趨勢(shì)面、給出格點(diǎn)估測(cè)值的過(guò)程中，有沿某個(gè)持續(xù)下降的趨勢(shì)面方向輸出負(fù)數(shù)值的可能，需要在執(zhí)行完函數(shù)插值后再將所有負(fù)值格點(diǎn)重置為0 值，處理才告完成。

2 核心分析評(píng)估模塊細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

云水分析評(píng)估所需的數(shù)據(jù)源問題一旦解決，剩下工作大部分可按《指南》計(jì)算公式對(duì)評(píng)估區(qū)域內(nèi)的格點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間積分計(jì)算以獲得各種關(guān)鍵參量結(jié)果，具體過(guò)程不再贅述。以下主要討論在《指南》中未明確列出，但在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中需注意解決的細(xì)節(jié)問題。

2.1 評(píng)估區(qū)域的邊界設(shè)定和處理

在云水特征參量統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中，邊界格點(diǎn)輸入、輸出通量的時(shí)間積分占主要地位，其數(shù)值結(jié)果也比參量空間積分值大1～2 個(gè)量級(jí)；正常情況下評(píng)估區(qū)域上-下邊界與左-右邊界的通量有一定的相互抵消作用（左入右出、下入上出）；但若邊界設(shè)定失衡，在某一個(gè)經(jīng)緯度線上有流入沒流出，將會(huì)造成顯著的積分誤差，這對(duì)小面積區(qū)域云水參量的最終計(jì)算結(jié)果影響巨大。為避免上述誤差積累放大問題，必須遵循“任一條經(jīng)緯度線上的邊界點(diǎn)必須成對(duì)設(shè)置”原則來(lái)細(xì)心處理評(píng)估區(qū)域的邊界格點(diǎn)：同一條經(jīng)度線（或緯度線）上的區(qū)域內(nèi)格點(diǎn)，若有一個(gè)左（上）邊界，就必須設(shè)置一個(gè)右（下）邊界與之相對(duì)應(yīng)（同一經(jīng)緯度上可設(shè)定不止一對(duì)邊界格點(diǎn)）。

2.2 區(qū)域云水分布狀況的可視化

針對(duì)各級(jí)人影業(yè)務(wù)單位對(duì)轄區(qū)內(nèi)空中云水資源開展本地分析評(píng)估的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)目標(biāo)是：依托WebGIS 底層數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，建立覆蓋廣西全境的空中云水分布狀況綜合分析評(píng)估系統(tǒng)，能夠按用戶選定的任意時(shí)段實(shí)現(xiàn)對(duì)廣西全區(qū)及12 個(gè)地市轄區(qū)范圍內(nèi)空中云水量統(tǒng)計(jì)平均值、云水時(shí)空分布狀況、空中水物質(zhì)各重要特征量（水汽和水凝物總量、更新周期、降水效率等）的綜合分析評(píng)估；可根據(jù)前期關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)估結(jié)果和最新氣象觀測(cè)（地面降水等）數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域內(nèi)云水含量及分布狀況進(jìn)行臨近期時(shí)段評(píng)估；能夠以等值線（量級(jí)色斑）圖、表格、文件等方式輸出統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，為用戶進(jìn)一步制作相關(guān)分析評(píng)估產(chǎn)品提供便利。

參照CWR-MEM 方案，云水特征參量值與評(píng)估區(qū)域的面積設(shè)定密切相關(guān)——區(qū)域劃分不同，得到的評(píng)估結(jié)果就有差異；而且由于區(qū)域間輸入、輸出通量部分會(huì)被重復(fù)計(jì)算，各子區(qū)域云水特征值的代數(shù)和也不等于合并后整個(gè)大區(qū)域的單獨(dú)評(píng)估值。

為解決系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化需求與評(píng)估結(jié)果因區(qū)域劃定而異的矛盾，系統(tǒng)采用圖形、表格同步展示的建設(shè)方式，其中，在圖形化界面中繪制的是“單位面積”（即只包含有1 個(gè)0.25°×0.25°格點(diǎn)范圍）區(qū)域的云水特征場(chǎng)分布狀況（此時(shí)區(qū)域邊界定義為計(jì)算格點(diǎn)與周邊格點(diǎn)的交界處、邊界風(fēng)及相關(guān)邊界要素值應(yīng)為該網(wǎng)格與相鄰網(wǎng)格的算術(shù)平均值，具體處理參見圖1），而廣西全區(qū)及12 個(gè)地市級(jí)特定評(píng)估區(qū)域的云水特征參量則以表格方式另外展示。

圖1 單位格點(diǎn)區(qū)域邊界的u、v 風(fēng)處理示意圖

每次用戶評(píng)估查詢處理結(jié)束后，系統(tǒng)首先將單位區(qū)域的評(píng)估結(jié)果以等值線色斑圖的方式展示在主界面上，然后再將廣西全境及12 個(gè)地市級(jí)評(píng)估區(qū)域的云水特征參量數(shù)據(jù)更新到界面右側(cè)的對(duì)應(yīng)表格框中，各種評(píng)估結(jié)果可用圖、表、文件等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)或打印輸出，為后續(xù)進(jìn)一步分發(fā)應(yīng)用提供便利。

2.3 臨近期云水分布狀況分析評(píng)估功能的實(shí)現(xiàn)

鑒于最新ERA5 再分析資料官網(wǎng)上線并提供給用戶下載的時(shí)間比資料實(shí)測(cè)時(shí)間一般滯后1～2 個(gè)月，對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所需的臨近期（3 個(gè)月以內(nèi)）空中云水分布狀況不能直接用CWR-MEM 方法給出，只能采用間接方式實(shí)現(xiàn)。將《指南》方案中的水凝物降水效率公式代入云水資源總量計(jì)算公式，得出：

這說(shuō)明假定歷史時(shí)段的綜合分析評(píng)估結(jié)果（降水效率η）與相應(yīng)區(qū)域最新時(shí)段（需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)段）的相應(yīng)特征參量大體一致，就可通過(guò)“水凝物-降水量-云水資源量”三者之間的比例關(guān)系，用即時(shí)可取的測(cè)站實(shí)況雨量來(lái)反推該區(qū)域空中云水分布狀況。

基于上述原則，模塊先從CMADaaS 數(shù)據(jù)庫(kù)中統(tǒng)計(jì)出查詢時(shí)間段內(nèi)的測(cè)站降水總量，并完成格點(diǎn)化處理；然后結(jié)合用戶最近一次對(duì)歷史時(shí)段的綜合分析評(píng)估結(jié)果，提取各區(qū)域的降水效率η 等特征參量、將其作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)段的對(duì)應(yīng)特征參數(shù)近似值；最后采用雨量反算法求解云水實(shí)時(shí)監(jiān)控特征量，并以圖形圖表方式予以展示。

2.4 模塊業(yè)務(wù)性能優(yōu)化

完成上述業(yè)務(wù)功能設(shè)定需進(jìn)行大量的月、季、年長(zhǎng)序列積分計(jì)算，且在WebGIS 平臺(tái)上繪制廣西單位面積區(qū)域云水特征分布場(chǎng)需要對(duì)廣西境內(nèi)總計(jì)近1200 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)分別進(jìn)行CWR-MEM 評(píng)估計(jì)算，給出每一個(gè)格點(diǎn)區(qū)域的特征參量值，因此需獨(dú)立評(píng)估的區(qū)域多達(dá)1200 余個(gè)，計(jì)算量極大；而對(duì)一個(gè)綜合分析平臺(tái)而言，用戶執(zhí)行查詢操作后輸出評(píng)估結(jié)果時(shí)間長(zhǎng)短是系統(tǒng)能否具備良好應(yīng)用體驗(yàn)、達(dá)到“業(yè)務(wù)可用”標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。為提高運(yùn)算效率，程序采用多進(jìn)程并行策略：首先以評(píng)估區(qū)域、時(shí)段為輸入?yún)?shù)構(gòu)建相對(duì)獨(dú)立的云水分析評(píng)估函數(shù)；然后將不同時(shí)段及評(píng)估區(qū)域的分析評(píng)估函數(shù)分別放到進(jìn)程池中，以子進(jìn)程方式同步并行執(zhí)行，其結(jié)果保存在中間數(shù)組內(nèi)；最后融合處理各分區(qū)域、分時(shí)段的處理結(jié)果，合并成最終分析結(jié)果并輸出到數(shù)據(jù)文件或文本圖片產(chǎn)品中，供前端界面提取和展示。

以python 后臺(tái)分析處理程序?yàn)槔?，多進(jìn)程并行代碼段是：

實(shí)測(cè)表明，在設(shè)置12 個(gè)以上進(jìn)程并行執(zhí)行的條件下（目前主流雙路CPU 服務(wù)器物理核心數(shù)一般為40～56 個(gè)，完全滿足該并行環(huán)境要求），系統(tǒng)執(zhí)行一次時(shí)間序列為10a 左右的用戶查詢其評(píng)估結(jié)果輸出時(shí)間可控制在15min 內(nèi)，基本滿足業(yè)務(wù)化應(yīng)用需求。

3 結(jié)論與討論

廣西云水資源分析評(píng)估平臺(tái)于2020 年基本建成，業(yè)務(wù)試運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定高效，省級(jí)區(qū)域分析結(jié)果與《指南》全國(guó)評(píng)估數(shù)據(jù)中的區(qū)域云水分布特征基本吻合，市縣級(jí)分區(qū)域分析結(jié)果可精細(xì)刻畫出廣西區(qū)域云水資源的地域性和季節(jié)性特點(diǎn)［17］。

綜上所述，將實(shí)驗(yàn)室研究型的CWR-MEM 云水資源評(píng)估方法落地為可實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用的廣西云水資源分析評(píng)估平臺(tái)，其基本思路和做法是：

（1）引入ECMWF 第五代全球氣候模式再分析大氣資料中的云液水、云冰水等云水關(guān)鍵特征量可解決CWR-MEM 方案評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)源的穩(wěn)定更新問題；從CMADaaS 數(shù)據(jù)集獲取區(qū)域自動(dòng)氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)以替代ERA5 的地面降水再分析資料，可提高地面雨量分析的時(shí)空精準(zhǔn)度，確保市縣級(jí)小區(qū)域云水參量分析評(píng)估結(jié)果的穩(wěn)定可靠性。

（2）遵循“經(jīng)緯度線上邊界點(diǎn)成對(duì)設(shè)置”原則來(lái)設(shè)定評(píng)估區(qū)域的邊界格點(diǎn)位置及類型，可避免評(píng)估結(jié)果因邊界設(shè)定不匹配、輸入輸出相互失衡造成的顯著誤差。

（3）實(shí)現(xiàn)評(píng)估數(shù)據(jù)的可視化須解決“單位面積”即單格點(diǎn)區(qū)域的云水分布特征量的全覆蓋計(jì)算問題；由此成百倍增加的積分運(yùn)算量應(yīng)通過(guò)程序的多進(jìn)程并行設(shè)計(jì)來(lái)化解，以確保用戶在評(píng)估過(guò)程中有良好的應(yīng)用體驗(yàn)。

（4）在云水狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)節(jié)，可采用“雨量反算法”以測(cè)站實(shí)況雨量來(lái)反演該區(qū)域近期空中云水分布狀況、彌補(bǔ)最新ERA5 再分析資料上線滯后問題。

由于在CWR-MEM 方法中氣柱內(nèi)水物質(zhì)的“凝結(jié)量”與“蒸發(fā)量”是一個(gè)與評(píng)估區(qū)域的水凝物輸入、輸出相關(guān)的粗估量，既需要借助大量的通量積分運(yùn)算才能判定其性質(zhì)，又難言合理準(zhǔn)確。如何更加科學(xué)、有效地對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化，是系統(tǒng)進(jìn)一步提升評(píng)估效能的改進(jìn)完善方向。另外，針對(duì)ERA5 地面降水等觀測(cè)要素資料在廣西區(qū)域存在的與實(shí)況降水分布差別較大等問題，使用中國(guó)氣象局最近發(fā)布的全球大氣再分析（CRA-40）資料來(lái)解決云水資源分析評(píng)估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源問題，也是將來(lái)進(jìn)一步提升平臺(tái)穩(wěn)定性和科學(xué)性水平的一個(gè)可供參考的手段。