楊和平 張 強 羅 兵 陳 楠 鄧 鑫 張志強 孫 超陳京華 趙煜飛 李小汝 郭 聰 陳 杰 李默予

（國家氣象信息中心，北京 100081）

引 言

氣象已成為與國家發(fā)展戰(zhàn)略、社會經(jīng)濟發(fā)展以及人民日常生活密切關(guān)聯(lián)的重要基礎(chǔ)力量，氣象保障服務(wù)已成為重大活動、突發(fā)氣象災(zāi)害以及汛期會商服務(wù)等場景中必不可少的第一道防線支撐。準(zhǔn)確、及時的高時空分辨率的衛(wèi)星、多仰角的雷達以及閃電等大氣探測產(chǎn)品均在1996年悉尼夏季奧運會及2008 年 北 京 夏 季 奧 運 會［1］、2008 年 汶 川 大 地震［2］、南方雪災(zāi)［3］、2010 年玉樹地震［4］、2019年臺風(fēng)利奇馬［5］、2021年河南極端暴雨［6］等重大事件保障及突發(fā)災(zāi)害事件中發(fā)揮重要作用。氣象保障服務(wù)多以文件匯報和系統(tǒng)演示為主，氣象歷史背景、實況動態(tài)以及預(yù)報趨勢等內(nèi)容均為相對獨立的系統(tǒng)，如MICAPS，SWAN 等，歷史數(shù)據(jù)時空分析及新型觀測數(shù)據(jù)及產(chǎn)品單獨提供，多用于事件復(fù)盤等，無法及時提供相關(guān)信息；不同單位的保障服務(wù)系統(tǒng)彼此獨立，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、時效性以及可視化表達很難保持一致，干擾決策研判；此外，各類氣象服務(wù)系統(tǒng)均以氣象類數(shù)據(jù)產(chǎn)品為主，難以實時、快速、高效獲取相關(guān)社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)保、自然資源等基礎(chǔ)信息并可視化表達，無法為決策者提供氣象影響分析的綜合性決策支撐。

針對以上需求并結(jié)合信息技術(shù)發(fā)展趨勢，面向重大活動、突發(fā)氣象災(zāi)害以及汛期會商服務(wù)等氣象保障服務(wù)對高時效、時空統(tǒng)一調(diào)度的需求，以系統(tǒng)、集約、集成的建設(shè)理念，基于中國氣象局氣象大數(shù)據(jù)云平臺（天擎）數(shù)據(jù)資源及計算資源［7］，發(fā)布觀測、預(yù)報、服務(wù)以及人工影響天氣等業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的衛(wèi)星、雷達、實況融合、智能預(yù)報等氣象產(chǎn)品服務(wù)。在數(shù)據(jù)存儲中間環(huán)節(jié)，梳理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景，研發(fā)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲、地理信息空間存儲、索引存儲（Elasticsearch）、頁面緩存存儲等數(shù)據(jù)庫混合集成應(yīng)用框架，提供高效檢索服務(wù)；傳輸環(huán)節(jié)集成高低八位壓縮及多域名瀏覽器并發(fā)傳輸技術(shù)，提升數(shù)據(jù)傳輸效率；頁面交互可視化環(huán)節(jié)，基于NPM（JavaScript語言的包管理工具）［8］、Vue組件、WebGL［9］可視化等前端開發(fā)技術(shù)，構(gòu)建組件化封裝［10］及應(yīng)用服務(wù)模式，充分發(fā)揮服務(wù)端及客戶端（瀏覽器）云計算［11］與邊緣計算［12］的高度協(xié)同，建立信息集成度高、數(shù)字化、可視化、交互式于一體的信息支撐系統(tǒng)，實現(xiàn)科學(xué)指揮和統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度，極大提高了決策效率。目前，氣象綜合指揮平臺集成113種氣象產(chǎn)品，發(fā)布并應(yīng)用圖層服務(wù)1106種，有效支撐2021年第十四屆全國運動會、2022年北京冬奧會和冬殘奧會等國家重大氣象保障服務(wù)工作。

1 需求分析

1.1 氣象綜合指揮平臺業(yè)務(wù)定位

本平臺圍繞重大活動、突發(fā)氣象災(zāi)害以及汛期會商服務(wù)等需求，針對現(xiàn)場局地小場景精細化氣象信息服務(wù)特點，采用集約化、組件化、開放式設(shè)計，統(tǒng)一集成衛(wèi)星產(chǎn)品、雷達產(chǎn)品、實況融合產(chǎn)品、小時預(yù)報產(chǎn)品等常規(guī)數(shù)據(jù)及產(chǎn)品，空間天氣、風(fēng)云高分辨率、秒級觀測以及百米融合等觀測數(shù)據(jù)及產(chǎn)品，實現(xiàn)各類信息資源快速響應(yīng)、時空聯(lián)動、動態(tài)加載、一站服務(wù)，為綜合研判、決策和指揮提供保障服務(wù)支撐。

1.2 氣象綜合指揮平臺業(yè)務(wù)需求

1.2.1 多源數(shù)據(jù)的集成需求

隨著氣象保障精細化服務(wù)需求的提升及氣象觀測的技術(shù)發(fā)展，新型相控陣雷達、高分辨率衛(wèi)星觀測、垂直觀測以及臨時加密氣象觀測已應(yīng)用于重大活動氣象保障服務(wù)。由于各類臨時觀測數(shù)據(jù)存在不能及時共享或僅提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)等問題，難以及時應(yīng)用到網(wǎng)格產(chǎn)品生產(chǎn)及綜合影響決策分析服務(wù)。因此，亟需針對各類臨時觀測數(shù)據(jù)及新觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建快速接入、處理及服務(wù)流程，為各類專項氣象保障服務(wù)中精細化融合網(wǎng)格產(chǎn)品生產(chǎn)及決策服務(wù)提供支撐應(yīng)用。

1.2.2 業(yè)務(wù)平臺的集約需求

全國各氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)在保障服務(wù)中仍存在同類產(chǎn)品重復(fù)生產(chǎn)且標(biāo)準(zhǔn)不一致，如實況融合網(wǎng)格產(chǎn)品制作采用站點插值［13］、多源融合［14］、衛(wèi)星、雷達反演［15］等多種方法，產(chǎn)品的分辨率、時效均不一致；此外，高精度、高時效的融合［16］、雷達［17］以 及 衛(wèi) 星［18］等精細化實況及預(yù)報產(chǎn)品［19］的服務(wù)，分散在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，很難跨系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一時空的指揮調(diào)度。因此，需要一套高度系統(tǒng)、集約及統(tǒng)一的氣象綜合指揮平臺，集成各氣象數(shù)字化產(chǎn)品，基于統(tǒng)一的時空實現(xiàn)可視化表達，發(fā)揮中國氣象局氣象產(chǎn)品的保障服務(wù)能效。

1.2.3 表達服務(wù)的規(guī)范需求

各氣象保障服務(wù)系統(tǒng)可視化表達服務(wù)，尤其空間可視化表達，多以各單位各自發(fā)布的二維、三維基礎(chǔ)地理信息服務(wù)支撐，在國省聯(lián)動的突發(fā)災(zāi)害及事件氣象保障服務(wù)中存在地圖服務(wù)不一致。此外，為突出氣象觀測微量變化，氣象服務(wù)的等值線圖、色斑渲染圖也存在色標(biāo)、圖注等表達不一致的情況。因此，需要一套標(biāo)準(zhǔn)的可視化服務(wù)支撐，面向國、省、市、縣等氣象業(yè)務(wù)單位提供規(guī)范服務(wù)支撐，為數(shù)據(jù)的規(guī)范可視化表達提供保障支撐。

1.3 指揮平臺綜合服務(wù)需求

在氣象保障指揮服務(wù)過程中，天氣及指揮決策具有高時效、高頻次等特點，傳統(tǒng)開發(fā)模式基于MVC（model-view-controller）框架，采用C／S 模式更新管理基礎(chǔ)信息［20］，基于地圖服務(wù)公司提供的開發(fā)包，利用B／S模式進行二次可視化開發(fā)［21］，當(dāng)多個模塊需要相同功能時，代碼復(fù)用率低、冗余嚴重，造成各類模塊的代碼維護成本高，尤其對在B／S架構(gòu)下的前端頁面開發(fā)，由于加載無用代碼，造成頁面延時及用戶體驗差等問題。此外，如何融入現(xiàn)場實況轉(zhuǎn)播、決策人員遠程指揮的現(xiàn)場實時互動，如在人工影響天氣保障指揮過程中，指揮與現(xiàn)場保障人員實時在線互動，均為氣象綜合指揮平臺的必備功能。

針對以上氣象保障服務(wù)指揮需求，本文從氣象綜合指揮平臺總體設(shè)計、氣象數(shù)據(jù)處理存儲、組件化服務(wù)設(shè)計以及前端高效渲染等方面進行深入研究，首次基于統(tǒng)一時空調(diào)度可視化交互操作及中國氣象局電視會商和云會商系統(tǒng)實時語音視屏互動等，面向重大活動、突發(fā)氣象災(zāi)害以及汛期會商服務(wù)等場景提供綜合氣象保障服務(wù)支撐。

2 氣象綜合指揮平臺設(shè)計

氣象綜合指揮平臺總體設(shè)計包括數(shù)據(jù)層、存儲層、組件層及應(yīng)用層4部分（圖1）。

圖1 氣象綜合指揮平臺總設(shè)計Fig.1 Design of Meteorological Integrated Command Platform

2.1 數(shù)據(jù)層與存儲層

針對各類氣象保障服務(wù)場景高時空分辨率氣象觀測數(shù)據(jù)及產(chǎn)品服務(wù)需求，基于氣象大數(shù)據(jù)云平臺（天擎）及保障過程中衛(wèi)星、雷達、實況融合、預(yù)報以及新增觀測設(shè)備等數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化特點，氣象綜合指揮平臺構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)、簡約的配置化數(shù)據(jù)接入模塊，如臨時數(shù)據(jù)快速配置接入、歷史數(shù)據(jù)天擎接口接入等模塊，發(fā)揮空間存儲、大文件存儲等存儲優(yōu)勢，提升快速數(shù)據(jù)保障服務(wù)水平；同時，根據(jù)數(shù)據(jù)及產(chǎn)品時效差異特點，統(tǒng)一時間維度，為數(shù)據(jù)檢索及可視化服務(wù)等組件的發(fā)布，提供數(shù)據(jù)中臺支撐。

2.2 組件層

面向多場景氣象指揮保障的決策服務(wù)需求，構(gòu)建并發(fā)布既可獨立又可耦合的組件服務(wù)。氣象綜合指揮平臺梳理各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品如氣溫（小時氣溫、24 h變溫等）、氣壓、濕度、風(fēng)、降水（分鐘降水、小時降水、累積降水等）、能見度等常規(guī)要素的圖層、圖例、圖標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的各類專業(yè)表達和散點圖、熱力圖、等值線圖等服務(wù)需求，按照點（站點等）、圖像（衛(wèi)星產(chǎn)品）以及網(wǎng)格（實況網(wǎng)格產(chǎn)品、雷達產(chǎn)品等）等產(chǎn)品文件類型，分別構(gòu)建并發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)化的要素及圖層可視化組件服務(wù)，為前端可視化服務(wù)提供技術(shù)中臺支撐。

2.3 應(yīng)用層

圍繞特定時空氣象保障服務(wù)等需求，以輕計算、重連接，前臺操作、后臺分析為要求，建成基于組件化服務(wù)的綜合集成、快速響應(yīng)的氣象綜合指揮平臺，提供專業(yè)協(xié)同、現(xiàn)場互動、國省聯(lián)動統(tǒng)一指揮空間，實現(xiàn)統(tǒng)一時空坐標(biāo)體系的綜合信息分析研判，影響分析和風(fēng)險分析的數(shù)字化輔助決策，指揮部、現(xiàn)場和分中心多方視頻互動和實時信息同步。

3 關(guān)鍵技術(shù)

氣象綜合指揮平臺采用Web Server瀏覽器應(yīng)用框架及中臺設(shè)計理念，圍繞前端可視化應(yīng)用服務(wù)，針對數(shù)據(jù)存儲、功能發(fā)布、場景應(yīng)用等環(huán)節(jié)，采用混合存儲、空間服務(wù)、組件發(fā)布及可視化服務(wù)等技術(shù)，為場景應(yīng)用中數(shù)據(jù)的高效、一致及穩(wěn)定提供保障。

3.1 氣象多源數(shù)據(jù)加工存儲

氣象綜合指揮平臺中氣象數(shù)據(jù)的加工存儲是平臺應(yīng)用的基礎(chǔ)支撐。氣象綜合指揮平臺的氣象數(shù)據(jù)調(diào)用基于氣象大數(shù)據(jù)云平臺，支持原始數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的規(guī)范化存儲并提供標(biāo)準(zhǔn)化接口服務(wù)［22］。隨著氣象保障服務(wù)需求日漸精細化，自動氣象站已超過6萬，氣象要素近90個，站點數(shù)據(jù)時效達分鐘級；網(wǎng)格產(chǎn)品文件分辨率從0.1°到0.01°，甚至達到0.001°及0.0001°，文件大小從兆級達到百兆級［23］。面向前端服務(wù)應(yīng)用過程中，傳統(tǒng)表格存儲已無法滿足高效可視化需求，空間、大表格以及緩存等數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)逐步應(yīng)用于前端可視化服務(wù)［24］。氣象綜合指揮平臺在面向服務(wù)的中間層數(shù)據(jù)處理采取混合存儲技術(shù)，實現(xiàn)面向前端服務(wù)的多源數(shù)據(jù)存儲設(shè)計和管理。綜合運用空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫、分布式文件存儲技術(shù)、內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲技術(shù)和本地文件存儲技術(shù)等，在滿足數(shù)據(jù)應(yīng)用需求和存儲要求情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲效率最大化及存儲成本最小化。具體流程見圖2（常用的網(wǎng)站配置等信息均采用MySQL存儲）。

圖2 數(shù)據(jù)存儲及服務(wù)流程Fig.2 Data storage and service process

3.1.1 空間存儲

面向氣象數(shù)據(jù)的空間服務(wù)需求，基于基礎(chǔ)地理及氣象站點等矢量數(shù)據(jù)和關(guān)系型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲，提供數(shù)據(jù)查詢和矢量瓦片服務(wù)。采用對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL中擴展存儲管理空間數(shù)據(jù)的開源GIS數(shù)據(jù)庫（Post GIS）［25］。對海量經(jīng)緯度信息數(shù)據(jù)（如氣象站點等）的存儲過程中，氣象綜合指揮平臺將站點經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為Geometry的Point類型，利用Post GIS的幾何對象類型（Geometry）進行存儲，其他屬性字段保持和原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致；創(chuàng)建Gis T 空間索引，在發(fā)布圖層服務(wù)時，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的高效空間化檢索、展示和應(yīng)用。

3.1.2 索引存儲

面向氣象數(shù)據(jù)空間服務(wù)的多表、多維度以及全量方式快速檢索分析需求，基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（PostgreSQL 及PostGIS）的 數(shù) 據(jù)，利 用Elasticsearch建立分布式文件存儲，氣象綜合指揮平臺構(gòu)建基于搜索引擎索引技術(shù)的高效數(shù)據(jù)檢索分析功能［26］。氣象綜合指揮平臺涵蓋基礎(chǔ)地理、自然資源、重點隱患、社會經(jīng)濟和各類氣象實況、預(yù)報數(shù)據(jù)資源，基于搜索引擎框架（Lucene）采用Elasticsearch建立數(shù)據(jù)實時動態(tài)索引文件，打破關(guān)系型數(shù)據(jù)庫檢索的庫、表、行以及列等檢索流程，有效擴充模糊空間檢索服務(wù)能力，其倒排索引技術(shù)更快、更高效。

3.1.3 內(nèi)存存儲

為減少底層存儲服務(wù)壓力，提升前端頁面數(shù)據(jù)請求效率，數(shù)據(jù)請求及獲取采用內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，在矢量瓦片等文件存儲與服務(wù)過程中，如針對地理信息及氣象網(wǎng)格產(chǎn)品文件的矢量瓦片，以K-V 鍵值的方式［27］將頻繁請求的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存。

3.1.4 集群存儲

為高效支撐氣象網(wǎng)格產(chǎn)品大文件在頁面實時渲染交互，如點、線、面的值域、色域等自定義操作及分析統(tǒng)計等，采用格點分塊存儲及集群存儲（Cassandra）以Google的gRPC 框架提供頁面端查詢分析服務(wù)［28］。針對GRIB，NetCDF 等格式的單數(shù)據(jù)文件較大（5 MB 及100 MB）、總體數(shù)據(jù)存儲量大，氣象綜合指揮平臺通過Kafka分布式消息隊列解耦數(shù)據(jù)流程，提升數(shù)據(jù)處理中獲取、解碼及入庫運行效率；采用高低八位方式進行壓縮傳輸［29］，前端頁面采用多域名進行分布式請求等方法，為頁面端請求效率提供保障。

3.2 組件發(fā)布及服務(wù)

氣象綜合指揮平臺利用Vue開發(fā)框架，采用webpack打包，基于npm 進行發(fā)布。Vue（尤雨溪）作為Web 系統(tǒng)主流的三大框架（Angular（Google），React（Facebook）和Vue（尤雨溪））之一，擁有最廣泛的中文開源社區(qū)［30］，核心思想是數(shù)據(jù)驅(qū)動的組件化系統(tǒng)，采用MVVM 架構(gòu)描述數(shù)據(jù)與界面的關(guān)系，以組件對應(yīng)MVVM 中的View Model，避免功能邏輯的混亂，廣泛應(yīng)用于PC 端、Web 服務(wù)與移動端App服務(wù)等應(yīng)用開發(fā)［31］。組件的開發(fā)、發(fā)布與托管等流程是Vue框架下組件開發(fā)的基本操作，在各類Vue組件開發(fā)類書籍中均有介紹，本文主要介紹氣象綜合指揮平臺組件開發(fā)中的業(yè)務(wù)流程技術(shù)實現(xiàn)。氣象綜合指揮平臺設(shè)計的組件包括數(shù)據(jù)服務(wù)組件、圖層可視化組件和邏輯控制組件。

3.2.1 氣象數(shù)據(jù)表格組件

氣象數(shù)據(jù)表格組件主要用于氣象要素極值排序結(jié)果的表達，形式以表格為主，功能涵蓋按時間、區(qū)域以及關(guān)鍵字等查詢以及排序等，展示信息包括空間位置信息、站號信息、氣象數(shù)據(jù)采集時間以及對應(yīng)的要素值等。Vue.js基于element UI和ts的基礎(chǔ)對表格進行簡單封裝，僅能對簡單表格封裝自定義，查詢、排序功能不完善。開發(fā)過程中氣象數(shù)據(jù)表格組件定義兩個數(shù)組，結(jié)合應(yīng)用Javascript的map（）函數(shù)，對數(shù)組的每一項運行給定函數(shù)，返回每次函數(shù)調(diào)用結(jié)果組成的數(shù)組，并傳遞到組件表格中進行初始化渲染，如果數(shù)組發(fā)生變化，那么表格組件數(shù)據(jù)也同步更新，實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新以及數(shù)據(jù)重排操作。

3.2.2 氣象數(shù)據(jù)可視化組件

氣象數(shù)據(jù)可視化組件主要包括等值線、色斑熱力圖、網(wǎng)格值等渲染效果，涵蓋對氣象站點、氣象要素、衛(wèi)星雷達等圖像產(chǎn)品及網(wǎng)格產(chǎn)品等氣象數(shù)據(jù)的可視化表達。針對高分辨率圖像及網(wǎng)格數(shù)據(jù)傳輸，氣象要素表格可視化組件開發(fā)利用高低八位算法進行壓縮，按需進行自定義切片，提升服務(wù)器端與瀏覽器端的傳輸效率，瀏覽器渲染綜合使用Echarts和GeoServer［32］等技術(shù)進行封裝，基于OGC（開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會）的WMS協(xié)議規(guī)范進行圖層服務(wù)的封裝發(fā)布，形成可視化服務(wù)的服務(wù)中臺，支持位置、屏幕可視范圍及指定投影方式的轉(zhuǎn)換，閾值過濾等配置方式的圖層調(diào)用［33］。其中，圖層屬性信息發(fā)布為JSON 數(shù)據(jù)格式，將文件位置、經(jīng)緯度范圍、文件名稱規(guī)范、數(shù)據(jù)時間規(guī)則等信息進行封裝，以接口的方式提供服務(wù)。此外，氣象綜合指揮平臺探索三維可視化組件的發(fā)布，以Map Box GL及ThreeJS［34］為基礎(chǔ)，按照氣象服務(wù)需求，修改ThreeJS三維體的投影變換矩陣，支撐Map BoxGL場景中三維對象的可視化表達。

3.2.3 交互操作組件

基于氣象數(shù)據(jù)的強時空特性，氣象保障服務(wù)需要在特定事件、區(qū)域以及要素間進行快速切換等交互操作。交互操作組件開發(fā)利用Web GIS和Mapbox等技術(shù)［35］，發(fā)布面向地理空間位置、多空間以及圖層管理的控制組件。綜合運用Map Box中事件監(jiān)聽等插件，封裝監(jiān)聽用戶在地圖上鼠標(biāo)點擊生成點、線或多邊形，利用折線和多邊形生成空間圖形（geometry），采用空間計算引擎計算距離和面積，統(tǒng)計并反饋相關(guān)區(qū)域內(nèi)氣象觀測站點、格點產(chǎn)品等氣象信息，用于前端頁面Web GIS 地圖上的顯示；利用Vue.js的樹組件封裝發(fā)布對不同圖層氣象產(chǎn)品的添加、刪除及疊加順序等操作的管理等；在多氣象要素獨立分析應(yīng)用中，采用頁面端Vue.js中插槽機制［36］，增加關(guān)注區(qū)域的復(fù)制及分屏，各分屏的地圖及圖層可按需獨立展示不同的數(shù)據(jù)；在任意分屏中移動或縮放地圖時，保持時空同步，保障同一區(qū)域不同氣象產(chǎn)品的對比展示和分析。此外，三維交互過程中通過Ray March算法，根據(jù)當(dāng)前視角與三維體的交叉運算，調(diào)整視線上各個點的alpah通道值，采用GLSL Shader作為開發(fā)語言，基于ThreeJS 的Box Geometry新視角［37］等功能進行封裝并發(fā)布。

3.3 跨系統(tǒng)及云會商集成及應(yīng)用

氣象綜合指揮平臺除了利用組件集成技術(shù)以外，在人工影響天氣保障服務(wù)中，綜合運用WebSocket技術(shù)［38］，將人工影響天氣系統(tǒng)的操作，如經(jīng)緯度、氣象要素等信息，直接通過WebSocket API實現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器握手，創(chuàng)建持久性的連接，并進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)跨系統(tǒng)的實時互動。此外，打通中國氣象局會商及云會商服務(wù)，實現(xiàn)現(xiàn)場的實時互動及指揮，為指揮過程中的高頻次、高時效互動提供保障。

4 平臺應(yīng)用

氣象綜合指揮平臺依托氣象大數(shù)據(jù)云平臺（天擎），集成觀測業(yè)務(wù)、預(yù)報業(yè)務(wù)、服務(wù)業(yè)務(wù)、人工影響天氣業(yè)務(wù)等多類系統(tǒng)及產(chǎn)品，在統(tǒng)一的時空維度上集成應(yīng)用，在國家各類重大活動尤其是2022年北京冬奧會和冬殘奧會開幕式和閉幕式中發(fā)揮重要作用。

4.1 氣象數(shù)據(jù)集成成效

在2022年北京冬奧會和冬殘奧會開閉幕式氣象保障服務(wù)中，氣象綜合指揮平臺集成了北京市氣象局、河北省氣象局、國家氣象中心、國家衛(wèi)星氣象中心、國家氣象信息中心、中國氣象局氣象探測中心、中國氣象局公共氣象服務(wù)中心、中國氣象局人工影響天氣中心等多個部門113種產(chǎn)品（表1），發(fā)布并應(yīng)用1106種基礎(chǔ)信息圖層服務(wù)，涵蓋常規(guī)觀測、空間天氣產(chǎn)品、風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星高分辨率數(shù)據(jù)、秒級百米融合等新型觀測數(shù)據(jù)及產(chǎn)品，充分利用現(xiàn)有現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)數(shù)字化成果，為實現(xiàn)掛圖作戰(zhàn)的氣象綜合指揮提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 氣象綜合指揮平臺產(chǎn)品集成清單Table 1 List of products integrated on the platform

4.2 氣象綜合指揮平臺功能集約成效

在2022年北京冬奧會和冬殘奧會氣象保障服務(wù)中，氣象綜合指揮平臺以北京、延慶、張家口三大賽區(qū)11個場館為保障區(qū)域，集成衛(wèi)星、雷達、常規(guī)氣象觀測和網(wǎng)格實況產(chǎn)品等多源實況產(chǎn)品，按照統(tǒng)一時間進行二維／三維的統(tǒng)一服務(wù)調(diào)配，發(fā)布歷史背景分析、多源實況分析以及實況預(yù)報一體化等功能場景，為決策指揮供綜合實況服務(wù)支撐（圖3）。

圖3 2022年北京冬奧會和冬殘奧會會開幕式氣象保障服務(wù)主界面Fig.3 Meteorological service interface for opening ceremony of 2022 Beijing Winter Olympic Games and Winter Paralympic Games

4.2.1 歷史背景分析

聚焦2022年北京冬奧會開幕式保障期間的氣候背景分析數(shù)據(jù)需求，集成最新研制的中國地面標(biāo)準(zhǔn)氣候值（1991—2020年）、1951年以來小時降水和風(fēng)觀測序列、極大風(fēng)、高溫等極端氣候事件數(shù)據(jù)產(chǎn)品，構(gòu)建歷史上的今天及歷史背景氣候信息服務(wù)，為研判開幕式當(dāng)天最有可能發(fā)生的天氣事件提供決策支撐。

4.2.2 多源實況對比

以2022年北京冬奧會和冬殘奧會開幕式及場館為中心，集成常規(guī)氣象觀測、雷達、衛(wèi)星和網(wǎng)格實況等多源產(chǎn)品，按照統(tǒng)一時間軸提供分屏等多種產(chǎn)品對比分析和表達，為決策指揮提供綜合實況服務(wù)支撐（圖4）。

圖4 2022年北京冬奧會及冬殘奧氣象保障多源實況對比Fig.4 Meteorological support on multi-source live comparison for 2022 Beijing Winter Olympic Games and Winter Paralympic Games

4.2.3 實況預(yù)報一體化分析

集成站點實況和預(yù)報對比、網(wǎng)格實況和預(yù)報對比、多種預(yù)報產(chǎn)品對比和質(zhì)量檢驗等功能，提供氣溫、降水、風(fēng)等與氣象保障緊密相關(guān)氣象要素的天氣實況和預(yù)報一體化對比分析，為2022年北京冬奧會和冬殘奧會的決策指揮提供天氣預(yù)判支撐（圖5）。

圖5 2022年北京冬奧會及冬殘奧氣象保障實況預(yù)報一體化分析Fig.5 Meteorological support on integrated analysis of real-time prediction for 2022 Beijing Winter Olympic Games and Winter Paralympic Games

4.2.4 基礎(chǔ)信息一張圖

圍繞2022年北京冬奧會和冬殘奧會綜合保障服務(wù)需求，提供包括基礎(chǔ)地理信息、環(huán)境與生態(tài)、自然資源、社會與經(jīng)濟、氣象基礎(chǔ)信息5 大類數(shù)據(jù)資源，共計1106個圖層服務(wù)，為決策指揮提供綜合信息服務(wù)支撐（圖6）。

圖6 2022年北京冬奧會及冬殘奧氣象保障基礎(chǔ)信息一張圖Fig.6 Meteorological support on one map service for 2022 Beijing Winter Olympic Games and Winter Paralympic Games

4.3 綜合指揮應(yīng)用成效

氣象綜合指揮保障服務(wù)全過程是首次基于中國氣象局電視會商和云會商系統(tǒng)，提供中國氣象局冬奧氣象服務(wù)指揮部（國家氣象信息中心天鏡廳）與各分會場、兩地三賽區(qū)現(xiàn)場服務(wù)點、人工影響天氣作業(yè)點等隨時隨地音視頻連線和互動。尤其人工影響天氣作業(yè)系統(tǒng)互動過程實現(xiàn)與現(xiàn)場直接云會商連線，實地操作與人工影響天氣系統(tǒng)實時同步，指揮平臺時空及氣象要素的變化實時與人影系統(tǒng)的操作自動聯(lián)動，充分發(fā)揮了中國氣象局在氣象應(yīng)急保障中現(xiàn)代化綜合服務(wù)水平，為冬奧氣象服務(wù)綜合決策指揮提供全面的數(shù)據(jù)分析服務(wù)和視頻會商保障。

5 小 結(jié)

基于開放式框架、集約化開發(fā)理念，集成多源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化接入及服務(wù)，構(gòu)建面向服務(wù)的功能組件并發(fā)布，利用MapBox等WebGIS地圖支撐及服務(wù)技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)及功能的組件服務(wù)，為特定時空的氣象保障服務(wù)，提供直觀、一致、高效的掛圖作戰(zhàn)工具——氣象綜合指揮平臺。該平臺具有如下功能：

1）多源數(shù)據(jù)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化集成及服務(wù)。氣象綜合指揮平臺基于結(jié)構(gòu)化（站點要素等信息）以及非結(jié)構(gòu)化（圖像、網(wǎng)格以及二進制等）氣象數(shù)據(jù)，針對各類數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)性，利用混合存儲（Elasticsearch，Cassandra，PostGIS等）數(shù)據(jù)庫引擎，構(gòu)建面向氣象可視化服務(wù)需求的數(shù)據(jù)處理、存儲及檢索服務(wù)，并利用API接口封裝技術(shù)發(fā)布服務(wù)，為各類氣象保障服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)的二次開發(fā)支撐。

2）可視化表達的組件發(fā)布與服務(wù)。氣象綜合指揮平臺利用node.js數(shù)據(jù)開發(fā)環(huán)境，基于氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)、降水等常規(guī)要素，以頁面前端可視化高效表達為目標(biāo)，利用圖像壓縮、切片、傳輸及可視化技術(shù)，發(fā)布組件化服務(wù)。針對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維、色斑、等值線、網(wǎng)格值等流暢渲染效果組件，應(yīng)用于雷達、衛(wèi)星以及實況等產(chǎn)品的高效表達；針對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，發(fā)布彈框、圖標(biāo)等自定義組件，應(yīng)用于氣象站點要素、POI地圖表達，為各類氣象保障服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)直接提供組件服務(wù)，極大程度降低開發(fā)及維護成本。

3）時空統(tǒng)一調(diào)度控制及服務(wù)。針對保障區(qū)域的時空特定性以及氣象各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時空關(guān)聯(lián)性，以統(tǒng)一時間軸及地圖服務(wù)為基礎(chǔ)服務(wù)控制主體，通過數(shù)據(jù)接口服務(wù)及可視化組件服務(wù)，按照分鐘、小時、日等維度對氣象數(shù)據(jù)進行整合表達，并提供圖層疊加管理、圖層分屏操作等可視化效果，充分發(fā)揮氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品在保障指揮過程中的價值，為決策者在保障指揮中提供更為直觀的決策參考。

今后氣象綜合指揮平臺將持續(xù)以集約化、組件化方式圍繞數(shù)據(jù)服務(wù)、功能建設(shè)以及業(yè)務(wù)數(shù)字化等方面開展各項建設(shè)。在數(shù)據(jù)方面，發(fā)揮相控陣等新型觀測數(shù)據(jù)優(yōu)勢，結(jié)合高程地理信息，對數(shù)據(jù)進行融合加工處理，并以接口式、組件化發(fā)布，持續(xù)豐富氣象保障服務(wù)內(nèi)涵；在功能方面，圍繞氣候變化背景下，極端天氣頻發(fā)、極值屢破新高，特殊天氣過程場景服務(wù)的保障需求不斷變化的需求，按需快速構(gòu)建定制化的專題保障服務(wù)，通過梳理共性及個性功能，發(fā)布共性復(fù)用率強、個性符合度高的功能組件服務(wù)，實現(xiàn)快速拼接組裝式的專題定制服務(wù)。同時，隨著各行業(yè)數(shù)字孿生［39］應(yīng)用的發(fā)展，挖掘三維氣象融合產(chǎn)品等氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)價值，利用數(shù)字孿生的物理模型，集成多源數(shù)據(jù)（跨學(xué)科跨領(lǐng)域）、物理量、多尺度等仿真應(yīng)用，構(gòu)建三維、多維的數(shù)字孿生大氣，為氣象綜合指揮平臺的決策應(yīng)用提供數(shù)字化支撐。