基于IDEA数据平台的海珠城市生态气象综合系统建设

2016-08-08王刚孙周军吴映徐穗珊董灵英杨子涛

广东气象 2016年2期

关键词：海珠区海珠气象

王刚，孙周军，吴映，徐穗珊，董灵英，杨子涛

(1.广州市海珠区气象局，广东广州　510240；2.广东省气象探测数据中心，广东广州　510080)

基于IDEA数据平台的海珠城市生态气象综合系统建设

王刚1，孙周军2，吴映1，徐穗珊1，董灵英1，杨子涛1

(1.广州市海珠区气象局，广东广州510240；2.广东省气象探测数据中心，广东广州510080)

摘要：广东省气象探测数据中心提供的历史一体化数据访问平台(IDEA)高度整合了海量气象数据，通过3种标准的数据访问接口向省、市、县级气象部门提供气象类数据支撑。基于IDEA数据访问平台，开发了面向区县级、具有特色业务功能的海珠城市生态气象综合业务显示系统(H_VIEW)，该系统采用WEBGIS、动态切图和单页面显示技术，实现了省、市、区的气象观测、数值预报与指导产品、GIS多图层信息的自由组合，重点设计与实现了海珠区的生态气象观测、城市气象服务、街道预报检验和实况预警提醒等特色功能。

关键词：计算机技术与应用；网络地理信息系统；历史实时一体化数据访问系统；广州市海珠区

环境气象是研究与人类环境有关的气象问题，其研究意义十分广泛，包括气象条件对大气环境、居民健康、生态系统等的影响[1]。随着城市经济的高速发展，使得城市通过下垫面、大气成分、人工热源等方面对大气环境产生了一定程度的影响。一方面城镇人口的急剧增长和城市规模的不断扩大，改变了城市区域的土地利用结构、大气层下垫面特性和热源的分布，进而导致极大地改变了城市大气的热力和动力状况。另一方面城市工业排放的大量烟尘、气溶胶、颗粒物以及城市道路上汽车尾气和扬尘等对于城市的气温、湿度、能见度、风和降水都有影响。这些因素带来了一系列的城市大气环境特有的现象和问题，如热岛效应日益加剧、城市整体风速的减小、城市灰霾天气增加、极端(或异常)降水事件开始增多、酸雨频率逐年增加[2]。海珠区作为广州中心城区之一，城市环境气象问题不容忽视。

为配合建设海珠生态气象综合观测基地需要，提升海珠城市环境气象监测能力，提高环境气象预报预警精细化水平，按照海珠“生态气象，城市服务”定位，基于广东省气象探测数据中心提供的历史实时一体化数据访问系统(Integrated Database for Easy Acess，IDEA)，研发了海珠城市生态气象综合业务显示系统(H_WIEW，http：//10.153.184.8：8080/gdhhnew/)。该系统的建成明显提升了海珠区城市生态气象服务水平，可为其它区县级气象业务系统的建设提供参考。

1历史实时一体化数据访问系统

以往省气象资源数据因技术、部门、通信等方面原因，使得数据在传递、共享等问题上存在较大的现实困难，造成了“孤岛信息”现象，气象类数据不能发挥最大效益，气象数据共享成为制约各级业务系统建设的瓶颈[3]。IDEA高度整合了海量气象数据，通过3种标准的数据访问接口向各级气象部门提供各类气象数据，这使得区县级H-VIEW的实现成为可能。IDEA数据访问接口的基础架构是面向服务体系架构基础上发展起来的企业服务总线(ESB：Enterprise Service Bus)，所有数据、功能、应用部署在服务总线，将这些细粒度单元有效连接，消除不同应用之间的技术差异，实现不同服务的通信和整合，改善用户接口跨系统的可移植性和系统的可伸缩性，重点是通过分离用户接口和数据存储，使得省、市、县3级用户终端享受到统一标准的数据源。

1.1通用数据访问接口

通用数据访问接口提供了历史数据、地面资料、高空资料、大气成分、雷达卫星、数值产品、服务产品等方面的接口ID[4]。实现原理的技术路线如图1所示，考虑到系统提供规范化调用方式、规范化输出结果和接口易维护与易扩展的需求，将系统从结构上划分为调用层、业务层和数据层3个层次，业务层从逻辑划分为5个模块：解析单元、访问身份认证、业务规则管理、请求执行、服务定位。

图1　通用数据访问技术路线流程

1.2格点数据访问接口

格点数据访问接口主要提供了针对NetCdf特殊结构的气象和环境类数值预报模式数据。广东省气象探测数据中心根据实际业务需求，分别将JMA、T639、GRAPES、gracenc、tramsnc等气象和环境数值预报模式数据和giftdaily、giftzd、graces等气象和环境指导预报数据进行解码并按照NC格式进行存储[5]。在NC数据基础之上提供点、线、面数据读取、平面数据写入和指定格点数据写入的数据访问操作服务接口,如图2所示。

图2　格点数值预报数据访问接口流程

该接口采用C/S架构。其中Server端基于Linux操作系统平台，利用C++语言开发的ServerSocket服务进程，负责对客户端发送的数据操作请求命令格式进行解析并执行相应的逻辑运算，将运算结果返回给客户端。客户端分别采用C++、Java、C#和Web Service技术编写了获取模式平面数据、单点与多点时间序列数据、写入平面数据、写入指定格点数据的方法，给最终用户使用。

1.3图形数据访问接口

图形数据访问接口提供了预报图、观测实况图、雷达图、地质灾害图、高空形势和地面天气图等多种图形接口[6](图略)。该接口定义图形接口属性，包括接口ID、接口名称、接口类型、条件参数、图片命名规则、图片数据源、图片保存路径、备注等。后台图片服务器部署一台Tomcat Server，创建一个图片工程，并将图片工程部署在Tomcat Server中，负责接收业务请求，根据接口ID提供的图片路径获取筛选符合用户需求的图片数据，系统会校验该图片名称是否符合图片命名规则，校验通过后，将图片全名的时间部分截取出来，判断该时间是否在用户查询的时间段范围，如是，则根据用户提供的输出的参数，返回相应的图片信息，包括图片名称、大小、格式、路径及经Base64加密后的图片数据等。

2系统功能

根据实际业务需求，参考SWAN和SAFEGUARD两大省级业务系统[7-8]，H_VIEW系统通过WEBGIS技术实现省、市、区3级气象观测、数值预报和地理信息的综合显示，即多种观测、模式要素与地理信息的自由叠加，重点实现了海珠区的生态气象观测、城市服务、街道预报检验与预警阈值等模块。

2.1生态气象

除了常规中尺度区域自动气象站的降水、气压、温度、相对湿度等要素以外，实现了区县级基于特种环境类要素的生态气象综合观测显示，比如广州塔、雾霾、回南天、生物舒适度、散射浊度、天气实景等的观测。

1)广州塔垂直观测。

目前国内最高的北京铁架气象塔为325 m，而位于海珠区的广州塔高度为526 m，比北京气象塔[9]高出许多。H_VIEW实现了广州塔在121、454、526 m垂直高度上风向、风速、气温、气压、湿度、气溶胶颗粒物浓度等要素的综合显示。研究和预报城市雾、霾起因离不开垂直观测的支撑，广州塔可为大气污染垂直变化规律和输送提供宝贵数据。

2)雾霾与回南天观测。

在H_VIEW系统中，增加了有利于雾霾判识的气溶胶颗粒物浓度(PM10、PM2.5、PM1，来自环保局与气象局)和气溶胶散射系数(气象局)等观测数据，结合能见度和温、压、湿等常规气象要素，可判别雾霾天气[10]。当室外空气露点高于室内物体表面温度时就出现“回南天”现象，露点温度高于室内物体温度是“回南天”出现的必要条件[11]。从H_VIEW系统获知，目前广东省共建设有4个“回南天”观测站点，自北向南分别位于花都区、越秀区、番禺区和南沙区，一般选用越秀区的省大气探测中心一楼的观测站来分析海珠区的“回南天”现象。

2.2城市服务

WEBGIS模块[12]是H_VIEW系统的重要模块，为气象观测与数值模式模块提供地理信息服务，实现了气象的可视化与空间再分析能力。海量的气象数据利用WEBGIS强大的可视化表达能力形象直观地呈现给预报业务人员。面向城市服务的WEBGIS叠加模块提供了海珠辖区内的十八街道、地铁轨道、中小河流、主要交通干线、绿地公园、重要场馆等多种地理图层，任一辅助图层与气象数据组合都可以快速实现面向城市专题的气象服务[13-14]。WEBGIS信息与气象数据自由组合，不仅可以大大提高预报的精细化水平，还可以提高城市的气象防灾减灾和公共气象服务水平。

2.3街道预报检验与预警阈值

1)海珠单点指导预报与实况对比。

IDEA数据访问平台已经提供了基于精细化网格预报系统(GIFT)的省、市网格化指导产品，包括常规气象数值预报指导产品(giftd、giftdaily)和环境气象数值预报指导产品(graces、trams)。

海珠区以湿地公园站为评分站点，以该点为中心找周围4个预报网格点数值，通过双线性插值计算出海珠区的单点预报结果。根据长期业务对比，经过订正的省、市指导预报结果要普遍优于数值模式直接给出的结果。

2)街道指导预报检验。

海珠区18条街道评分站点的指导预报结果检验，如图3所示。

图3　街道评分站点(黄埔初级中学，琶洲街)的指导预报检验

绿色和橙色曲线分别表示省级、市级指导预报的气温随时间变化，绿色曲线表示实况气温随时间变化，蓝色和橙色立方体分别为省、市指导预报的气温与实况气温的差值，偏差越小，表示预报结果越接近实况真值。2015年3月16日琶洲街道的黄埔初级中学站的广州市指导预报气温曲线比省级指导预报气温曲线更接近真实气温曲线，表明该日的市级指导预报优于省级指导预报。

3)街道实况预警阀值。

设计了海珠十八条街道自动站实况预警提醒，除PM2.5、能见度2个要素以区为单位启动实况预警提醒以外，雨量(6 、3 、1 h雨量)、温度(最高最低气温)、大风3个要素以街道为单位启动实况预警，即当某街道实况要素达到制定的不同等级的预警阈值，就对该街道进行预警提醒，各要素阈值(表1)可通过在线预警阀值模块更改。

表1　在线预警阀值设定标准

3单页面显示和动态切图技术

主流的SWAN、SAFEGURAD系统采用Google Map的静态瓦片技术，按缩放要求将地图分成14个等级存在后台，用户访问时通过读取磁盘静态文件方式获取。如图4所示，H_VIEW采用先进的动态切图方式，基于Memcached服务搭建地图切片存储服务器，采用Shape地理信息数据文件动态的倒金字塔结构生成地图切片，存储在Mecached服务器中。在多次访问时，动态切图+Memcached的优势就会体现出来。在多图层组合显示时，动态切图只提供用户需要的地图切片并存储到缓存，节省了服务器的存储空间，而且再次读取时缓存的读取速度比磁盘静态文件读取的速度快，提高了时间效率。主流的SWAN与SAFEGUARD系统采取模块分页面的显示方式，SAFEGUARD系统中的站点资料、模式产品、台风路径模块和SWAN系统中的短临产品、PUP产品、预警信息等功能模块是各自独立页面显示，独立功能模块数据无法相互叠加，数据交叉再分析能力受到限制。H_VIEW系统采用了单页面显示技术，放弃了功能模块分页的形式，突破了功能模块数据不能在同一地理信息图层显示的局限性，多种功能模块数据可以自由匹配，相互叠加，极大提高了气象工作者对各种资料的综合分析能力。