基于WebGIS的人工增雨效果检验系统设计与实现

2016-12-27孙李城

地理空间信息 2016年7期

关键词：气象站雨量人工

孙李城，季民，王杰，姚菡

（1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.山东省青岛市气象局，山东青岛 266003）

基于WebGIS的人工增雨效果检验系统设计与实现

孙李城1，季民1，王杰1，姚菡2

（1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.山东省青岛市气象局，山东青岛 266003）

采用区域历史回归、双比分析以及区域对比分析作为人工增雨效果检验的基本方法，基于Flex平台，利用ArcGIS Server和WebGIS等技术，设计并实现了一种基于B/S模式的人工增雨效果检验系统。系统界面友好，具有较强的交互性和可操作性，实现了人工增雨效果评估数据的快速输出，大大提高了人工增雨效果检验的评估效率。

人工增雨；效果检验；统计检验；WebGIS

人工增雨是指在一定的条件下，通过人工途径对云等施加影响，以达到增大降水量缓解旱情的科学技术[1]。人工增雨效果检验则是人工增雨作业中难以回避的重要环节，是评价人工增雨作业增雨效益、经济效益、作业方法是否有效和人工增雨技术水平的重要依据。而现阶段人工增雨效果检验一直是一个世界性难题，国内外学者进行了大量的实验研究，得出一些较为通用的检验方法，主要有物理检验、统计检验及数值模式检验[2-3]。目前物理检验和数值模式检验尚未成熟，难以业务化，而统计检验能在一定的显著性水平上给出定量的增雨结果，便于评价作业的有效性，成为人工增雨效果检验的基本方法[4]。

在传统统计检验方法和回归分析理论方法的基础上，本文利用WebGIS技术，基于Flex平台，采用ESRI的二次开发工具API（ArcGIS API for Flex），进行B/S架构的人工增雨效果检验系统的开发。系统以自动气象站逐时雨量资料为基础数据，通过对人工增雨作业过程中目标区、对比区的科学选定，结合上述检验方法，计算人工增雨效果评估数据，完成人工增雨效果评估报告,实现全省人工增雨效果评估方法的统一。

1 系统人工增雨效果评估方法

1.1 目标区和对比区的选取

雨量数据与当地气候环境特征密切相关，影响气候的因素通常包括纬度位置、地形因素和海陆分布等[5-6]。本文在考虑人工增雨作业点分布情况的基础上，结合历史气候环境特征和当前天气系统条件，选取目标区和对比区。目标区和对比区满足以下基本条件：

①目标区和对比区气候环境和地理环境特征类似，区域面积相近；②目标区和对比区出现的降水条件具有相似性；③对比区同期观测的雨量数据必须为自然条件下的，不受目标区人工增雨催化的影响；④目标区和对比区区域内自动气象站分布合理，具有一定的代表性，雨量数据具有一定的持续性。

1.2 统计检验

统计检验方法主要包括区域历史回归法、双比分析法和区域对比分析法。

1.2.1 区域历史回归法

该方法主要包括3个步骤：数据分析、建立回归方程和显著性检验。

1）数据分析。本文采用的数据为山东省自动气象站逐时雨量数据，利用算术平均求取区域内自动气象站各时刻的平均降雨量数据作为统计变量。由于要采用T检验法, 而T检验法要求统计变量具有或近似具有正态分布特征，因此对上述平均雨量数据进行二次方根、三次方根和对数变换。经柯尔莫哥洛夫拟合度检验, 选择更接近正态分布的变量变换, 将变换后的区域平均雨量作为区域历史回归的样本。

其主要步骤为：①选定目标区A和对比区B内的自动气象站点；②系统调用历史雨量资料，只选取A、B区域中≥2/3测站有降水的时刻作为分析样本,采用算术平均求取该时刻下测站的平均降雨量作为统计变量；③对取出的平均降雨量数据进行正态化转换：开平方根、三次方根和取对数，得A区降水量y，B区降水量x的n组历史样本；④进行柯尔莫哥洛夫拟合度检验, 选择最接近正态分布历史样本；⑤计算对比区B与目标区A雨量数据相关系数r，计算公式如下：

式中，xi、yi为对比区B和目标区A历史平均降雨量；为xi、yi的平均值；N为样本个数；Sx、Sy为统计变量x、y的标准差；Sxy为统计变量x、y的协方差。

2）建立回归方程。根据历史回归统计原理，利用最小二乘法，建立目标区和对比区统计变量间的一元线性拟合关系y =a+bx，其中：式中，xi、yi为对比区B和目标区A历史平均降雨量；为xi、yi的平均值。

根据所选人工增雨评估时段，将对比区实际测量雨量值x（所选时段的平均）进行上文变换后代入回归方程，对求出的结果进行逆变换，求出同期目标区自然降水的期待值y^ ，再进行人工增雨效果评估数据的计算。计算公式为：

3）显著性检验。为确定增雨量是人工影响所致或是降水的自然变量，需要检验增雨量的统计显著性，通常采用T检验[3]，其公式如下：

根据自由度v=n-2和T值查T-分布表，确定显著性水平α和可信度1–α/2。

1.2.2 双比分析法

采用双比分析法对人工增雨效果进行定量分析，计算公式为：

式中，X1为对比区非作业期实测雨量；X2为对比区作业期实测雨量；Y1为目标区非作业期实测雨量；Y2为目标区作业期实测雨量。

1.2.3 区域对比分析法

采用区域对比分析法对人工增雨效果进行定量分析，计算公式为：

式中，X2为对比区作业期实测雨量；Y2为目标区作业期实测雨量。

2 系统设计

2.1 系统架构设计

根据系统建设目标和人工增雨作业效果检验业务需求，系统采用B/S架构，以WebGIS技术为支撑，采用Flex进行界面设计，数据库则使用SQL Server 2008，并利用Web Services技术与之交互。

系统的开发主要由客户端和服务端两方面构成。服务端主要负责各类数据库的管理、GIS服务和Web服务的发布等，客户端负责完成系统界面的设计及系统业务的开发，系统开发流程如图1所示。

图1 系统开发流程图

系统建设总体框架由数据层、服务层、业务逻辑层、表现层和客户层5部分组成，是一种典型的多层体系结构，如图2所示。

数据层，即应用数据的存储层，是系统的最底层部分。该层对人工增雨业务数据进行存储、检索和维护，支持响应高层的数据要求，包含人工增雨数据、气象资料数据、自动雨量数据、历史雨量数据和基础地理数据等。数据均由SQL Server数据库进行管理。

服务层，即运行于服务器中的各种服务，包括GIS服务和Web服务。GIS服务提供地图服务、Geometry服务和地理处理服务等，由于Flex无法与数据库直接通信，因而将数据访问过程包装成Web Method,通过Web服务发布成Web Services,供Flex调用。

业务逻辑层，即与服务器进行通信的单元模块。负责集成Flex类库和ArcGIS API for Flex等第三方API,处理服务层的反馈结果，在表现层进行展现，还负责搭建运行架构，定义系统逻辑模块。

表现层，即系统展现的层面。由丰富的界面元素和交互组件构成，负责完成信息表现和用户交互操作，具有Flash般的效果，提高了用户的体验效果。

客户层，即应用程序的客户端。具体指部署有Flash播放器的浏览器，如IE、 FireFox和Chrome等。

图2 系统架构图

2.2 系统功能设计

根据系统设计目的和框架，其主要功能包括：

1）系统管理模块，包括作业信息管理、图层控制和飞机航线数据管理。作业信息管理对每次人工增雨作业数据进行管理，实现作业数据的查询、编辑等。图层控制实现人工影响天气作业点、飞机作业航线、气象站点和雷达影像数据的叠加显示，并且用户可根据自身需要设置显示的图层。飞机航线数据管理可对人工增雨作业后飞机航线数据进行查看以及在地图上绘制显示等。

2）区域绘制模块，实现目标区和对比区的选取绘制。在地图上利用鼠标以多边形拉框等方式可直接选取目标区和对比区，并可对选取的目标区和对比区进行编辑、复制、移动等操作，在动态选取目标区和对比区的同时，系统可快速计算所选区域面积、区域包含作业站点和自动气象站点的个数等。

3）统计检验模块，集成了国内外最常用的3种统计分析方案，对地面、飞机人工增雨作业效果进行实时分析评估。

图3 系统功能图

3 案例分析

2014年7月，山东省受低层切变线的影响，部分地区出现旱情，夏季森林防火压力较大，山东省人影办组织实施了人工增雨作业。针对该次作业，利用本系统进行人工增雨效果检验。本次分析采用的历史数据为2012～2014年4～10月的自动气象站逐时数据，实时观测数据为2014年7月作业同期实时观测数据。

3.1 选取目标区和对比区

在对人工增雨作业点分布情况、自动气象站分布情况和作业天气状况进行综合分析的基础上，确定了目标区和对比区，如图4所示，其中红色区域为目标区，蓝色区域为对比区，具体情况如表1所示。

图4 目标区和对比区示意图

表1 目标区和对比区资料

3.2 增雨效果检验分析

如图5所示，目标区和对比区相关系数的显著性水平＜0.01，表明所选取的目标区和对比区具有较好的相关性，故可利用回归分析方法进行增雨效果的分析。根据相对增雨和绝对增雨量化值，可以看出本次人工增雨作业效果良好。进一步经过T检验，显著性水平＜0.01，可信度达到99%，说明增雨量是人工影响所致，而非降水的自然变量，人工增雨效果显著。

根据图6、7的统计结果，相对增雨和绝对增雨量化值都较高，与区域历史回归法分析结果具有良好的一致性，进一步说明本次作业比较成功，达到预期效果。