三省联防区域气象服务平台的设计与实现

2020-12-28赵卢霞范保松戴翠贤吴颖

科技资讯 2020年30期

赵卢霞范保松戴翠贤吴颖

摘要：三门峡位于河南西部，天气过程处于山西、陕西的下游，研究上游的天气，能提前发现影响三门峡区域内的天气因子，提前做出天气预警，同时对汾渭平原的大气污染攻坚战提供气象数据参考。该文选取三省（河南、山西、陕西）六市56个国家级气象站和480个区域气象站，进行平台建设，采用B/S架构，用网页方式呈现，为三省联防区域内气象业务人员提供一个统一、便捷的业务管理平台。实现气象观测站、气象云图、雷达图等数据的统一展示和分析，自动生成服务材料并根据分析结果生成预报预警。

关键词：三省联防气象环保大气污染

中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2020）10（c）-0035-07

Abstract： Sanmenxia is located in the west of Henan Province， and the weather process is in the lower reaches of Shanxi and Shaanxi Province. By studying the weather in the upper reaches， we can find the weather factors that affect the Sanmenxia area in advance， make weather warning in advance， and provide meteorological data reference for air pollution battle in Fenwei plain. This paper selects 56 national weather stations and 480 regional weather stations in six cities in three provinces （henan， Shanxi， and Shaanxi） for platform construction， the platform adopts B/S structure and is presented in the form of web pages， providing a unified and convenient business management platform for meteorological business personnel in the joint defense area of the three provinces.

Key Words： Three provinces joint defense; Meteorology; Environmental protection; Air pollution

為做好黄河中下游流域气象服务联防工作，需要收集、汇总、交换流域内三省六市（河南、山西、陕西）之间气象资料、水文资料及灾情等信息，三省联防区域共有56个国家级地面自动气象站和480个区域自动气象站。这些自动化观测设备不间断地分别向三省的气象数据中心传递实时观测数据，最终汇总在中国气象局，由于缺少对这些站网数据的集约管理，增加了三省联防区域数据分析的工作量。

各个省内许多专家针对本省的特点研究了气象数据服务、使用方法和挖掘技术。如陕西省何林设计实现陕西省气象数据共享系统，同时针对目前省级气象业务中出现的站网信息管理问题进行了总结[1-2]。杨承睿等人对数据挖掘、大数据思维等内容探讨本省气象服务应用重点[3]。石璞欣与宋鸿等研究者根据用户需求设计开发该省气象综合服务平台[4-5]。全慧、杜彩月提出建设区域信息服务网，提升气象服务的精度和时效[6-7]。王婉等人开发了RESTful风格的数据接口，为微信、微博、手机APP等多个系统及保险公司、市政等多个单位提供数据支撑[8]。范保松在基于CIMISS统一数据环境，利用统一网络平台，建立统一规范的JSON接口实现了全省各类气象观测资料以及外部门（环保、水利）数据在河南省内的气象数据实时共享[9]。王嘉媛在全国综合气象信息共享系统（CIMISS）基础上扩充新的功能为山西省气象数据提供了统一规范的使用环境[10]。孟慧芳与崔栋梁等人针对该省气象数据服务平台、气象服务产品进行设计和完善[11-12]。曾颖婷等人使用WebGIS技术为用户提供直观的服务信息，发挥了实况资料在业务、服务、科研等方面的重要作用[13]。

结合三省联防气象信息需求的实际情况，该平台重点在于提高区域内数据信息化程度，全面加强区域内三省站网信息管理服务能力，切实将各类站网信息管理资源综合集中在统一的信息平台上，实现站网系统的数字化、信息可视化、查询直观化、更新迅速化和信息可扩充化功能。该文整合三省六市相关业务单位业务产品资源，以集约化的数据环境为支撑，建立一个具有浏览、检索与综合显示实况观测资料以及预报业务信息管理等功能的智能化数据服务平台，实现联防区域内天气实况、天气现象、天气过程的监控及自动识别，完成区域内天气自动化智能预警发布及服务。使业务人员能快捷获取各类信息从而有效开展观测、预报、预警及服务等业务。

文中所有气象数据最终来源于全国综合气象信息共享平台（China Integrated Meteorological Information Service System，以下简称CIMISS）。同时河南省气象局开发的综合观测数据服务平台将数据集延伸到全国范围，为该项目提供了数据支撑[14-15]。平台采用B/S架构，用网页方式呈现，主要为三省及下辖市、县业务管理人员提供一个统一、便捷的业务管理平台，使得业务和决策人员能快捷获取各类的信息从而有效支撑库区联防服务，进一步做好黄河中下游流域气象服务联防工作。

1 总体设计

三省联防气象大数据平台建设作为智慧气象建设的一部分，既要为联防区域内各级政府各级决策人员提供气象综合服务，使气象数据服务变得更加智能，同时也要将外部门共享的数据进行融合，并对数据进行提取、分析、挖掘，按照智能化、网格化、集约化、标准化、信息化的标准，构建基于大数据的“智慧三门峡”，为智慧城市的建设提供有效支撑。

（1）业务上实现三省六市跨省跨区域的合作。汾渭平原上下游多市县共同协作完成大气污染防治攻坚战。

（2）数据上实现环保、气象两部门实况数据的图形化集中显示。显示的数据包括三省六地市各生态环保部门各监测点AQI、PM2.5 、PM10、SO2、NO2、CO、O3数据及气象风向风速、能见度、未来7天天气预报、现在天气预警等信息，让决策领导对汾渭平原大气污染现状、气象条件现状有一个直观的认识。

（3）服务上实现服务材料的自动生成及定向发送。服务材料包括根据全国各点天气预报做出的近期污染物气象扩散条件、建议采取的措施等。服务材料的生成基于前3天气象条件与当前空气污染指数的相关性、当前气象条件对未来3天汾渭平原大气污染可能产生的影响，并根据上游的空气污染质量和气象条件分析对当地的影响。服务材料还参考了其他的空气污染气象服务产品，为汾渭平原大气污染防治攻坚战提供扎实可靠的气象服务。

1.1 设计思路

按照“整合、共享、完善、提高”的集约化建设方针，逐步集成硬件、软件、产品和服务，收集、汇总、交换流域内三省六地市之间气象资料、水文资料及灾情等信息，整合三省六地市相关业务单位业务产品资源，建立一个能浏览、检索与综合显示实况观测资料、预报服务数据等的智能化气象大数据平台。

（1）统一框架，平台具备扩展性。使用共用的服务组件、工具和系统字典以及共享数据库的访问控制等功能。

（2）基于面向服务的结构，平台内部软件层次化、扁平化。

（3）基于GIS（Geographic Information System，GIS），以分层方式显示各类数据。

（4）运用消息机制。遵循J2EE的显示逻辑和业务逻辑区分的体系。支持二次开发的友好性、安全性和经济性等条件，满足系统多期项目开发。

1.2 运行环境

服务平台主体部分采用B/S模式，基于JAVA、C#，采用JavaScript、Html等计算机语言进行网站搭建，建立统一的数据接口，可提供网站、移动平台的数据支撑，研制基于GIS的气象业务平台。

（1）硬件：CPU为2.6 GHz以上主频;内存：4 GB以上;硬盘：50 GB以上。

（2）软件：操作系统为Window7、Window10;运行软件要求：JDK 1.7或以上版本;sqlserver2008;Tomcat7.0及以上版本。

（3）地点：阿里云平台。

（4）瀏览器：Google Chrome、360;分辨率，1 440×900，1 920×1 080。

2 平台主要功能

2.1 三省联防数据服务平台

三省联防（陕西、山西、河南）气象大数据平台，实现三省各类气象数据的收集、处理、存储，并通过多种方式为用户提供多样化的分析应用，同时建设后台管理系统，实现对Web、控件、数据库等重要服务的监视告警，为三省业务用户提供方便快捷、一站式的综合气象信息服务及管理平台，为三门峡各部门提供高效实用的气象决策服务产品。利用WebGIS技术开发的三省联防数据共享平台，以Web、电子显示屏等多种手段，实现了省-市气象信息的上下纵向集约以及与外部门共享数据的横向集约，有效支撑了预报、预警以及决策服务。界面见图1。

该平台的主要功能有：（1）呈现三省联防（自动站、区域站、雷达站等）的GIS分布图。在GIS站网分布图上点击某个站点，可看到该站点的具体地理信息（经纬、纬度、海拔高度等）、实景图。（2）气象要素实况信息。业务人员能快捷获取区域内的天气信息，高效开展观测、预报、预警及服务等业务。（3）预报预警信息。完成区域内天气自动化智能预警服务。（4）分析产品。根据雷达回波和卫星云图，实现联防区域天气实况、天气现象、天气过程的监控。（5）苹果服务。根据区域特点增加了特色苹果服务为当地用户提供针对性的服务。（6）其他。汾渭平原和黄河流域模块则为大气污染防治、黄河流域生态保护和高质量发展等库区联防提供服务。三省联防服务平台界面见图2。

2.2 观测数据、预报服务产品采集系统

三省联防服务平台数据大致分为3类：气象观测数据、预报产品数据、公共产品数据，分类数据见图3。涵盖了三省六市的国家级自动气象站数据、所有区域自动气象站逐时的观测资料;涵盖了各类预报产品及公共气象服务产品，包含了河南省三门峡、洛阳市、陕西省商洛市、渭南市、山西省运城市、临汾市行政地图、水体及DEM高程等地理信息数据。通过编程，读取CIMISS数据库和CMACAST数据文件，实现三省观测和预报数据的收集整合;通过省综合观测数据平台同步得到全国实时云图、雷达图及部分决策服务数据;通过陕西、山西、河南三省预警中心接口实现三省气象预警信息的汇集整理;通过与环保及水利部门合作获取实时环保、水利数据（包括环保AQI及六要素、水文站信息和水库站的数据），实现三省联防区域内水文气象一张图，信息服务一张图。

3 平台功能实现关键技术

遵循气象行业数据标准、网格数据标准以及WebGIS对属性数据库的要求，分类别建立数据表、视图、触发器、存储进程等数据库对象，构建基础数据库。建设后台管理系统，实现对Web、中间件、数据库等重要服务的监视告警。

3.1 CIMISS数据应用

三省联防平台所用气象数据主要来自CIMISS，数据中心位于部门内网，外网无法直接访问，需要读取数据后再处理并转存为平台格式。以下为读取CIMISS 数据库的主要代码。

param1.Add（"elements"，fields）;//检索要素

param1.Add（"times"，Observtime）;//检索时间

param1.Add（"orderby"，"Station_ID_C：ASC"）;//排序：按照站号从小到大

stringStationNum="";

param1.Add（"staIds"，StationNum）;//所需站号

try{client.initResources（）;//初始化接口服务连接资源

RecMsg（"100005"，"需读取站点总计："+_Nation_stationlist_repair.Count+"需要查询次数（每次查询600站点）："+NumList.Length，0）;

for（int i=0;i

{StationNum=NumList[i];

param1["staIds"]=StationNum;

stationQueryNum=StationNum.Split（'，'）.Length;

if（stationQueryNum<=0||StationNum.Trim（）.Length<5）break;//如查没有站点，退出

//返回文件的描述对象

RetArray2DretArray1=newRetArray2D（）;

intrst=client.callAPI_to_array2D（userId，pwd，"getSurfEleByTimeAndStaID"，param1，retArray1）;//调用接口

if（rst==0）//正常返回

{stationQueryResultNum=retArray1.data.Length;

RecMsg（"100005"，"申请查询站数："+stationQueryNum+"获得站数：" + stationQueryResultNum，0）;

SyncDataSet（retArray1，cn，Observtime）;}

else//异常返回

{IsUpdate=false;

errMessage="获取数据失败！要获取的观测时间："+Observtime+"获取失败信息："+retArray1.request.errorMessage;

returnIsUpdate;}}

RecMsg（"100005"，"插入的资料站信息条数："+stationInsertNum+"观测时间（北京时）："+SyncData.SyncData._ToBeijingTime（Observtime）+"＼r＼n"，0）;

DeleteEvent（）;}

catch（Exceptione）{}

finally{client.destroyResources（）;}

returnIsUpdate;}

3.2 视图和存储过程

观测数据、预报服务产品、外部门共享数据采集程序通过使用C#写的同步程序，无需人工干预，在服务器后台间隔一定时间自动运行。数据处理流程根据数据的来源分为两种：（1）对于不需要深加工的雷达回波拼图、卫星云图、公共气象服务产品等，采用FTP 方式，只需要提供FTP存储目录即可。（2）对于需要加工的原始数据，从不同的服务器上采集自动站等数据并转换格式统一存储到同一个SQL SERVER2008数据库服务器中。

平台不直接对数据表访问，使用视图和存储过程增加了访问的效率，同时也增加了数据的安全性。全国共有2400多个国家站，6万多个区域站，三省联防区域使用视图建立了站点快速过滤。系统使用SQLServer數据库，通过存储过程读取三省联防数据。

以下是主要存储过程，并在此基础上形成数据接口。

Get_DataUrl_On_DataType （Map queryMap）;

Get_DataSet_On_DataType （Map queryMap）;

Get_HisDataSet_On_DataType （Map queryMap）;

Get_HourDataSet_On_StationID （Map queryMap）;

Get_AllElementValue_On_StationFlag （Map queryMap）;

Get_AllElementValue10_On_StationFlag （Map queryMap）;

Get_ALLElementvalue_On_Position_XY （Map queryMap）;

Get_Forecast_On_CityCode （Map queryMap）;

Get_Warn_On_CityCode （Map queryMap）;

Get_EnvironmentData_On_CityCode （Map queryMap）;

数据库建立了三省联防站点的视图：

CREATE VIEW [dbo].[View_SSLF_StationBase]

SELECT StationNum， CityCode， IsMask， GprsID， StationName， Longitude， Latitude， Category， province， city， county， high， stationclass

FROM dbo.StationBase_Dic_CHINA

WHERE （StationNum LIKE '5%'） AND （province LIKE '河南%'） AND （city LIKE '三門%'） AND （Category = '100'） OR

（StationNum LIKE '5%'） AND （province LIKE '河南%'） AND （city LIKE '洛阳%'） AND （Category = '100'） OR

（StationNum LIKE '5%'） AND （province LIKE '陕西%'） AND （city LIKE '渭南%'） AND （Category = '100'） OR

（StationNum LIKE '5%'） AND （province LIKE '陕西%'） AND （city LIKE '商洛%'） AND （Category = '100'） OR

（StationNum LIKE '5%'） AND （province LIKE '山西%'） AND （city LIKE '临汾%'） AND （Category = '100'） OR

（StationNum LIKE '5%'） AND （province LIKE '山西%'） AND （city LIKE '运城%'） AND （Category = '100'）

3.3 JSON数据接口

最后一层数据服务采用JSON接口，利用JSON接口数据交换的灵巧、独立性，建立系列JSON接口可以实现各类气象数据对外服务，该接口运行在tomcat之上，直接对网站提供服务。三省联防平台使用的JSOW接口见表1。

以云图（文件型数据Get_DataUrl_On_DataType）为例，通过执行与之相关的JSON接口，可以得到多张云图。执行相应的JSON接口。

http：//192.168.70.6：88/hnqxapi/api/Get_DataUrl_On_DataType？count=6&dataType=1

返回：卫星云图示例见图4。

{ "code"： 1， "msg"： "成功"， "obj"： [ {

"httpUrl"： "http：//192.168.70.6：88/Data/101/101/1/202003251400.jpg"，

"dataInsertTime"： "2020-03-25 14：25：11" }，

{ "httpUrl"： "http：//192.168.70.6：88/Data/101/101/1/202003251330.jpg"，

"dataInsertTime"： "2020-03-25 13：55：11" }，

{ "httpUrl"： "http：//192.168.70.6：88/Data/101/101/1/202003251300.jpg"，

"dataInsertTime"： "2020-03-25 13：25：11" }，

{ "httpUrl"： "http：//192.168.70.6：88/Data/101/101/1/202003251200.jpg"，

"dataInsertTime"： "2020-03-25 12：25：11" }，

{ "httpUrl"： "http：//192.168.70.6：88/Data/101/101/1/202003251100.jpg"，

"dataInsertTime"： "2020-03-25 11：25：11" }，

{ "httpUrl"： "http：//192.168.70.6：88/Data/101/101/1/202003251000.jpg"，

"dataInsertTime"： "2020-03-25 10：25：11" } ]}

4 结语

三省联防气象数据服务平台成果集约了各种观测数据及外部门共享数据，以省际集约化数据环境及其访问接口为依托，通过整合现有气象数据查询业务系统的常用功能及用户习惯，基于WEBGIS、MObileGIS 等多种技术，建立集站网管理、实况数据可视化展示、外部门数据展示、智能化报警等为一体，网页、显示屏等多种终端呈现的数据共享平台。该平台面向三省六地市的用户，提供完整、及时、稳定、准确地对内气象数据服务及对外部门及决策用户的数据共享服务，建立完整、权威的库区联防区域内一站式数据共享中心。该系统业务化以后，实现了自动气象站、区域站、雷达回波、卫星云图等实时观测资料等实时观测数据以及外部门（环保、水利）数据在库区联防实时共享以及可视化显示，充分发挥这些数据的效益，促进库区联防气象信息化能力进一步提升。通过该联防数据服务平台的应用，各种气象及外部门共享数据业务人员均可通过同一个平台获取，使用更便捷，提高了业务人员的工作效率。三省联防数据服务平台自2018年汛期投入业务以来，运行稳定，已经成为三门峡库区三省六地市联防协作共享的核心平台，在汛期中多次灾害性天气的联防工作及决策服务中发挥了重要的作用，取得了良好的经济和社会效益。

参考文献

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