宁夏近地层高空秒级数据服务功能的设计与实现

徐晓庆，张 智*，崔 巍，陈增境

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象防灾及重点实验室，宁夏 银川 750002）

近年来，人们对雾、霾等天气越来越重视，对高空秒级数据的需求越来越多。目前，气象资料应用服务软件的开发主要是地面资料，而高空气象资料的应用分析工作相对较少，如吴兴洋等[1]指出高空全月观测数据文件的关键是对高空观测基础数据文件(秒数据文件)进行质控；陈中钰等[2]基于L 波段探空综合观测的逐秒数据制定了秒数据质量控制方法，发现该方法可以很好地检查出L 波段探空综合观测秒数据的错误；张明[3]、陆杰[4]、闵昌红等[5]分别利用高空秒级数据、等压面层数据、大气边界层数据研究了鄂西南、广西、贵阳等地的高空风、规定等压面层温度和高空逆温特征；李茂等[6]开展了高空和地面观测资料交互应用研究，确立了调取高空或地面资料做交互订正应用的最佳处理方案；高雅洁等[7]设计开发了高空BUFR 报文与XML 报文传输软件，适合台站探空数据传输；张颖梅等[8]对L 波段高空气象观测系统软件的升级技巧进行了总结。这些分析研究多是业务技术总结，或是利用高空气象资料开展气候变化分析，而该设计是通过网页的形式直接显示高空气象数据。

高空秒级数据是精度最高的高空观测资料，利用高空秒级数据可以准确地找到逆温层，为雾、霾预报研究提供重要的数据支撑。目前高空秒级数据只能从CIMISS 数据库中获取，且获取过程十分繁琐，登录API 接口页面后不仅需要从各种接口中选择高空秒级资料接口，而且需要选择相关的观测要素，获取数据十分不便。因此，设计开发高空秒级数据应用服务软件十分必要。

该软件从CIMISS 数据库中读取近地层2 km内高空秒级数据，按照《常规高空气象观测业务手册》技术规定，采用内插法[9]对近地层高空秒级数据进行等压间隔、等高间隔处理，开发不同观测要素（气压、位势高度、温度）的查询网页，能够以表格、剖面图等形式显示各气象观测要素的高度变化，可为气象预测预报研究、气象服务提供数据服务。

1 软件设计

1.1 开发环境

该系统基于B/S 架构的ASP.NET 设计，数据库为CIMISS 系统的Oracle 数据库，使用CIMISS 系统提供的API 接口直接调取数据；网页前台使用JavaScript 技术，网页后台使用C#作为开发语言，还用到了Ajax、JSON 和动态链接库等关键技术。

1.2 设计思路

1.2.1 功能模块设计 该功能模块分为数据查询和绘制剖面图页两部分，见图1。

图1 功能模块图

（1）数据查询。选择观测要素（气压、温度、相对湿度、风速和风向）、查询方式（等压、等高和全部）、日期类型（按日期、时间段、同期）进行查询，并以表格方式显示，同时可将查询结果导出，存储为Excel格式文件。

（2）剖面图绘制。选择观测要素（气压、温度、相对湿度、风速）、查询方式（等压、等高和全部）、查询时间进行查询，并以剖面图方式展示，同时可将查询结果导出为png 格式文件。

1.2.2 后台设计 按照气象业务人员选择的查询条件，传入后台获取数据，对数据进行处理后再通过前台网页显示，设计流程见图2。

图2 设计流程图

以下是具体设计过程：

（1）根据前台的查询条件，利用Ajax 方法访问后台。查询内容有时间、观测要素（气压、位势高度、温度、相对湿度、风速和风向）、等压（高）间隔和不同时段（连续时段、同期时段、跨年时段）。将这些条件组织成Ajax 的形式，传入后台。

（2）从CIMISS 数据库中查询数据，数据预处理。数据库中查询到的气压、温度、相对湿度、风速、风向会有缺测数据，需对缺测数据进行删除处理，只保留符合查询条件的数据。预处理后的数据是数据库中的随机数据，非预期顺序。为了便于使用内插法计算数据，需对获取的数据进行排序。根据时间、位势高度进行升序排列，保证同一时刻的数据按位势高度升序排列。将预处理后的数据，存入数组。

（3）判断查询的是全部数据，还是等间隔数据，若是等间隔数据，则数据进行内插处理。数据库查询到的数据是逐秒记录，位势高度值和气压值并不是等间隔，因此需进行内插法处理。

（4）将整理后的数据，解析成json 标准格式，传入前台。将上一步产生的字符串，组织成json 串，并通过Ajax 方法传入前台。

（5）用表格或垂直剖面图显示数据。

2 算法设计

等高和等压的内插法类似，以等高为例，设计流程见图3。

图3 等高内插法流程图

具体步骤如下：

第1步 存放在数组中的位势高度是由低到高排序的，因此，第1 个数组中存放的位势高度为起始高度0，把第1 个数组中的值依次存入字符串a 中。

第2步 根据前台传来的间隔高度k，查找接下来的数组中的位势高度是否存在，值为nk（n=1，2，3，...，i）的位势高度。若存在，将数组中的值继续存入字符串a 中；若不存在，则继续下一步的判断。

第3步 判断：前一个数组中的位势高度

①若符合这个判断条件，使用内插法，即（前一个数组中对应的要素值+后一个数组中对应的要素值求和）/2，求出相应的气压、位势高度、温度、相对湿度、风速和风向，将求出的值继续存入字符串a中，并且间隔高度nk 的值增加为（n+1）k。接着对下一个数组继续步骤3 的判断。

②若不符合这个判断条件，则判断下一个数组的位势高度是否满足步骤3 的判断条件。

第4步 依次循环判断所有数组，直至所有数组都判断完毕。

3 功能实现

3.1 数据来源

CIMISS 数据库中高空资料存储了中国高空定时值资料、高空秒级资料、高空分钟数据、闪电定位等资料，软件只读取银川高空观测站高空秒级资料。

CIMISS 的API 提供了多种检索高空秒级资料的接口，本文采用按时间段、站号方式getUparEleBy－TimeRangeAndStaID 检索高空秒级数据表UPAR_CHN_MUL_SEC。

3.2 确定位势高度

气象业务一般需要的是近地面2 km 的数据，而CIMISS 数据库中高空秒级资料一般能达到25 km左右，而银川海拔高度约1.1 km，因此平台的位势高度控制在3.2 km。

3.3 页面组织

前台网页查询条件分为3 部分：观测要素、查询方式和日期类型。观测要素包括气压、温度、相对湿度、风速、风向等全部要素。查询方式分为等压、等高和全部。若选择等压，根据业务需求将等压间距分为10，20 hPa；若选择等高，根据业务需求将等高间距分为50，100，200 m；若选择全部，则显示所有数据。日期类型包括按日期查询、按时间段查询和按同期查询。将这些条件组织成Ajax 的形式，传入后台。

3.4 后台数据处理

（1）预处理数据，剔除温度、气压、湿度、风速和风向中缺测的数据，并对数据排序。

（2）判断是查询原始数据，还是等压（高）间隔数据。若是等压（高）间隔数据则需采用内插法进行内插。

3.5 输出方式

（1）表格的形式。将查询的数据采用bootstrap格式直接显示出来，并能将查询的结果导出。如图4所示，选择全部气象要素（温度、气压、湿度、风速、风向和位势高度），按日期、10 hPa 等压间隔查询。

图4 宁夏高空秒级数据表格显示图

（2）剖面图的方式。根据查询结果可以采用echarts方式显示温度、湿度、风速中的一种垂直变化剖面图，也可以全部显示，图片有导出功能。如图5 所示，选择全部气象要素（温度、湿度、风速），按日期、100 m等高间隔查询。

图5 宁夏高空秒级数据（温度、湿度、风速）垂直剖面图

3.6 服务性能

对music 接口直接调用和该软件界面调用的100 个时次数据进行统计分析，去除接口异常时次，正常情况下，调用处理前的数据平均需要32 s，数据量约4 600 条。处理后的数据见表1。

表1 服务性能表

经过内插法处理后数据按照等高或等压的方式展示，大大减少了数据量；展示方式按照相应规律展示，便于气象业务人员使用，但是查询时间增加了3 s，查询速度有所下降。

4 结论

本文主要研究CIMISS 近地层高空秒级数据的处理。利用内插法将高空秒级资料处理成等压（高）间隔的数据，并将气象要素用垂直变化的方法表示。原先只能通过CIMISS 的API 接口页面手动调用高空资料，气象业务人员不仅需要学习页面接口的使用方式，而且获得的数据是非预期的，且只能以表格的形式全部显示，气象业务人员使用时还需加工处理成预期数据，使用不便。经过内插法处理后，数据按照等高或等压的方式展示，虽然查询速度略微变慢，但是大大减少了数据量，展示方式可以按照等高或等压方式展示。气象业务人员根据实际需要在该查询软件页面选择查询条件，查询出来的数据不仅能以表格的方式显示，还能以剖面图的形式显示，并且可以下载表格和剖面图，方便了业务人员的使用，提高了高空秒级资料的利用效率。