基于业务一体化的预报预警质量检验系统的设计与实现

谢丰， 刘延瑞， 马艳， 毕玮， 任兆鹏*

(1.青岛市气象局， 山东,青岛 266003；2.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心， 山东,青岛 266003)

0 引言

随着各行业对气象服务需求的不断增长，天气预报预警业务也不断向精细化、集约化方向发展。在国家以及各省、市、县气象业务不断推进的大前提下，气象一体化业务建设工作也取得了长足的进步。针对新形势下气象业务发展中数据管理不够规范高效、数据共享不够及时、预报预警信息发布效率低下、业务平台零散以及业务工作冗余等问题，各级气象部门根据自身业务实际情况相继研发了业务一体化平台[1-3]，有效提高了气象业务工作效率，提升了气象服务自动化水平。

灾害性天气的多发频发对我国农业和经济造成不小的影响，国家应急管理部门对气象预报及灾害性天气突发预警也越来越重视。为加强气象预报及气象灾害预警信号业务管理，促进气象预报及预警质量提高，各级气象部门也分别开展了预报质量及预警信号质量检验工作，研发了预报及预警信号质量检验平台或系统[4-7]。

但目前多数气象业务一体化平台虽融合了气象数据资料整合、气象预报、气象服务产品制作、气象信息发布等功能，将预报预警信号质量检验同时纳入一体化业务平台的系统及其研究却相对较少。本研究将预报预警信号质量检验系统与气象业务一体化系统进行融合，将气象数据资源后台集中调度，对业务平台系统进行合理精简，对预报员工作流程进行简化，为提高预报业务工作效率和提升预报预警业务质量提供了更好的平台。

1 需求分析

为进一步推进预报业务和灾害性天气预警业务发展，国家气象局要求对预报预警信号质量在业务中进行检验，在实际业务中，预报及预警信号检验过程十分繁琐。预报员每天从不同数据源调取报文，人工校验计算，工作效率不高，同时需完成每月各种预报及预警信号质量统计检验报表制作，并结合预报预警质量检验结果计算预报绩效考核评分和预警信号质量检验评分，工作量繁杂冗余。整个操作过程存在数据来源分散、工作流程繁复、人工统计误差概率高、业务对接流畅性低、业务系统集约化差等问题。

结合业务实际，针对上述问题，基于业务一体化平台的预报预警质量检验系统需满足以下功能需求[8-9]：① 通过关联一体化平台后台数据库实现报文、实况数据，预警信号自动入库、自动校验；② 根据预报质量检验办法实现每日预报质量检验，计算每日预报评分；③ 实现每月预报成绩汇总评分，生成报表；④ 根据预警信号质量检验办法实现每次预警信号质量检验，计算预警信号提前量和准确性；⑤ 每月生成不同类别灾害性天气预警信号质量检验报表。

2 系统总体设计

系统整体采用B/S架构，选用ASP.NET框架，前台页面使用HTML5+CSS+JS进行开发，后台使用C#语言，使用SQL Server数据库对后台数据进行存储和管理。

2.1 系统架构设计

系统整体由数据采集层、技术支撑层、业务功能层和用户应用层等4层逻辑架构组成，如图1所示[10]。数据采集层包括数据库设计、数据调用；技术支撑层包括报文读取算法、预报质量检验算法、预警信号质量检验算法、评分算法；业务功能层包括数据校验、预报质量检验、预报评分、预警信号质量检验、预警信号质量评分；用户应用层对接业务一体化平台中领班、值班、首席等不同班次预报员。

图1 预报预警质量检验系统总体架构图

2.2 系统功能设计

(1) 在预报质量检验模块中，根据《全国城镇天气预报质量检验方案》，结合业务实际，对青岛辖区范围内各区市共计7个大监站站点实现每日预报报文质量检验及预报质量评分。具体功能实现中，对青岛市辖区内7个站点预报报文进行降水及温度预报的正确性质量检验，给出检验结果；根据检验结果，参照《全国城镇天气预报质量检验方案》中预报质量检验评分标准，对预报成绩按照0～72 h内各时效晴雨、一般性降水、最高(低)温度和0～48 h内暴雨(雪)共5项TS评分定量计入预报质量积分，给出预报员每人每日每月具体预报质量评分，量化检验指标。

(2) 在预警信号质量检验模块中，根据《气象灾害预警信号质量检验办法(试行)》，结合山东省气象局划定的全省预警信号质量检验指标站点，实现对青岛市区范围内(市区、崂山区、城阳区、黄岛区)参加预警信号质量检验的24个站点进行预警信号质量检验的功能。在具体功能实现中，分别对检验站点的暴雨、暴雪、大风、大雾、霾这5种预警信号的发布进行分级检验，给出不同类型不同级别预警信号的TS评分、命中率、漏报率、空报率准确性和时间提前量等指标的检验结果，根据检验结果给出每月预警信号分级不同类别不同级别的正确率TS评分和预警、准确预警、有效预警时间提前量汇总统计表，并提供导出功能。系统功能结构如图2所示[10]。

图2 系统功能结构图

2.3 数据库设计

数据库采用SQL Server关系型数据库，根据系统实际业务逻辑及系统结构，按照数据库第三范式进行设计。根据系统需求分析及数据流向，遵循系统功能逻辑层次，系统数据模型如图3的E-R关系图所示。数据表包含预报员表、排班表、排班说明表、预报报文表表、报文内容表、天气现象编码表、实况数据表、预报每日评分表、预报每月评分表、预警信号内容表、预警信号指标站点表、预警信号检验表、预警信号统计表等十多个数据表，各数据表通过主、外键进行关联。

图3 数据库E-R关系图

2.4 预报预警检验流程设计

预报预警检验过程中，实况数据、预报报文和预警信号数据分别来源于全国综合气象信息共享平台CIMISS系统、NAS文件服务器和一体化平台，经文件同步程序同步至各相应数据库；再通过系统后台算法对预报中晴雨、高(低)温、降水，预警信号中准确率TS评分、命中率、漏报率和空报率各项进行逐一对比检验，分别得到预报及预警信号质量检验结果进行入库；最后通过Web服务器到达系统前端，在一体化平台页面中进行展示。预报预警检验设计流程图如图4所示。

3 功能测试及功能实现

3.1 系统功能测试

本系统两部分功能研发完成后，基于软件研发V模型和系统测试流程及方法，结合预报员工作实际应用，对两大功能模块进行了逐一测试，以各模块中实际实现功能为例，设计了如表1所示测试用例。

图4 预报预警检验设计流程图

由表1可见，测试结果与对应测试用例中的预期效果一致，表明预报及预警信号质量检验系统个各功能模块的实现与系统建设初期设计一致，符合设计预期及业务实际需求。

3.2 系统功能实现

在预报质量检验模块具体功能实现上，按照系统设计分别以预报每日成绩、预报每月成绩两个功能页面体现。在预报每日成绩中，根据预报质量检验内容通过算法程序后台运行分别对每日集体报、每日值班预报员个人报进行24、48、72 h晴雨、高低温、降水以及24、48 h暴雨(雪)TS检验评分体现。在预报每月成绩中，汇总体现当月个人及集体晴雨、高低温、降水及暴雨(雪)TS总分及加权总分。具体功能实现如图5所示。

在预警信号质量检验模块具体功能实现上，按照系统设计分别以预警信号检验和预警信号每月统计2个功能页面体现。在预警信号检验中，根据预警信号质量检验内容通过分级检验算法程序后台运行，分别对指标站点的暴雨、暴雪、大风、大雾、霾这5种预警信号的时间提前量、准确性进行检别，并将预警信号按照不同级别，通过准确性和时间提前量算法程序后台运行，对其进行TS评分、空报率、漏报率、命中率和时间提前量直观展示，并提供每月预警信号质量检验验结果体现，同时体现预警信号发布时间、类型、级别和最早到达预警站点以及最早到达数值，直观展示每一次预警信号的发布质量。在预警信号每月统计中，对当月不同类报表导出功能。具体功能实现如图6所示。

表1 预报预警系统质量检验功能测试用例

在数据校验具体功能实现上，通过对预报报文、自动站实况数据以及预警信号通过数据库关联后台自动调取，对应预报及预警发布时间，对自动站实况数据入库时间进行数据完整性校验。具体功能实现如图7所示。

4 总结

在各行业对气象服务需求不断增长的前提下，随着现代化气象业务建设的不断推进，以及气象预报预警技术的不断发展，对其结果进行及时准确的质量检验，通过检验结果不断矫正订正预报预警技术方法，是提供更加高效、精细化气象服务的支撑。本文所设计的基于气象业务一体化的预报预警质量检验系统已正式投入业务应用。应用结果表明：基于业务一体化的预报预警质量检验系统功能结构完善、数据集约程度较高、整体运行状态平稳。系统各功能模块在对预报员工作流程简化、提高预报业务工作效率和提升预报预警业务质量等方面都达到了预期效果，实现了气象数据资源后台集中调度、业务平台系统合理精简这一目标，具有很强的应用推广价值。

图5 预报每日及每月成绩功能实现展示

图6 预警信号检验及月统计功能实现展示