玉溪山地云海景观预报系统的设计与实现

2023-06-25丁圣申文熙吴沅芳

现代信息科技 2023年8期

丁圣申文熙吴沅芳

摘要：该文设计的玉溪山地云海景观预报系统，依托气象内网气象信息共享平台（CIMISS）统一数据环境和服务接口，借助局地气象站观测数据、当地气象预报数据和视频监控系统观测的云海出现时间数据自动计算云海出现概率预报方程，支持人机交互订正预报结果，提供完整、及时、稳定、准确的云海景观预报服务。该系统的部署使用简单，维护成本低，已在玉溪部分县局投入使用，具有良好的应用推广前景，有利于提升基层气象服务供给水平。

关键词：云海；预报；设计与实现

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）08-0029-04

Abstract： Based on the unified data environment and service interface of the meteorological intranet meteorological information sharing platform （CIMISS）， the cloud sea landscape forecast system in Yuxi mountain designed in this paper automatically calculates the cloud sea occurrence probability prediction equation with the help of the local meteorological station observation data， local meteorological forecast data and the cloud sea occurrence time data observed by the video monitoring system， and supports human-computer interaction to revise the forecast results， providing complete， timely， stable， accurate cloud sea landscape forecast service. The deployment and use of the system is simple， and the maintenance cost is low. It has been put into use in some counties and bureaus in Yuxi. It has a good prospect of application and promotion， and is conducive to improving the level of meteorological service supply at the grass-roots level.

Keywords： cloud sea; forecast; design and implementation

0 引言

云海是山岳地區风景的重要景观之一，当旅游者努力攀爬直至高山之巅，看到眼前海天高远，苍茫空阔之境时，心情畅快淋漓。云海是摄影爱好者和云海观赏者的心仪之地，然而云海出现的地方大多在大山上，距离闹市较远，由于缺乏景观预报，一些摄影爱好者会一连数日早起守候云海奇观，耗费大量的经济成本和时间成本。

云海是一种严重依赖于气象条件的自然景观，是山岳间充沛水汽与静稳大气层结等气象条件共同作用形成的特殊云层。云海的出现需要静稳的大气条件，因空气中水汽因辐射冷却达到过饱和而形成。云海和雾都有着共同的天气学成因，结合雾的特征分析研究[1，2]，有研究人员对部分著名景点的云海景观进行过天气学分析并结合天气过程进行预报[3，4]，传统上针对云海或雾的研究主要是运用天气学原理和气候学特征寻找指标群，依赖预报员经验结合水汽和静稳天气形势综合判断做出预报，云南的云海地域跨度小，仅局限于数千米范围的地域内，使用常规低解析度的数值预报产品即使是同化后的资来进行预报模拟，不确定性太高，建立局地加密区域站观测，利用数理统计方法建立本地化的预报回归方程才是经济合理的技术路线。

云海预报服务一般附属于其他气象服务业务系统的一部分，缺乏专门针对基层云海预报服务的业务系统。基于局地云海观测开发一套适合基层使用的云海预报服务业务系统很有必要[5-7]，原因有二：一是云海作为一种局地景观现象，一般局限在县域内，空间分辨率在千米级别，和当地下垫面自然环境关系密切，寻找普适预报方法及指标不可能，需要当地预报人员不断总结提炼适合当地的云海预报方法和预报指标；二是现有的气象服务业务系统功能模块较多，学习、部署及维护成本较高，不适合基层气象部门直接拿来开展云海旅游气象服务业务工作使用。

1 系统设计

1.1 架构设计

系统按照软件工程“高内聚低耦合”的思想采用3层架构设计[8-11]，如图1所示。考虑到系统用户群固定在气象台站内部使用，为提供更快的响应速度和灵活的人机交互，同时考虑到维护和管理工作量不大，设计使用C/S（客户机/服务器）架构。

表现层用于系统功能操作人机交互的界面展示和设计，为数据显示、数据查询等功能提供界面接口，为用户提供了交互的工具，也为显示和提交数据实现了一定的逻辑。

数据层完成读取数据或写入数据的工作，集合气象监测数据（含云海观测数据）、气象预报数据、预报方程参数、角色权限参数等各种不同类型的数据访问。

系统主要功能和业务逻辑都在服务层内进行处理，相当于中间类的作用，方便程序开发者维护管理，无需关注架构或底层数据变化，主要完成云海预报制作及发布、云海预报历史查询及建议、相关角色权限管理等功能。

1.2 安全设计

气象数据是气象业务、科研、服务、培训工作的基础资料，也是国家经济建设、国家安全建设的重要信息资源。做好气象数据安全管理和利用，是发挥气象数据在提高气象预测预报能力、气象防灾减灾能力、应对气候变化能力、开发利用气候资源能力的基础。网络安全对于气象业务的重要性不言而喻，需要严格气象数据访问授权，加强对气象数据访问、加工利用和对外服务的记录与审计，保障气象数据安全。

所有客户端均部署于气象内网，仅系统运行的预报方程参数、系统参数、角色权限参数和云海预报结果存放于公网阿里云数据库中，便于管理和维护，用户口令等数据都加密存储，针对注入攻击要增加安全防范代码，提升安全性。系统通过气象广域网访问气象监测数据，系统部署终端设备应关闭不需要的系统服务和高危端口；设备口令强度应满足规定要求；应通过接入方式等对设备管理进行限制；能够发现可能存在的漏洞，经测试评估后修补漏洞；应能够检测到对重要节点进行入侵的行为，并在发生入侵时提供报警。要求主机和终端必须安装防护软件并定期进行升级，免受恶意代码的攻击。

1.3 系统部署设计

良好的系统拓扑架构不仅能提高系统的性能，也为系统的安全稳定运行提供良好的保证机制。云海景观预报系统设计支持不同基层台站同时使用，实现了多区域、多用户的扩展功能，便于推广，为加强安全防护和节约维护运营成本，系统基于最小数据原则同时考虑到可扩展性进行云平台部署，系统部署设计如图2所示，气象云数据中心位于气象部门内网，即气象内网（China Integrated Meteorological Information Service System， CIMISS）基础平台[12]，系统通过MUSIC标准接口调取CIMISS中的数据，萤石云是海康公司提供的私有云监控系统，云海站点的历史和实时影像可用通过萤石云观看，云海预报历史数据放在阿里云数据库中，不同台站只需要配置各自数据接口和角色权限即可使用。

1.4 功能模块设计

系统功能设计成预报制作、历史预报查询、历史预报检验、系统设置四大模块，如图3所示。预报制作模块用于录入数据，调取并显示后台数据库的云海气象站数据、天气预报数据和云海实时监控网页，根据预报模式方程计算出结果给出云海预报建议，人机交互后生成云海预报结果。历史预报查询模块能够对云海预报、实况和气象要素数据进行历史查询和浏览。历史预报检验模块能够对指定时间段云海历史预报数据进行预报检验，得出云海预报准确率、空报率和漏报率。系统设置模块用于预报人员角色设置及云海预报使用的气象站点信息及数据接口的参数设置。

1.5 数据设计

系统运行所需要的全部数据都来自气象部门。实现云海预报需要云海地区梯度气象观测的气压、气温、湿度、风向风速、降雨量、逆温等气象观测要素数据，需要记录当地的天空状况、日出日落时间及预报的气象要素和天空状况信息，还需要记录观测到的云海出现日期时间数据，通过以上数据分析得出预报方程，系统使用预报方程计算出预报结果，预报员可以通过人机交互综合判断未来是否出现云海的预报结果。系统运行还需要角色、安全、维护等后台参数数据。

1.6 角色设计

本系统主要在气象部门内部使用，考虑功能结构，仅划分为超级管理员、管理员和预报员3个角色。超级管理员用于系统各类后台数据接口设置及注册管理员。管理员不可维护设置数据接口，可以维护本地的站点信息，可以注册新预报员，并拥有预报员所有操作权限。预报员角色可以使用预报制作、预报历史查询、历史预报检验3个功能模块。角色对应功能用例图如图4所示。

2 系统实现

2.1 软硬件条件及开发技术

本系统运行于Windows操作系统，需.NET环境支持，依托气象内网气象信息共享平台（CIMISS）统一数据环境和服务接口，简单配置数据接口参数及录入台站信息后即可使用。应用程序基于C#语言开发，后台参数数据使用阿里云数据库存储，支持SQL Server，气象数据环境以CIMISS基础平台为支持，无需单独维护及支付版权费用，安全稳定。

2.2 界面功能实现

系统界面按照前文1.4节的功能模块设计的四项功能进行划分，实现：1）调取后台数据库的云海气象站数据、预报系统预报数据和云海监控网页，根据预报模式方程给出云海预报建议，人机交互后生成云海预报结果。2）對云海预报、实况和气象要素数据进行历史查询和浏览。3）对云海历史预报数据指定时间段数据进行预报检验得出，云海预报准确率、空报率和漏报率。4）后台参数设置修改功能。

操作人员输入用户名、密码等信息登录后，系统界面如图5所示。点击软件上部的“预报制作”“历史预报查询”“历史预报检验”“系统设置”标签切换到各自功能模块的界面。

由图5可知，系统考虑了多区域、多用户的扩展功能，便于在不同地区推广使用，同一地区可能有多个云海地点，一个气象局有多个预报员来制作云海预报，预报员登录后选择不同云海预报地点。灰显部分是系统自动调取相关数据，仅能浏览无法修改内容，其他非灰显部分可以由预报员人机交互修改，点击“打开云海监控网页”按钮，会弹出萤石云界面，输入萤石云的用户名、密码信息登录后，可以查看是否出现云海，在系统输入云海的出现与消散时间，然后点击“预报保存”按钮，会弹出保存成功的提示，预报制作成功。

云海出现与否属于一种二分类（即有/无）预报，笔者曾对比过[4]逻辑回归、决策树、支持向量机三种模型预报准确率，TS评分差别不大，考虑到逻辑回归模型实现的简便性和结果的可数值化，本系统暂使用逻辑回归模型结果作为自动预报结果显示给预报员，预报员可以根据预报经验人机交互操作修改预报结论。某站点的云海预报方程如下式所示，不同站点不同年份的预报方程选取的预报因子及权重都有不同，其预报因子及权重暂由超级管理员统一维护，存入后台数据库中，由系统调用，普通预报员无法修改预报方程参数。

其中，p表示云海出现概率；x1表示当天是否出现云海（1为出现，0为未出现）；x2表示日最大逆温值（0.1 ℃）；x3表示预报最高气温（0.1 ℃）。

云海历史预报查询界面如图6所示，选择相应时间段和“预报地点”后，点击“查询”按钮，显示相应时间段的数据列表，历史预报列表包含站点观测日数据、云海起止时间、云海预报结果、当天天气实况及当天预报结果等全部数据，仅能浏览不可以修改。

使用历史预报的数据，依据中国气象局《中短期天气预报质量检验办法》中的评分公式可以直接计算出各时间段内的预报准确率、空报率、漏报率等数据，为便于预报员撰写材料及汇报展示使用，系统提供历史预报检验功能，功能界面如图7所示。

3 结论

云海作为局地景观，和当地自然环境关系密切，需要当地预报人员不断总结气候特征和提炼预报指标，针对基层预报员开发专业的云海预报系统很有必要，本系统已在玉溪市基层气象台站使用，多年观测总结云海多发生在晴朗、微风、近地面水汽充沛的早晨，一般在冬季、初春和深秋时节发生概率比较大，在夏季发生较少，因为气温升高会使云凝结的高度升高，云层底部超过山顶。因此看不到云海，多年平均TS预报评分最高可接近50分，总体准确率稳定在70%以上，最高可达80%以上。

云海预报系统的使用丰富了对云海景观成因与预报研究的认识，有利促进了当地气象部门针对旅游气象服务工作科技含量和工作效率提升，系统安装和操作简单，使用直观便捷，集成预报、历史查询、预报检验、参数设置等实用功能，适合基层气象预报人员不断总结提炼适合当地的云海预报方法和预报指标，开展云海旅游气象服务业务工作使用。

本系统考虑了多区域、多用户的扩展功能，便于在不同地区推广，可以满足基层气象预报员制作云海预报业务需求，但本系统使用的预报模型记录资料时间较短，预报模型是固定的，下一步还应该继续收集资料，尝试加入机器学习模型，针对不同区域自动改进预报模型，提升预报准确率。

随着气象大数据云平台（“天擎”）上线，CIMISS平台即将下线，为正常运行本系统，今后需要升级系统的数据接口到天擎平台。

参考文献：

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