智能预报众创平台的建设与应用

2023-10-30唐思瑜罗聪陈炳洪张华龙时洋潘心顺

广东气象 2023年5期

唐思瑜，罗聪，陈炳洪，张华龙，时洋，潘心顺

（1.广东省气象台，广东广州 510640；2.广州市气象局，广东广州 511430；3.佛山市气象局，广东佛山 528000）

社会各领域的不断发展对气象预报服务也提出了更加精准、精细的要求。美国从1990年开始图形化编辑器研究，2002年开展格点业务试运行，带动其他国家开始建设精细化格点业务。广东于2008年开展基于格点的交互订正预报平台研发，2015年率先完成省市联动的网格预报业务运行，2016年的《现代气象预报业务发展规划》提出了无缝隙、精准化、智慧型的发展方向，稳步推进全国智能网格预报业务试验，旨在构建更高分辨率、更高准确率、更新更及时的智能网格预报“一张网”，也逐步形成一套完整的智能网格预报业务体系［1－4］。

多年来，广东的预报员在暴雨、雨雪相态预报等方面也积攒了丰富的定性预报经验［5－6］，若能将主观经验转化为客观订正算法并融入到网格预报平台，有利于进一步提升网格预报精准度，并实现经验的有效传承。基于上述原因，研发了智能预报众创平台，通过省市共研共用的众创机制，将主观预报经验转化为客观订正方法，强化网格预报业务的技术支撑，提升网格预报质量。

1 智能预报众创平台的架构设计

1.1 总体框架

基于智能网格预报平台（graphical interactive forecast tuner，GIFT）构建二次开发环境，以智能工具箱（intelligent tool box，ITB）为重要载体，采用B／S架构建立众智参与的智能工具管理平台，提供对智能工具箱的上传、下载及监控等管理功能。

平台总体框架如图1所示，其中管理平台类似于手机端的“应用市场”，每一个ITB对应着市场中的APP，而GIFT客户端就是使用智能工具箱的一部部“手机”。

图1 智能预报众创平台框架设计示意图

1.2 二次开发环境

为实现对GIFT中网格数据的交互订正，采用C＃语言构建了二次开发环境，提供二次开发库并实现特定的接口定义，供开发人员调用，从而实现智能工具箱的开发。智能工具箱的二次开发库（SDK）主要包括STDataType.dll、metedata.dll、meteclass.dll等程序集，提供了数据类型枚举、数据访问与管理、常见业务方法组件等功能。其中，metedata.dll是最为核心的一个类库，主要包括以下几大类：

（1）数据管理类（DataMng）：提供编辑场、参考场等开发者所需的系统数据读写；（2）地理信息管理类（GisMng）：提供当前编辑功能所选中的格点坐标，方便用户对多选数据进行自定义的修改；（3）选择管理类（SelectMng）：提供当前编辑环境下，用户选中的模式、要素、起报时间及时效等信息；（4）状态管理类（StatusMng）：提供工具执行进度信息显示和控制；（5）落区管理类（RegionMng）：提供与灾害落区相关的等值线数据信息；（6）常用功能实用类：包括DataUtil类与GridUtil类，提供网格插值等通用算法。

特定的接口定义包含工具的名字属性、功能属性、初始化函数，执行函数等信息，它封装在二次开发接口基类ToolBase中，进行智能工具箱的开发必须继承并实现该基类中的方法，最终编译成C＃动态库，即可在GIFT平台中进行动态加载，通过反射机制调用执行。

1.3 智能工具管理

智能工具管理平台旨在实现对智能工具箱的上传、审核、下载等进行统一管理。该平台采用B／S系统架构，利用Note.js搭建Web服务端实现展示界面的快速响应，采用Vue.js渐进式框架建立用户界面，选择Mysql数据库用于存储智能工具参数、操作日志等信息。平台包括所包括关键模块如图2所示。

图2 工具概览界面

工具概览模块提供了智能工具箱的自动推荐、分类检索和热点监控，并结合使用指数、下载次数、点赞次数、评论数量、技术难易度等5个维度进行加权得到综合指数，为工具的应用提供有效的参考。

工具上传模块是智能工具箱（ITB）上传的渠道，需提供工具库源文件、工具名称、要素类型、功能类型、开发者、使用说明等关键信息，供用户检索及下载。

任务管理模块供用户发布或接受研发任务，为网格预报技术研发需求提供出入口。

监控模块可查看预报工具的实时调用情况；统计模块以地图热力图、表格、曲线、饼状图等形式对智能工具箱进行分类统计，可从中挖掘尚未出现或可研究的方向；用户管理模块提供用户注册／登录、个人工具／任务管理及信息查看的功能；帮助模块提供了ITB开发手册、开发案例及常见问题解答。

1.4 智能工具箱（ITB）开发流程

智能工具箱（ITB）的开发是智能预报众创平台的核心，包括环境搭建、ITB开发、调试及发布4个步骤。

首先，在Visual Studio 2005（简称VS2005）或以上版本中创建基于C＃语言的动态链接库项目（即Class Library）、添加平台提供的二次开发库（SDK）引用并设置好项目的调试环境，结合GIFT客户端即可完成开发环境部署。

其次，基于二次开发库和自定义控件界面（可选）参数实现核心订正算法。ITB是统一界面布局的，以“雨量主客观融合”工具为例（图3a），开发者必须继承metedata.dll库的基类ToolBase并实现里面的方法（图3b），才能响应界面控件或工具按钮事件：Initialise（string configPath）方法旨在对工具进行初始化，例如读取自定义的配置文件或其他文件信息；GetParameterControl（）方法是对自定义的控件界面进行初始化，控件界面可包含工具的可视化说明及核心算法的参数设定；GetParameter（）方法返回与核心算法相关的交互参数，用于订正算法；“执行”按钮对应的是start（）方法，用于实现与网格数据的交互，其流程通常是通过metedata.dll类库获取所需的要素数据，利用自定义算法进行订正，最后将订正后的数据提交给GIFT平台进行可视化显示。至于“撤销”、“中止”、“打包”、“工具安装”、“恢复”及“关闭”按钮的功能已在GIFT平台中封装实现。当预报员设置好交互参数，点击“执行”按钮后，整个ToolBase中方法的定义顺序即为方法的执行顺序。

图3 雨量主客观融合智能工具界面（a）和智能工具开发的关键函数（b）

为了检验ITB的开发逻辑与功能实现是否正确，在VS2005环境下可直接启动ITB调试，在VS2005以上版本则需要在“调试”菜单下选择“添加到进程…”子菜单将已启动的GIFT客户端添加后进行间接调试，调试过程中可通过参数调整等优化算法。

最后，将调试成功生成的智能工具箱DLL文件与配置文件、依赖库、其他自定义文件一起打包，即可通过管理平台进行发布。

2 应用实例

智能预报众创平台已于2017年起投入业务运行，截至2022年3月共有67名省市开发人员合计研发了88个智能工具。按照功能分类，主客观融合、要素协调、时间协调等3类占比分别为19.8%、13.2%、24.2%；而按照要素分类，雨量、温度、风、其他要素的占比分别为37.4%、27.5%、11%、24.2%。

2.1 雨量主客观融合

雨量主客观融合智能工具是由广东省气象台开发，针对24 h降水量，基于精细数值预报背景场，融合预报员主观等级落区预报和模式降水的空间精细分布优势，恢复网格降水预报的精细时空分布特征。

2020年3月27日白天，受冷空气南下影响，粤北和珠江三角洲先后出现了暴雨局地大暴雨，并伴随8～10级短时大风。ECMWF模式预报（25日20：00（北京时，下同）起报）粤北至珠江三角洲北部有大雨到暴雨，强降水范围与实况较为吻合，但量级明显偏小，大雨、暴雨和大暴雨TS评分分别为0.368、0.020和0.0；均方根误差（RMSE）为21.4 mm。预报员主观落区预报对上述区域的降水量级做出了准确的订正，大雨、暴雨和大暴雨TS评分分别为0.357、0.279和0.476，其中暴雨和大暴雨的TS评分较模式有明显提升，但RMSE也有所增加，达到25.6 mm。利用主客观融合工具订正后的各量级TS评分与主观落区预报一致，RMSE降低为24.3 mm（图4）。

图4 雨量主客观融合智能工具个例应用效果

2.2 降水相态智能协调

降水相态智能协调工具是由河源市气象局开发，主要利用主观的降水、温度要素预报与数值模式（ECMWFTHIN或Grapes）的高空要素预报，结合4类相态的判断条件参数调整，最终实现降水相态的智能生成（图5a）。

图5 降水相态智能协调工具个例应用效果

受寒潮影响，2018年12月28到31日间，韶关、清远的北部先后出现了冻雨、雨夹雪、雪和雨凇天气。高寒山区连续4 d温度在0℃以下，30日早上至31日早上，是固态降水范围最大的一天。以31日07：00降水相态实况为例，雨夹雪和冻雨落区扩大至肇庆北部、清远的三连、阳山县以及韶关的中北部地区（图5b曲线所示）。从降水相态智能协调工具应用后的精细化相态预测结果（图5b网格场）可见，韶关、清远的北部地区普遍预报固态降水，与实况较为符合。