对流天气预报系统的设计与实现

1、    对流天气预报系统的设计与实现    胡丽川摘要：强对流天气内部蕴藏着巨大的能量，它具有突发性、强度大、持续时间短的特点。强对流天气发生时，常伴随有强雷暴、大风（风切变）、下击暴流、冰雹、龙卷等恶劣天气现象，严重影响航空的飞行安全。本研发计划旨在研制和集成国内外先进的强流天气分析预报方法，设计并建设终端区对流天气监测分析预报系统，以提升终端区强对流天气预报能力，适应我国民航事业快速发展的紧迫需求。系统功能主要包括终端区对流天气临近预报，终端区对流天气短时预报，起降条件与航路预报，预报产品检验与评估。关键词：预报系统；临近预报；短时预报；leafle

2、t：tp311 ：a ：1009-3044（2016）05-0063-02abstract：strong convective weather internal contains a huge amount of energy， it has a sudden， the intensity is big， the characteristics of short duration. strong convective weather occurs， usually accompanied by a strong thunderstorm， strong wind （wind shear）， t

3、he critical flow， hail， tornado weather phenomenon， seriously affect the aviation flight safety. this research aims to develop and integrate advanced strong current weather analysis and prediction methods both at home and abroad， the design and construction monitoring analysis of convective weather

4、forecast system， terminal area strong convective weather forecasting ability in the terminal area to enhance the adapt to the rapid development of civil aviation industry in china urgent demand. system function mainly includes the meteorological data analysis and quality control， terminal area near

5、the convective weather forecasting， convective weather nowcasting， terminal area % e landing conditions and route.key words： nowcasting； forecasting system； shortterm forecast； leaflet机场常年对流天气频发，强对流天气强度强、次数多，严重威胁航班的正常与安全。为了在对流天气发生时有效利用有限的空域资源、合理安排飞行流量及高效安全地实施空中交通管理，航空用户需要掌握终端区对流天气的发生、发展和变化情况。而目前的机场预

6、报仅覆盖机场周围半径8公里范围内，无法满足用户的需求，所以必须针对终端区建立对流天气预报系统，填补机场与航路之间天气预报的空白。系统主要针对终端区的雷达、卫星、自动气象站、闪电定位仪、amdar、gps/met资料以及中尺度数值预报产品等多源资料进行融合处理，使用国内领先的短时、临近预报技术，建立终端区短临客观预报系统算法方案。该方案具备实时检验评分功能，拟定强对流天气的预报准确率达到60%，提前40分钟发布预报；可为建立终端区对流天气信息服务系统提供科学与技术支撑。系统建设基于现有中南区域常规、非常规气象资料及民航气象部门收集的航空气象观测资料，内容主要包括：终端区对流天气临近预报、终端区对

7、流天气短时预报、终端区域对流天气概念模型与中尺度分析、预报产品检验与评估、业务产品制作与展示、产品分发与共享。1系统结构根据系统的核心功能，将本系统划分为业务处理平台和基础支撑平台。业务处理平台负责强对流天气预报核心业务的运算，主要由各类气象数据分析和质量控制、终端区对流天气临近预报、终端区对流天气短时预报、终端区域对流天气概念模型与中尺度分析以及临近、短时预报实时检验评分等5个子系统组成。基础支撑平台是为5大核心业务子系统提供软件支撑和相应的产品服务，主要由数据管理、系统管理、产品制作与显示、数据共享与发布，以及综合业务监控等5个子系统组成。1.1数据中心数据中心涉及存储和管理相关的全部原始

8、数据、中间产品数据以及最终产品数据和图形等，并且数据中心为子系统提供一致的数据访问接口。其具体功能及处理流程主要有：1）根据预先设定的计划任务时间，通过ftp、internet httpget、dbmsapi以及网络共享等多种方式，定时主动获取或被动接收气象数据（文件），并将气象数据（文件）分类存放到临时存储区中。2）对获取的文件大小、命名方式等进行初步检验。3）对初验合格的文件进行各种预处理操作，包括命名规范化、文件格式规范化等，按照统一的命名规则对气象数据进行检查。4）对预处理后的文件进行质量检验，包括时间格式和有效性检查、数据完整性检查、数据准确性检查、文件名与数据内容检查、数据内容格式

9、检查等。 5）根据预设置的策略，依据文件名和数据内容，提取相应的元数据信息，并存储到元数据库中，用以提供其他业务子系统使用。6）根据预设置的策略，系统可自动或者手动从数据库中提取指定时间段、指定区域的若干种气象数据，按照输出格式模板或用户自定义格式，重新组织生成文件，形成个例集合，用于特定业务分析或对外进行发布。7）提供功能多样且操作简便的数据备份计划，可自动将本系统数据资料（包括各类文件和数据库）进行备份，其中数据库备份支持完全备份和增量备份。同时，还提供用户手动备份与恢复功能。8）根据不同数据的不同保存时限（该时限可由管理员用户设定），定时启动数据自动清理功能，将超过存储时限的数据进行清理

10、操作，并记录清理日志；在数据清理之前，将数据归档至指定位置，并提供归档之前的数据不能清理的设置，以保障数据的安全性。1.2业务中心该部分是本系统的核心，由终端区对流天气临近预报、终端区对流天气短时预报、临近/短时预报实时检验评分、气象数据分析和质量控制、终端区域对流天气概念模型5个子系统构成，这里重点介绍前三种。1） 终端区对流天气临近预报子系统。0-1小时的临近预报技术主要以主观预报为主，结合客观算法，同时参考高分辨率数值预报模式在临近预报中的应用。主观临近预报技术包括基于多普勒天气雷达观测数据并结合其他资料（常规高空和地面观测、气象卫星云图、快速同化循环的数值预报产品等）对雷暴生成、发展和

11、衰减，特别是对强对流天气（包括强冰雹、龙卷、雷暴大风和对流性暴雨）的临近预报。2）终端区对流天气短时预报子系统。1-6小时的对流天气短时预报技术，主要基于各种观测资料集成融合和中尺度数值预报产品，利用动力-统计或数值模式所做的预报。包括数值模式预报方法、概念模型预报方法、统计预报方法和blending技术。其中利用高分辨率数值预报模式产品作为背景场，与雷达回波外推融合，延长对流天气短时预报的时效，与各种观测资料融合得到快速更新的三维格点资料为雷暴和强对流风暴环境的判断提供重要参考。3）临近、短时预报实时检验评分子系统。该模块主要对临近及短时预报产品进行检验，主要评估相关预报算法的准确性，为后期

12、预报方法优化及临近短时预报质量的提高奠定基础。1.3管理中心该部分主要由综合业务监控、作业调度管理，以及系统管理系统组成。综合业务监控子系统负责监控本系统各业务进程的启动与运行，监控的内容主要包括系统守护进程运行状态、各计划任务执行完成情况、当前正在运行或准备运行的业务（进程）、系统cpu、memory、hard disk等硬件消耗情况，以及已运行程序的运行状态记录等。系统管理子系统，该子系统用以实现功能丰富的系统管理功能，包括文件策略管理、目录管理、基础信息管理、基数据管理、日志管理、主机配置管理以及在线帮助等功能。2 系统特点1）基于webgis显示技术。显示区域灵活可变，可粗可细；具有国

13、际水准的精细化临近、短时预报技术的业务系统，强对流天气预报能力国内领先，特别是1-6小时短时预报预警技术具有特色；2）智能化可配置的核心。该平台负责系统中气象核心业务的管理与配置算法程序的调度与监视，以及对远程主机状态、系统运行状态、作业及产品输出状态的监控等。监控对象主要包括系统守护进程运行状态、各计划任务执行情况、当前正在运行或准备运行的业务（进程）、系统cpu、memory、hard disk等硬件消耗情况，以及已运行程序的运行状态记录等。对于运行异常的程序做出警告，并根据策略配置，自动尝试重新激活相关程序。对死锁、死循环、持续占用cpu 资源等情况进行智能纠错，并根据策略配置决定是否终

14、止进程或重新激活。该平台采用双守护进程技术，最大程度地保障整个系统的持续稳定运行。3）气象大数据处理与网络化架构特色。本系统运用气象算法将采集到的数据（自动站数据，雷达数据等）根据业务需求形成不同的气象产品，并采用b/s模式来发布处理数据。由于航空气象业务系统面临数据量大，数据混杂，且对系统实时性、精细化要求较高，这对服务器端处理数据速度提出了很高的要求。因此本系统在气象数据处理过程中采用了c+语言作为处理数据语言，生成dll动态链接库，服务器端采用jni技术调用生成的dll，将处理后的数据返回服务器端，服务器端接受处理完数据信息后采用websoket技术将接收信息发送到web端，从而形成整个

15、气象大数据处理与网络化架构的整体衔接。4）采用高效实用的计算机新技术。首先是html5 + css3的运用，最新的web标准技术，代表了下一代html和css技术。其次是qt的运用，qt是一个跨平台的c+图形用户界面库，继承了c+的速度快、易使用、可移植性好的优点。qt是开源的，它有着优良的跨平台性。qt creator降低了开源程序的开发门槛。同时qt有着丰富的api，支持2d/3d图形渲染，支持opengl，对webkit 引擎也有很好的集成，可以实现本地界面与web内容的无缝集成。使用qt库来编写气象算法，不但节约大量的时间，还可以直接输出图像产品。第三是leaflet地图的运用，lea

16、fle是为移动设备设计的一款交互式地图，它最大的特点就是简单、性能强大、可用性强。leaflet的js库只有33k大小，有着数以百计的扩展插件，可定制性很高。它支持最新的html5和css3技术，能有效的在主流的桌面和移动平台使用。在气象平台和气象预报系统开发中应用leaflet，不但界面美观直接，体积轻巧，还可以通过广泛的插件来适应各式各样气象产品。参考文献：1 dixon m. titan user guide eb/ol. （2005）2009-07-20.http：/www.ra.lucar. edu/projects/titan/docs/.2 陈雷， 戴建华， 陶岚，cotrec雷达回波外推技术在降水临近预报中的应用c.中国气象学会2007年年会.3 林良勋.广东省天气预报技术手册m.北京：气象出版社，2006.4 刘建文.天