基于特殊天氣的氣象仿真服務(wù)模型研究

王小東， 劉胤田

(成都信息工程大學(xué)軟件工程學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

氣象服務(wù)是指基于大氣科學(xué)的理論與技術(shù)，根據(jù)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事等需要，向社會(huì)提供各類的工作，而氣象服務(wù)的最主要的形式就是氣象信息服務(wù)［1］。航空與氣象的關(guān)系非常密切，航空氣象的工作包括:建立航空氣象哨、臺(tái)(站)、網(wǎng);配置觀測設(shè)備、傳輸手段和各類計(jì)算機(jī);整理編制、分析研究、存儲(chǔ)和檢索氣象資料;發(fā)布各種天氣報(bào)告和航空天氣預(yù)報(bào)［2］。氣象中的氣象要素和天氣現(xiàn)象對航空技術(shù)裝備的飛行活動(dòng)的有著巨大的影響，軍用和民用航空都重視在各種天氣現(xiàn)象條件下的飛行訓(xùn)練，氣象仿真服務(wù)旨在為飛行活動(dòng)模擬出真實(shí)的氣象環(huán)境。而飛行模擬器在當(dāng)今的民用和軍用飛行訓(xùn)練方面起著不可替代的作用。飛行模擬器的大氣解算模型就是獲取氣象仿真服務(wù)所提供的氣象數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)解算后提供給航電火控、飛行控制系統(tǒng)［3］。傳統(tǒng)飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，飛行模擬器使用氣象仿真服務(wù)的不足之處:(1)只模擬簡單天氣，沒有提供復(fù)雜危險(xiǎn)的特殊天氣系統(tǒng)的描述，例如雷暴、颮線、下?lián)舯┝鞯取?2)氣象模型簡單，缺乏隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)推演。(3)虛擬現(xiàn)實(shí)視景中氣象要素缺乏，難以提供沉浸感，比如風(fēng)的描述。(4)訓(xùn)練員難以從座椅抖動(dòng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和各種飛行儀表上感受氣象要素對飛行的影響，產(chǎn)生這些問題主要都是由于缺乏接近真實(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的氣象數(shù)據(jù)支撐。如果源數(shù)據(jù)提供的氣象要素本身就是連續(xù)、動(dòng)態(tài)、接近真實(shí)的話，自然可以為飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供仿真的氣象環(huán)境，而數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式(Weather Research Forecast，WRF)被公認(rèn)為可以提供精確的數(shù)據(jù)支撐，而王再奎等提出利用WRF這種氣象預(yù)報(bào)模式進(jìn)行精確氣象仿真的思路［4］。

傳統(tǒng)的特殊天氣現(xiàn)象的氣象數(shù)據(jù)獲取是從某個(gè)地區(qū)的歷史氣象資料里篩選出需要的某類已經(jīng)發(fā)生過的特殊天氣現(xiàn)象，這樣做主要有兩點(diǎn)不足:(1)既然是特殊天氣，出現(xiàn)的頻率和范圍因地區(qū)而異，歷史氣象資料的篩選周期很長。(2)歷史資料的特殊天氣現(xiàn)象的氣象數(shù)據(jù)包含位置、尺寸、地形等關(guān)聯(lián)信息，無法復(fù)用。文中構(gòu)建的氣象仿真服務(wù)模型WRF模式的數(shù)值模擬的氣象數(shù)據(jù)的輸出作為原始資料，篩選裁剪后構(gòu)建特殊天氣庫;通過構(gòu)建氣象仿真環(huán)境來加深仿真效果;提供了飛行實(shí)體在某個(gè)位置的服務(wù)請求的實(shí)時(shí)響應(yīng)。該服務(wù)模型不僅能夠滿足飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對特殊天氣的和尺寸多樣性的需求，也解決了傳統(tǒng)飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的所使用氣象仿真服務(wù)的不足。

1 氣象仿真服務(wù)

1．1 特殊天氣與WRF模式

在眾多天氣現(xiàn)象中，對飛行安全造成威脅的主要是雷暴、低能見度、低空風(fēng)切變、颮線、下?lián)舯┝?、臺(tái)風(fēng)、積冰等。雷暴是飛機(jī)在飛行中遇到最惡劣的危險(xiǎn)的天氣之一，如果飛機(jī)起飛必經(jīng)之道上有雷云封道，那么飛機(jī)就無法起飛。低能見度天氣對飛機(jī)的起降有很大影響，地面能見度低，容易產(chǎn)生迷航和偏航;當(dāng)機(jī)場能見度低于350 m，飛機(jī)就無法起飛;能見度低于500 m時(shí)，飛機(jī)就無法降落;能見度低于50 m，飛機(jī)無法滑行。而低空風(fēng)切變是在近地面600 m高度以下，強(qiáng)烈的風(fēng)速和風(fēng)向的變瞬間變化可以迫使飛機(jī)失速或者失控導(dǎo)致飛行事故。所以文中的氣象仿真服務(wù)就是仿真這些威脅飛行活動(dòng)而具有危險(xiǎn)性和代表性的天氣現(xiàn)象作為特殊天氣現(xiàn)象，而WRF數(shù)值預(yù)報(bào)模式已經(jīng)成為這一類中尺度的復(fù)雜天氣系統(tǒng)(比如雷暴、下?lián)舯┝鞯?的模擬工具。WRF預(yù)報(bào)模式是由美國研究、業(yè)務(wù)及大學(xué)的科學(xué)家共同參與開發(fā)研究的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)，這是一種完全可壓非靜力模式，采用Arakawa C網(wǎng)格［5-6］。WRF模式具有模擬和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的功能特點(diǎn)，能夠進(jìn)行對流天氣系統(tǒng)模擬、天氣要素預(yù)報(bào)、渦旋中尺度對流系統(tǒng)預(yù)報(bào)、陸面模擬、降雨模擬等;WRF模式之所以具有動(dòng)態(tài)連續(xù)的特點(diǎn)，是因?yàn)閃RF模式具有時(shí)間積分方案，高頻部分采用時(shí)間分裂積分，低頻部分采用三階時(shí)間積分方案;WRF模式有高度模塊化和分層設(shè)計(jì)的軟件框架，為用戶選擇模式性能和進(jìn)行預(yù)報(bào)提供便利。

關(guān)于WRF模式作為危險(xiǎn)飛行活動(dòng)的特殊天氣現(xiàn)象模擬的可行性和準(zhǔn)確性，相關(guān)研究工作表明就WRF模式應(yīng)用的現(xiàn)狀來看，對不同中尺度天氣形勢進(jìn)行個(gè)例模擬是其應(yīng)用最廣泛的一個(gè)領(lǐng)域，包括對各種降水過程(如區(qū)域性強(qiáng)降雨、降雪過程、深對流系統(tǒng)引起的降水等)和臺(tái)風(fēng)個(gè)例的模擬。付偉基等［7］中對洛陽市偏東南暖濕氣流中的雷暴進(jìn)行了模擬預(yù)報(bào)，結(jié)果驗(yàn)證WRF模式在模擬弱強(qiáng)迫天氣系統(tǒng)雷暴是一條可行途徑;李夢婕等［8］應(yīng)用WRF模擬再現(xiàn)了發(fā)生在北京的一次中尺度下?lián)舯┝鞯男纬膳c演變過程。下?lián)舯┝?、雷暴、切變風(fēng)、颮線、順風(fēng)、大側(cè)風(fēng)等天氣系統(tǒng)對飛行活動(dòng)造成巨大影響的危險(xiǎn)特殊天氣，也構(gòu)成文中的氣象仿真服務(wù)所提供的特殊天氣現(xiàn)象集合。

1．2 服務(wù)模型描述

整個(gè)氣象仿真服務(wù)模型由3個(gè)主模塊組成。

(1)基于WRF的特殊天氣模板庫的生成模塊:該模塊主要通過將WRF模擬出的具有時(shí)空特性的特殊天氣的氣象要素經(jīng)緯度無關(guān)化、清洗、裁剪、篩選來制作成特殊天氣模板庫，從而達(dá)到類似印章復(fù)用，可以做到將多個(gè)特殊天氣放置于指定的模擬大氣中。

(2)基于動(dòng)畫播放的氣象仿真環(huán)境的構(gòu)建:WRF模式就是可以用來模擬某個(gè)天氣現(xiàn)象在某個(gè)位置的一次出現(xiàn)過程，整個(gè)過程可以在指定時(shí)間步長進(jìn)行氣象要素輸出，該模塊利用每個(gè)時(shí)間片的輸出作為該天氣現(xiàn)象推演的一幀，整個(gè)的氣象的生、消類似于某個(gè)動(dòng)畫的播放，從而讓氣象仿真服務(wù)所提供的氣象環(huán)境仿真效果更好。

(3)基于實(shí)時(shí)位置的服務(wù)請求響應(yīng):既然針對飛行模擬訓(xùn)練，所服務(wù)的對象就是飛行實(shí)體，飛行實(shí)體能夠請求實(shí)時(shí)位置的氣象數(shù)據(jù)。通過構(gòu)建好的氣象仿真環(huán)境，輸入氣象資料插值計(jì)算，為某個(gè)經(jīng)緯度位置的飛行實(shí)體提供氣象要素?cái)?shù)據(jù)。

氣象仿真服務(wù)模型的輸入為3方面:(1)WRF模式預(yù)報(bào)所產(chǎn)生的特殊天氣的氣象要素集合。(2)控制臺(tái)的輸入:包括特殊天氣的出現(xiàn)位置、全局天氣的設(shè)置等。(3)飛行實(shí)體的所處經(jīng)緯位置。該氣象服務(wù)模型的輸出就是某個(gè)位置的氣象要素集合所封裝的對象。結(jié)合輸入輸出和3個(gè)主模塊所構(gòu)成的氣象服務(wù)模型全局框圖如圖1所示，虛線部分表示存儲(chǔ)，箭頭表示數(shù)據(jù)流。

圖1 整個(gè)氣象服務(wù)模型全局框圖

圖2 WRF模式運(yùn)行結(jié)構(gòu)層次圖

2 基于WRF的特殊天氣模板庫生成

2．1 WRF模式作為模型輸入

WRF模式采用Fortran 90、Fortran 77及C++語言編寫，運(yùn)行在Unix平臺(tái)上，輸入輸出都是二進(jìn)制文件，需要輸入/輸出應(yīng)用程序(如netCDF數(shù)據(jù)庫)支持，而WRF模式程序本身對模擬區(qū)域的選擇、初邊值條件、側(cè)邊界嵌套方案及模式中一些主要的物理過程參數(shù)化方案(如積云對流和陸面過程方案)很敏感，所以WRF模式的各種天氣的數(shù)值模擬需要設(shè)定參數(shù)化方案，表1是某次下?lián)舯┝髂M的參數(shù)化方案的參數(shù)設(shè)置樣表，列出了主要參數(shù)設(shè)置情況。圖2表示Linux服務(wù)器安裝WRF模式后運(yùn)行的層次結(jié)構(gòu)。

表1 下?lián)舯┝髂M的參數(shù)化方案的主要參數(shù)設(shè)置樣表

2．2 特殊天氣模板庫生成

2.2.1 構(gòu)建天氣庫過程

針對這些模擬的特殊天氣氣象數(shù)據(jù)能夠復(fù)用、可隨意放置、尺寸大小可選的特點(diǎn)，氣象仿真服務(wù)構(gòu)建一種多尺寸、多種類、不同分辨率的特殊天氣倉庫生成模型，整個(gè)特殊天氣模板庫的生成過程如圖3所示，整個(gè)生成過程的描述如下:

Step1 運(yùn)行WRF模式的后處理程序，輸出氣象要素?cái)?shù)據(jù)。

Step2 氣象可視化分析軟件來進(jìn)行輔助分析Step 1過程的氣象要素，來分析某個(gè)特殊天氣現(xiàn)象的要素分量的特征;如果不是該特殊天氣的典型描述，丟棄該組氣象要素，重新WRF模式，跳轉(zhuǎn)Step 1重新進(jìn)行下一次生成過程。

Step3 對可能所選地理地區(qū)本身就具有一定的地形特征而導(dǎo)致氣象要素取得無效數(shù)值的氣象要素?cái)?shù)據(jù)(比如多山地區(qū)的近地面的部分格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)就會(huì)缺失)進(jìn)行清洗。

Step4 根據(jù)Step 2分析出的特殊天氣中心點(diǎn)以及飛行活動(dòng)的時(shí)間長短，針對飛行模擬訓(xùn)練的模擬世界區(qū)域重疊擬合，需要對Step 3清洗后的氣象要素進(jìn)行區(qū)域邊緣上的裁剪。

圖3 特殊天氣模板庫生成過程

Step5 針對特殊天氣模板隨機(jī)放置虛擬大氣的需要去除經(jīng)緯度屬性的數(shù)據(jù)，進(jìn)行經(jīng)緯度無關(guān)處理。

Step6 再次使用氣象可視化軟件進(jìn)行輔助篩選，對一組某種特殊天氣現(xiàn)象的氣象要素按照選取約束條件集合(比如氣象要素閾值、氣象要素取值范圍等)進(jìn)行篩選形成特殊天氣模板文件。

Step7 通過特殊天氣庫分類管理程序?qū)tep 6篩選出的特殊天氣模板文件按表2給出的字段屬性進(jìn)行分類歸檔。

表2 特殊天氣模板屬性描述表

2.2.2 特殊天氣特征分析

模型從驗(yàn)證WRF模式的模擬結(jié)果角度出發(fā)，通過一些輔助分析的方法來提高特殊天氣模板的準(zhǔn)確性和典型性。WRF模式經(jīng)過run-hour后的計(jì)算，最后以二進(jìn)制格式文件(比如nc格式)的方式輸出。這樣的輸出結(jié)果需要使用WRF模式后處理程序［9］(比如wrfcnv、netcdf-for-matlab)進(jìn)行處理讓其他的一些分析軟件(比如micaps、matlab)可以導(dǎo)入進(jìn)行后續(xù)的輔助分析。下面列舉某次典型的半徑30 km的下?lián)舯┝魈鞖饽０逯饕治鲞^程:

Step1 通過氣象要素分析來確認(rèn)下?lián)舯┝髦行狞c(diǎn)位置和覆蓋區(qū)域。圖4顯示時(shí)間為4:20時(shí)刻近地面(只截取了與下?lián)舯┝鞯闹行膮^(qū)域)水平風(fēng)場示意圖，圖中顯示出下?lián)舯┝鞯闹行奈恢靡约案采w的范圍;圖5顯示了下?lián)舯┝鞯牡湫吞卣鳎诮孛娓叨?300 m左右到近地面900 m的之間范圍有明顯的下沉垂直風(fēng)。

圖4 4:20水平風(fēng)場要素示意圖

圖5 4:20垂直風(fēng)場要素示意圖

Step2 分析出每個(gè)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的極值是否分布在約束條件的范圍內(nèi)。表3顯示出這次下?lián)舯┝魈鞖獠糠謺r(shí)刻模擬輸出的水平風(fēng)速的極值。

Step 3從下?lián)舯┝魃w的區(qū)域裁出剪天氣區(qū)域格點(diǎn)，轉(zhuǎn)換為氣象服務(wù)模型能夠讀入的特殊天氣模板數(shù)據(jù)格式。圖4所示的下?lián)舯┝鞑眉舫鲋行奈恢弥車母顸c(diǎn)的天氣區(qū)域。

表3 圖示區(qū)域最大水平風(fēng)速

Step4 分析整個(gè)生命周期的特殊天氣后，根據(jù)對應(yīng)屬性標(biāo)簽分類存入特殊天氣模板庫中。

3 基于動(dòng)畫播放的氣象仿真環(huán)境的構(gòu)建

3．1 動(dòng)畫播放原理

根據(jù)1.1小節(jié)所描述，WRF模式本身具有時(shí)間積分方案，所以在每個(gè)時(shí)間步長都會(huì)有生命周期里某個(gè)時(shí)刻的氣象要素輸出，根據(jù)該特點(diǎn)，將氣象數(shù)據(jù)推演原理類比于一組動(dòng)畫的播放，設(shè)計(jì)氣象數(shù)據(jù)幀這種類來存儲(chǔ)某個(gè)時(shí)刻的氣象輸出。表4描述氣象數(shù)據(jù)幀的屬性內(nèi)容。

表4 氣象數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述表

圖6 氣象數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)推演模型結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)動(dòng)畫設(shè)計(jì)手工繪制的圖片經(jīng)過“線拍”(圖像掃面過程后)進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理;現(xiàn)代動(dòng)畫設(shè)計(jì)是由原畫人員先進(jìn)行線稿繪制，動(dòng)畫人員進(jìn)行逐幀細(xì)化，譚潔在文獻(xiàn)［10］描述了動(dòng)畫創(chuàng)作的4個(gè)重要步驟:文件處理、幀處理、動(dòng)畫處理、格式轉(zhuǎn)換。文中的氣象仿真服務(wù)模型的特殊天氣庫生成對應(yīng)于文件處理;氣象數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)推演對應(yīng)于幀處理和動(dòng)畫處理。氣象幀的氣象要素以高度分層構(gòu)成氣象幀圖層類比于動(dòng)畫幀圖層，從而達(dá)到組成特殊天氣動(dòng)畫一幀的效果。

3．2 氣象仿真環(huán)境構(gòu)建

一組氣象數(shù)據(jù)幀組成了某種特殊天氣動(dòng)畫，用來描述這個(gè)特殊天氣系統(tǒng)從產(chǎn)生到消亡，通過申請一個(gè)與氣象數(shù)據(jù)幀大小是一樣的緩沖塊，專門緩存下一時(shí)刻的特殊天氣模板數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)特殊天氣演變，直到控制臺(tái)撤銷這個(gè)區(qū)域的該特殊天氣。具體氣象數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)推演結(jié)構(gòu)見圖6。

只有給予時(shí)間的流動(dòng)才能讓靜止的幀運(yùn)動(dòng)起來，時(shí)間也是飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的核心概念，下面介紹幾個(gè)與時(shí)間管理相關(guān)的基本概念［11］。

(1)物理時(shí)間(Physical Time)物理時(shí)間是指物理系統(tǒng)中的時(shí)間，它是真實(shí)世界的自然時(shí)間。

(2)仿真時(shí)間(Simulation Time)仿真時(shí)間是仿真世界中的時(shí)間，通常也成為邏輯時(shí)間(Logic Time)。

(3)墻上時(shí)鐘時(shí)間(Wallclock Time)值仿真執(zhí)行過程中的參考時(shí)間，它通常來自于一個(gè)硬件時(shí)鐘，比如:2015年12月12日下午1點(diǎn)30分。

仿真時(shí)間T與物理時(shí)間t存在關(guān)系為

其中k是比例因子，用于擴(kuò)展或壓縮物理時(shí)間，t0是仿真開始或重新開始運(yùn)行時(shí)的物理時(shí)間，ΔT是偏差。

氣象仿真服務(wù)模型所服務(wù)的飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)有自己的物理時(shí)間和仿真時(shí)間，而仿真服務(wù)本身也是一個(gè)自我約束的仿真系統(tǒng)，有自己的物理時(shí)間和仿真時(shí)間，系統(tǒng)之間需要時(shí)間管理。典型異構(gòu)系統(tǒng)時(shí)間管理的案例就是高層體系結(jié)構(gòu)(high level architecture，HLA)，這種體系結(jié)構(gòu)的時(shí)間管理服務(wù)通過時(shí)間管理機(jī)制和時(shí)間管理策略來保證異構(gòu)獨(dú)立的系統(tǒng)之間仿真時(shí)間的協(xié)調(diào)推進(jìn)和數(shù)據(jù)交換。

4 基于實(shí)時(shí)位置的服務(wù)請求響應(yīng)

4．1 服務(wù)響應(yīng)流程以及接口描述

文中服務(wù)的是基于飛行實(shí)體的位置作為輸入，通過數(shù)學(xué)插值模型計(jì)算得出該位置對應(yīng)的氣象要素值。服務(wù)響應(yīng)流程圖如7所示。服務(wù)和服務(wù)對象本身就是一種供求關(guān)系，服務(wù)的觸發(fā)與響應(yīng)是基于消息機(jī)制，根據(jù)消息分類來調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)來從數(shù)據(jù)總線上獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)，與總線交互的接口描述見表5。

圖7 氣象仿真服務(wù)響應(yīng)流程

表5 接口描述表

4．2 格點(diǎn)數(shù)據(jù)插值模型

4.2.1 資料插值方法

之所以需要對氣象資料進(jìn)行插值資料，是因?yàn)榇嬖谝韵碌那闆r需要這一技術(shù)［12］:(1)插補(bǔ)因?yàn)?zāi)難、戰(zhàn)爭等造成的觀測缺失。(2)重建、延長代用資料。(3)把不規(guī)則測站上的記錄插到網(wǎng)格點(diǎn)上或反之。(4)把粗網(wǎng)格上的模擬插到細(xì)網(wǎng)格上(尺度下降down scaling)。早期的氣候資料插值都采用比較簡單的方法，如比例法、加權(quán)平均、線性回歸等，現(xiàn)在的資料插值同時(shí)考慮觀測資料的空間信息及模式信息，使得觀測資料盡可能更逼真。文中的氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)插值選擇的最常用也相對比較簡單的插值法:距離權(quán)重反比法。其表達(dá)式為

式中，n為用于插值的氣象格點(diǎn)的數(shù)目，D為實(shí)際觀測位置的氣象要素值，Di為第i個(gè)格點(diǎn)的實(shí)際氣象要素值，ωi為第i個(gè)格點(diǎn)的權(quán)重。ωi的權(quán)重函數(shù)是采用Cressman逐步訂正法，這是一個(gè)圓形權(quán)重函數(shù)，Ri為第i個(gè)格距離實(shí)際位置坐標(biāo)(X，Y)的歐氏距離，Rs為搜索圓的半徑。

4.2.2 插值計(jì)算模型

氣象格點(diǎn)是整個(gè)地球坐標(biāo)系由經(jīng)緯線分割而成，氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)就是某個(gè)特殊天氣系統(tǒng)在這個(gè)格點(diǎn)上的氣象要素的數(shù)值，氣象網(wǎng)格的劃分帶來飛行實(shí)體的位置并不會(huì)時(shí)刻恰好在格點(diǎn)上的問題，確切的說多數(shù)時(shí)刻的是不會(huì)在格點(diǎn)上的，所以，需要使用插值運(yùn)算來進(jìn)行down scaling來提供實(shí)時(shí)位置上的氣象數(shù)據(jù)。氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)本身是一種三維數(shù)據(jù)，文中用1個(gè)三維數(shù)組F［hight］［LongtitudeIndex］［Latitudelndex］，hight表示整個(gè)高度層分層的下標(biāo)，LongtitudeIndex表示整個(gè)特殊天氣覆蓋尺寸的經(jīng)向下標(biāo)，LatitudeIndex表示整個(gè)特殊天氣覆蓋尺寸的緯向下標(biāo)。

圖8表示氣象格點(diǎn)插值計(jì)算的數(shù)學(xué)抽象模型。圖8(a)表示一個(gè)飛行實(shí)體處在某個(gè)特殊天氣現(xiàn)象中，飛行實(shí)體所處在278 hPa高度(細(xì)網(wǎng)格)，278 hPa處于高度250 hPa和高度300 hPa之間，這兩層的氣象要素分別記錄在該雷暴特殊天氣模板的氣象數(shù)據(jù)幀的F［3］二維數(shù)組和F［4］二維數(shù)組中。

圖8 氣象格點(diǎn)插值計(jì)算的數(shù)學(xué)抽象模型

圖8(b)表示該飛行實(shí)體的位置抽象出的插值計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型計(jì)算步驟如下:

Step 1 如果飛行實(shí)體的位置在特殊天氣區(qū)域中，從該區(qū)域的幀緩沖塊中取出此時(shí)刻的氣象數(shù)據(jù)幀，存入到三維數(shù)組中;否則不做任何插值計(jì)算，使用全局天氣。

Step 2 根據(jù)天氣區(qū)域平面的左上角為原點(diǎn)O，求出飛行實(shí)體上下高度層映射點(diǎn)N1和N2周圍實(shí)際氣象格點(diǎn) A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2這個(gè)八個(gè)格點(diǎn)對應(yīng)的 LongtitudeIndex和 LatitudeIndex。

Step 3 獲取這八個(gè)格點(diǎn)對應(yīng)三維數(shù)組F［hight］［L0ongtitudeIndex］［LongtitudeIndex］的氣象要素集合。

Step 4 使用公式(2)分別計(jì)算出平面A1A2D1D2上的估計(jì)格點(diǎn)A和估計(jì)格點(diǎn)D;再計(jì)算出平面B1B2C1C2上的估計(jì)格點(diǎn)B和估計(jì)格點(diǎn)C。

Step 5 根據(jù)實(shí)際格點(diǎn) A，B，C，D使用公式(2)，最終計(jì)算出飛行實(shí)體位置的氣象要素值。

5 氣象仿真服務(wù)模型應(yīng)用

5．1 系統(tǒng)集成

所構(gòu)建的氣象仿真服務(wù)可以通過以下技術(shù)框架進(jìn)行系統(tǒng)集成開發(fā):

(1)通過組件技術(shù)平臺(tái)(比如 Microsoft.NET、CORBA、J2EE 等［13］)組件化為可重用、業(yè)務(wù)邏輯封裝良好的組件，裝配到其他系統(tǒng)中，通過組件平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)。組件是一種可部署的軟件代碼包，具有明確的接口，其他應(yīng)用軟件就是通過這些接口調(diào)用組件所能提供的服務(wù)［13］。組件可以是功能模塊、封裝的對象類、軟件框架、設(shè)計(jì)模式等，各個(gè)組件也可以看出相互獨(dú)立的功能系統(tǒng)。

(2)通過異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)互通“總線”框架(比如企業(yè)服務(wù)總線(enterprise service bus，ESB)、高層體系結(jié)構(gòu)HLA的數(shù)據(jù)軟總線)將彼此異構(gòu)獨(dú)立的氣象仿真服務(wù)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)。ESB是面向服務(wù)的(service oriented architecture，SOA)的基礎(chǔ)設(shè)施，目的是集成異構(gòu)平臺(tái)的應(yīng)用，為SOA提供服務(wù)的交互通信，協(xié)作和組合的基于網(wǎng)絡(luò)的分布式總線［14-15］;而高層體系結(jié)構(gòu)(high level architecture，HLA)作為一種分布式交互仿真框架，通過搭建數(shù)據(jù)軟總線以及構(gòu)建HLA標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)來管理聯(lián)邦(Federation)和聯(lián)邦成員(Federate)之間的交互通信，時(shí)間管理和聯(lián)邦管理。

5．2 模型應(yīng)用案例

氣象仿真服務(wù)的應(yīng)用案例是將氣象仿真服務(wù)作為飛行模擬系統(tǒng)的子服務(wù)掛載在基于HLA的數(shù)據(jù)軟總線上。從而為某海軍飛行訓(xùn)練中心的飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中提供氣象仿真環(huán)境的服務(wù)，氣象仿真服務(wù)作為該飛行模擬訓(xùn)練聯(lián)邦的一個(gè)聯(lián)邦成員。美國國防建模與仿真辦公室于1995年提出高層體系結(jié)構(gòu)作為分布式協(xié)同仿真的基本框架，并于2000年成為 IEEE標(biāo)準(zhǔn)［16］，成為協(xié)同仿真領(lǐng)域最為流行的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。該海軍飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)聯(lián)邦的所有聯(lián)邦成員統(tǒng)一使用HLA來構(gòu)建，而聯(lián)邦運(yùn)行支撐環(huán)境(run time infrastructure，RTI)是HLA的接口規(guī)范的具體實(shí)現(xiàn)。RTI作為HLA的核心部件具體實(shí)現(xiàn)了HLA接口規(guī)范，提供仿真運(yùn)行管理功能，提供底層通信傳輸服務(wù)，使仿真系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)充性，便于各個(gè)系統(tǒng)的組成部分即插即用。

圖9 飛行模擬訓(xùn)練聯(lián)邦層次結(jié)構(gòu)圖

圖10 飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)仿真框架

氣象仿真服務(wù)在該海軍飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的仿真效果表現(xiàn)方面:(1)特殊天氣現(xiàn)象相關(guān)的氣象要素(主要要素為雨、雪、霧)的可視化在飛行模擬器視景可視化場景中顯示。(2)特殊天氣現(xiàn)象相關(guān)的氣象要素值(主要是風(fēng))在飛行模擬器中的效果表現(xiàn)為座椅抖動(dòng)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的劇烈程度。(3)特殊天氣現(xiàn)象的仿真效果還表現(xiàn)為飛行員的直觀感受。這些結(jié)果的回收和匯總分析是提高仿真效果和特殊天氣模板庫里的特殊天氣模板的典型性，這也是文章下一步的仿真效果數(shù)據(jù)分析目標(biāo)。

6 結(jié)束語

構(gòu)建一種服務(wù)于飛行訓(xùn)練系統(tǒng)的氣象服務(wù)模型，模型考慮了復(fù)雜多樣的特殊天氣氣象數(shù)據(jù)的復(fù)用，同時(shí)具備氣象數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)推演的效果，能夠?yàn)轱w行員的模擬訓(xùn)練提供多種典型特殊天氣現(xiàn)象(例如:颮線、大側(cè)風(fēng)、風(fēng)切變、雷暴、順風(fēng)和下?lián)舯┝鞯?，并通過使用動(dòng)態(tài)推演模型模擬較為真實(shí)的天氣現(xiàn)象演變。氣象服務(wù)模型已經(jīng)應(yīng)用在某海軍飛行訓(xùn)練中心飛行訓(xùn)練系統(tǒng)中，整個(gè)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)使用HLA進(jìn)行互聯(lián)。氣象服務(wù)作為該飛行模擬訓(xùn)練總系統(tǒng)的一個(gè)子服務(wù)，最終完成為整個(gè)飛行環(huán)境提供模擬的特殊天氣現(xiàn)象。本氣象服務(wù)模型還存在以下問題:(1)由于WRF模式本身存在不足:模式水平分辨率問題;單次模擬存在偶然性問題，在構(gòu)建特殊天氣模板庫上需要多次模擬積累樣品。(2)未來的工作還需要考慮特殊天氣區(qū)域邊界和周圍全局天氣的氣象數(shù)據(jù)融合。(3)氣象格點(diǎn)插值選取了最易使用的插值方法，這種方法卻沒有對要素的固有特征進(jìn)行考慮，難免會(huì)降低仿真效果。

［1］ 邢恩從.航空氣象信息服務(wù)系統(tǒng)需求分析及資料處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2010.

［2］ 韓穎，蒲希.中國的氣象服務(wù)及其效益評(píng)估［J］.氣象科學(xué)，2010，30(3):420-426.

［3］ 樊諭涵，寧偉.飛行模擬器中的大氣數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34(13):21-23.

［4］ 王再奎，曾鳴，范毅晟.基于WRF模式的飛行模擬器中氣象仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013，(S1):25-34.

［5］ 高山，江崇波，劉桂艷，等.WRF模式在“大洋一號(hào)”隨船預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.海洋預(yù)報(bào)，2015，32(1):46-52.

［6］ SKAMAROCK W C，KLEMP J B，DUDHA J，et al.A Description of the Advanced Research WRF Version 3［R］.Ncar Technical Note，NCAR/TN-475 STR，2008.

［7］ 呂作俊，付偉基，陸漢城，等.WRF模式對弱強(qiáng)迫系統(tǒng)中雷暴預(yù)報(bào)個(gè)例研究［J］.氣象科學(xué)，2009(3):323-329.

［8］ 李夢婕，申雙和，李雨鴻.北京一次下?lián)舯┝鞯娜S數(shù)值模擬分析［J］.沙漠與綠洲氣象，2013，(6):22-29.

［9］ 李健群.基于WRF模式的下?lián)舯┝鲾?shù)值模擬［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

［10］ 譚潔.二維矢量動(dòng)畫創(chuàng)作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［C］.第十三屆全國圖象圖形學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，2006.

［11］ 周彥，戴劍偉.HLA仿真程序設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［12］ 蔡秀華，曹鴻興.資料插值的進(jìn)展［J］.氣象，2005，(8):3-7.

［13］ 胡勇.組件技術(shù)在企業(yè)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.

［14］ 曾文英，趙躍龍，齊德昱等.ESB原理、構(gòu)架、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44(25):225-228.

［15］ Martin Keen，Amit Acharya，Susan Bishop，et al.Patterns:Implementing an SOA using an Enterprise Service Bus［R］.IBM Redbook SG24-6364-00，2004.

［16］ IEEE Computer Society.IEEE standard for modeling and simulation(M＆S)highlevel architecture(HLA)-Federate Interface Specification(IEEE Std 1516.1-2000)［D］.New York:The Institute of Electrical and Engineers，2001.