自動氣象站滑動一小時累積雨量報警軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

甄廷忠，李子平，張穎

（1.昆明市氣象局，云南昆明 650500；2.茂名市氣象局，廣東茂名 525000）

近年來，汛期短時強降水引發(fā)的洪澇、滑坡、泥石流、城市內(nèi)澇等災(zāi)害時有發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失［1]。做好汛期短時強降水監(jiān)測和報警服務(wù)已經(jīng)成為各級氣象部門汛期氣象服務(wù)的重要內(nèi)容［2-3]。自動氣象站是一種能自動觀測、存儲和傳輸氣象數(shù)據(jù)的設(shè)備［4]，短時強降水的監(jiān)測依據(jù)主要是自動氣象站的雨量數(shù)據(jù)［5]，隨著氣象現(xiàn)代化的不斷推進，自動氣象站數(shù)量、觀測數(shù)據(jù)種類和頻次不斷增加［6]，對短時強降水的監(jiān)測和報警提出了更高的要求。

目前，國內(nèi)已有許多自動氣象站雨量報警方面的研究，如杜小松等［7]研發(fā)了區(qū)域自動站報警系統(tǒng)；劉鑄飄［8]設(shè)計了自動站實況圖形監(jiān)控及災(zāi)害預(yù)警程序；常國旭等［9]開發(fā)了自動站實時短信報警系統(tǒng)。但這些研究大部分是基于單時次數(shù)據(jù)或基于小時數(shù)據(jù)的整點到整點的累積數(shù)據(jù)的監(jiān)測和報警。自動氣象站的雨量觀測原理是從整點開始累積雨量數(shù)據(jù)，分鐘數(shù)據(jù)以固定頻次上傳一次數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)不清零；直到下一個整點時刻上傳小時雨量數(shù)據(jù)后清零，開始進行下一個小時雨量數(shù)據(jù)觀測［10-11]。故基于單時次數(shù)據(jù)的監(jiān)測和報警，時間跨度短，缺乏連續(xù)性［12]，雨量數(shù)據(jù)可能被觀測設(shè)備整點分割造成漏報；基于小時數(shù)據(jù)的整點到整點的累積數(shù)據(jù)監(jiān)測和報警，時間間隔大，時效性不高［13]。昆明市有近700個區(qū)域自動氣象站，觀測以2和6要素為主，觀測頻次為5 min。其中有400多個自動氣象站實行雙通道傳輸，數(shù)據(jù)同時存入省級數(shù)據(jù)庫和市級數(shù)據(jù)庫，剩余200多個自動氣象站實行單通道傳輸，數(shù)據(jù)全部存入市級數(shù)據(jù)庫。面對海量的觀測數(shù)據(jù)，昆明市各級氣象部門只能依靠自動站廠家配發(fā)的軟件和云南省短臨預(yù)報預(yù)警一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)（下稱“一體化系統(tǒng)”）對各站點各要素值進行查詢、監(jiān)測和報警，自動站廠家配發(fā)的軟件可以查看全市所有站點的數(shù)據(jù)，但沒有報警功能；一體化系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)報警，但只能對400多個省級站點的小時數(shù)據(jù)進行報警，已經(jīng)無法滿足日益精細的氣象業(yè)務(wù)服務(wù)要求。故有必要根據(jù)昆明市自動氣象站觀測業(yè)務(wù)實際情況，研發(fā)基于昆明市市級數(shù)據(jù)庫中分鐘雨量數(shù)據(jù)的滑動1 h累積雨量監(jiān)測和報警軟件。

1 場景分析

在實際降水過程中，降水時空分布不均。例如短時強降水發(fā)生在11：30至12：30（北京時，下同），其中11：30—12：00降水量為10 mm，12：00—12：30降水量為10 mm，要求1 h雨量達到20 mm報警。自動氣象站在整點時刻會生成小時雨量數(shù)據(jù)，同時雨量清零并重新計數(shù)，新的累積雨量存入分鐘雨量數(shù)據(jù)，直至下一個整點［14]。因此，在該例中，12：00和13：00的小時雨量數(shù)據(jù)均為10 mm，其他任何時次的分鐘雨量數(shù)據(jù)都小于或等于10 mm。無論使用單時次分鐘數(shù)據(jù)還是單時次小時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，都無法觸發(fā)報警。但如果使用基于小時雨量數(shù)據(jù)的整點到整點累積雨量進行監(jiān)測，至少等到13：00雨量才能累積到20 mm，但時間已經(jīng)過去了2 h，同樣無法觸發(fā)報警。但如果以觀測頻次（5 min）為時間間隔，基于分鐘數(shù)據(jù)定時計算滑動累積雨量，就可以實現(xiàn)11：30至12：30雨量達到20 mm的報警。

2 軟件設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

軟件的核心業(yè)務(wù)問題是解決因降雨量數(shù)據(jù)被觀測設(shè)備整點分割而造成監(jiān)測缺失和報警漏報的問題，在監(jiān)測到設(shè)定區(qū)域有滑動累積雨量達到報警閾值時，快速、準確地進行聲音報警，并將報警信息在第一時間發(fā)送到業(yè)務(wù)值班人員手機上，引起值班人員重視。其設(shè)計理念是以數(shù)據(jù)為核心，以需求為導(dǎo)向，根據(jù)自動氣象站數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，分析實際業(yè)務(wù)報警要求，研究滑動累積雨量監(jiān)測和報警算法，實現(xiàn)滑動1 h累積雨量的實時監(jiān)測，觸發(fā)報警時以聲音報警和短信報警的方式，保證業(yè)務(wù)值班人員在任何時刻、任何地方都能準確、及時收到報警信息。

2.2 開發(fā)及運行環(huán)境

系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio 2010的C＃環(huán)境下開發(fā)完成，電腦需要安裝Microsoft.NET Framework 4.0組件才能運行本系統(tǒng)。系統(tǒng)采用昆明市級自動氣象站內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器SQL數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源，計算機須接入昆明市氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)通信系統(tǒng)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

昆明市滑動1 h累積雨量報警軟件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，軟件包括數(shù)據(jù)整合和客戶端兩部分。昆明市近700個自動氣象站的數(shù)據(jù)分別存儲于兩個服務(wù)器，數(shù)據(jù)整合是利用SQL數(shù)據(jù)庫“作業(yè)”技術(shù)，將2個服務(wù)器數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上?？蛻舳死肧QL數(shù)據(jù)庫查詢技術(shù)，查詢最近1 h分鐘雨量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)缺測和雨量要素空缺的自動站進行分類和統(tǒng)計，用戶可設(shè)定是否報警；對存在分鐘雨量數(shù)據(jù)（不管數(shù)據(jù)是否齊全）的站點套用滑動1 h累積雨量算法，對達到雨量報警閾值的站點進行列表顯示，并觸發(fā)聲音報警和短信報警。

圖1 昆明市滑動1 h累積雨量報警軟件結(jié)構(gòu)示意圖

3 功能模塊及技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)整合

昆明市自動氣象站觀測數(shù)據(jù)從兩個公網(wǎng)地址回傳到服務(wù)器，分別存儲在兩臺服務(wù)器的SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中。由于兩臺服務(wù)器在氣象業(yè)務(wù)服務(wù)中使用不方便，特通過SQL SERVER的“作業(yè)”功能將兩數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)同步到專用服務(wù)器的 SQL SERVER 目標數(shù)據(jù)庫中。SQL SERVER的作業(yè)是一系列由SQL SERVER代理按順序執(zhí)行的指定操作［15-16]。通過在專用服務(wù)器的目標數(shù)據(jù)庫中建立鏈接、新建步驟、新建作業(yè)計劃等操作，將兩個源數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)每5 min重復(fù)一次的拉到目標數(shù)據(jù)庫中，完成市級自動站數(shù)據(jù)的整合。

3.2 報警區(qū)域判定

SQL數(shù)據(jù)庫中包含了“StationPar”數(shù)據(jù)表，該數(shù)據(jù)表用于存儲自動氣象站站點信息，包含了表示站點地理區(qū)域的“Area”字段。地理區(qū)域根據(jù)昆明市各縣市區(qū)行政區(qū)劃來劃分，所有自動氣象站在建站時均設(shè)置了所屬行政區(qū)域。本軟件在設(shè)置報警區(qū)域時，創(chuàng)建報警區(qū)域字符串，按照勾選“checkBox”控件方法（圖2），不斷在字符串中增加或刪除選擇的行政區(qū)劃即可。在報警區(qū)域判定時，采用“A.Contains（B）”語句判定站點區(qū)域B是否包含在報警區(qū)域A中（A、B均為string格式字符串）。

圖2 報警區(qū)域設(shè)置截圖

3.3 滑動1 h累積雨量算法

滑動1 h累積雨量時間軸如圖3所示，假設(shè)現(xiàn)在時刻是H：m，推算出過去1 h的時間范圍為H-1：M至H：M，如果m的個位數(shù)≥5，那么M等于m的十位數(shù)和個位數(shù)為5組成的兩位數(shù)；如果m的個位數(shù)＜5，那么M等于m的十位數(shù)和個位數(shù)為0組成的兩位數(shù)。實現(xiàn)代碼如下所示：

圖3 滑動1 h累積雨量時間軸示意圖

查詢SQL數(shù)據(jù)庫分數(shù)數(shù)據(jù)表中H-1（時）M（分）至H（時）M（分）的分鐘雨量數(shù)據(jù)（用R（H-1）M、RHM等表示）和小時數(shù)據(jù)表中H時整的數(shù)據(jù)RH，分別計算時間軸前半部分累積雨量R1＝RH-R（H-1）M和后半部分累積雨量R2＝RHM，滑動1 h累積雨量R＝R1+R2。在實際業(yè)務(wù)運行中，可能會遇到R（H-1）M、RHM等數(shù)據(jù)缺測的情況，在前半部分累積雨量的計算過程中如果遇到缺測，需要按時間軸依次向右查詢相應(yīng)時刻的雨量值代替R（H-1）M；在后半部分累積雨量的計算過程中如果遇到缺測，需要按時間軸依次向左查詢相應(yīng)時刻的雨量值代替RHM，計算出的結(jié)果如達到報警閾值，同樣觸發(fā)報警。同時對缺測時間段進行統(tǒng)計和顯示，提醒業(yè)務(wù)人員有數(shù)據(jù)缺測。

3.4 報警機制和方式

報警機制是通過判定站點滑動1 h累積雨量，對達到報警閾值的自動氣象站“站號”、“站名”、“區(qū)域”、“站址”、“數(shù)據(jù)起始時間”、“數(shù)據(jù)結(jié)束時間”、“數(shù)據(jù)時長”、“觸發(fā)報警時間”信息進行顯示，開通定時器定時對“ListView”顯示控件的顯示“Items”數(shù)量進行判定，如果“Items”數(shù)量大于0，代表有站點1 h滑動雨量達到報警閾值，觸發(fā)報警。

報警方式分為聲音報警和短信報警。聲音報警時通過API函數(shù)編程實現(xiàn)音樂文件讀取、設(shè)置、播放等操作，從而實現(xiàn)本軟件的聲音報警。短信報警是利用企信通實現(xiàn)手機短信報警。企信通是一個面向企業(yè)消息通信的短信平臺［17]，其接口是面向有一定技術(shù)開發(fā)能力的企業(yè)用戶的短信（sms）接口，支持C＃開發(fā)環(huán)境下的二次開發(fā)［18]。通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫“h.dmkj.QXT_API.dll”，工程中添加引用“using h.dmkj.QXT_API；”，并調(diào)用接口函數(shù)“SendSms”來實現(xiàn)短信的發(fā)送。短信發(fā)送代碼如下：

4 業(yè)務(wù)應(yīng)用

2019年7月19日下午，受低渦切變線影響，昆明市出現(xiàn)颮線天氣過程，颮線從北往南移動，出現(xiàn)雷暴、大風、冰雹天氣。昆明市呈貢區(qū)湯池街道大平地村的自動氣象站監(jiān)測到該站點從16：45開始下雨，到17：00整降水量為19.2 mm；從17：00到17：05降水量為3.1 mm；17：00到18：00降水量為21.3 mm。設(shè)定報警閾值為20 mm，該軟件在17：07：25觸發(fā)報警，最近1 h累積雨量達到22.3 mm，軟件運行與報警信息截圖如圖4所示。本例中如果用小時數(shù)據(jù)進行雨量監(jiān)測和報警，至少要等到18：00才能對降水量21.3 mm進行報警，本軟件將報警時間提前了約55 min。且后續(xù)每5 min進行一次報警，滑動1 h累積降水量最大值為16：40至17：40時間段累積降水量40.4 mm，比利用小時數(shù)據(jù)報警時多19.1 mm。

圖4 2019年7月19日17：08軟件運行與報警信息截圖

昆明市滑動1 h累積雨量報警軟件以昆明市自動氣象站市級數(shù)據(jù)庫分鐘雨量數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)和企信通短信報警技術(shù)，依托滑動1 h累積雨量算法，實現(xiàn)了時間間隔為5 min的滑動1 h累積雨量的監(jiān)測和報警。軟件運行穩(wěn)定可靠，界面友好，用戶可設(shè)置報警閾值和勾選報警行政區(qū)域，報警分為聲音報警和手機短信報警，報警準確及時，讓值班人員在任何時刻、任何地點都能收到報警信息，減小了業(yè)務(wù)人員的值守壓力。在短時強降水過程中，報警時間間隔短、時效性高，有效避免了因數(shù)據(jù)被整點分割造成的漏報。相較于以小時雨量數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源的報警，報警時間有明顯提前，報警雨量數(shù)據(jù)更能反映降水實況，根據(jù)相同站點不同時刻的報警雨量數(shù)據(jù)大小，可判斷雨勢的基本變化情況。