基于實況監(jiān)測的氣象預警輔助平臺設計和應用*

藍秋萍 饒灶鑫 林聯(lián)發(fā) 韋英英

(1.福建省泉州市氣象局，福建 泉州 362000；2.福建省石獅市氣象局，福建 泉州 362700)

1 平臺開發(fā)背景

災害性天氣的監(jiān)測預警一直是各級氣象部門業(yè)務工作的重點，也是做好氣象服務的關鍵。2016年，中國氣象局發(fā)布《基層氣象臺站突發(fā)氣象災害臨近預警服務業(yè)務基本要求》，提出實時監(jiān)測、臨近預警、預警信息發(fā)布等業(yè)務要求：當天氣實況達到預警標準或在實時監(jiān)測的基礎上預計本轄區(qū)突發(fā)氣象災害達到預警標準時，值班人員須及時發(fā)布預警信息；對業(yè)務系統(tǒng)也提出了能夠設置突發(fā)氣象災害閾值并能自動報警的要求。為加強短時臨近天氣監(jiān)測預報預警業(yè)務管理，提高短時臨近天氣監(jiān)測預報預警業(yè)務能力，減輕氣象災害損失，2017年12月，中國氣象局編制了《基層突發(fā)災害性天氣預警服務基本標準規(guī)范(試行)》，指出市級氣象部門負責開展本級行政區(qū)域突發(fā)災害性天氣的監(jiān)測預警、信息發(fā)布及業(yè)務監(jiān)控工作，負責對縣級氣象部門開展突發(fā)災害性天氣預警服務提供業(yè)務指導。2018年10月，福建省氣象局修訂完成了《福建省短時臨近天氣業(yè)務規(guī)定》，提出監(jiān)測聯(lián)防和預報預警等具體業(yè)務要求。

泉州市災害性天氣頻發(fā)，氣象災害的監(jiān)測預警主要通過“福建省短臨預報預警服務系統(tǒng)”(以下簡稱“短臨系統(tǒng)”)和人工操作福建省氣象信息處理系統(tǒng) (以下簡稱“EWIPS”)?！岸膛R系統(tǒng)”實現(xiàn)了短時強降水和大風兩類災害性天氣的實況告警、短臨預報制作和發(fā)布渠道的一體化開發(fā)等功能，但該系統(tǒng)主要針對短時強降水和大風兩種突發(fā)氣象災害，預警種類少，無法進行預警情況的分縣統(tǒng)計，要素的精細化查看功能等方面不能滿足實際業(yè)務需求；“EWIPS”需要人工操作查看，對于是否達到預警無告警功能，也無法導出所需的預警文字和服務表格。針對以上實際業(yè)務情況，為進一步提高泉州市、縣兩級強天氣的監(jiān)測預警業(yè)務能力和響應速度，本平臺在原“氣象要素實時監(jiān)控預警平臺”[1]基礎上進行升級改造，實現(xiàn)了常見災害性天氣的實時分縣預警，強天氣包括短時強降水、分級暴雨、雷電、大風、霧、霾、高溫、霜凍、干旱等9大類，基本涵蓋了泉州市常見的氣象災害。該平臺保留了原“預警平臺”操作簡單、自動化程度高、預警時間快的優(yōu)點，新增的氣象災害告警功能在2019年泉州市汛期氣象服務中對災害性天氣的過程服務起到提前告警作用，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細化服務有較好的輔助作用，有效提高了日常工作效率和業(yè)務水平。

2 平臺開發(fā)運行環(huán)境和界面設計

本平臺基于Windows 7的32位操作系統(tǒng)、使用C# Visual Studio 2010的C/S架構[2]開發(fā)，程序類庫為.Net Framework4.0，Word操作引用為Microsoft Office 2007。經(jīng)測試，平臺可在安裝.Net Framework4.0及以上版本的Win7系統(tǒng)下穩(wěn)定運行。

該平臺界面由工具欄、數(shù)據(jù)導航欄、數(shù)據(jù)顯示主界面、預警文字滾動欄和數(shù)據(jù)處理狀態(tài)欄五個視圖模塊組成，如圖1所示。工具欄為人工操作模塊，含手動更新采集數(shù)據(jù)、預警響應、配置保存、操作說明等；數(shù)據(jù)查看導航欄可查看警戒或預警的分縣監(jiān)測、雨量等氣象要素的逐5分鐘滑動統(tǒng)計排名，各縣實時閃電次數(shù)、干旱數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)處理過程和缺測站點；數(shù)據(jù)查看導航欄的具體數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)主界面顯示；站點達到預警標準時，預警文字滾動欄將不停地滾動提示；數(shù)據(jù)處理狀態(tài)欄顯示當前數(shù)據(jù)時間、處理進度和自動站數(shù)據(jù)到報等情況。

圖1 基于實況監(jiān)測的氣象預警輔助平臺設計界面

3 數(shù)據(jù)處理和質量監(jiān)控

3.1 原始數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)包括自動站AI數(shù)據(jù)、閃電定位數(shù)據(jù)、省局干旱監(jiān)測產(chǎn)品等。為提高數(shù)據(jù)讀取及統(tǒng)計效率，該平臺不直接采用自動站原始數(shù)據(jù)，而采用本平臺后臺線程預先處理好的數(shù)據(jù)，采集配置站點的氣象要素，形成新的數(shù)據(jù)文件，其命名方式為：yyyyMMddHHmm.txt，數(shù)據(jù)格式為 ：區(qū)站號 雨量 最高氣溫 最低氣溫 極大風速 最低能見度 干旱日數(shù) 閃電次數(shù)，其中干旱日數(shù)和閃電次數(shù)到縣一級，其余到鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級，沒有的觀測要素以-999缺省。數(shù)據(jù)線程處理過程中占用計算機后臺內存資源，不占用程序界面資源，處理過程中平臺仍可進行要素最新排名查看和人工統(tǒng)計的操作，不影響平臺的運行。數(shù)據(jù)文件站點量和要素的簡化可有效提高監(jiān)測預警和要素統(tǒng)計模塊的處理速度，實況監(jiān)測預警的時間在出現(xiàn)達到警戒或預警條件后3分鐘左右。雷電預警采用閃電定位頻次作為參考[3]。

3.2 告警流程

原始氣象要素數(shù)據(jù)采集并質控完成后，結果在界面上按排名顯示，進行單站氣象要素的告警以及達到警戒、預警站點數(shù)的分縣(市)統(tǒng)計，處理流程見圖2，實現(xiàn)過程如下。

圖2 基于實況監(jiān)測的氣象預警輔助平臺告警流程

(1)采集。逐60秒判斷原始數(shù)據(jù)文件是否更新。如有更新，后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程需時30秒左右，而文件到達時間一般比數(shù)據(jù)時間遲1分鐘多，因此可以做到實況出現(xiàn)后3分鐘左右預警,合理的警戒值設定可以達到提前告警的目的。

(2)處理。提取配置站點逐5分鐘自動站氣象要素，存儲為數(shù)據(jù)文本。氣象要素含累積雨量、最高氣溫、最低氣溫、極大風速、最低能見度；閃電定位進行地理坐標的換算；獲取泉州各縣干旱數(shù)據(jù)，含干旱日數(shù)、級別和全省分布圖。

(3)分析。統(tǒng)計過去1小時、2小時、3小時、6小時、12小時逐5分鐘累積雨量；獲取當前時刻最高氣溫、最低氣溫、極大風速、最低能見度、濕度等氣象要素；統(tǒng)計當前時刻各縣出現(xiàn)閃電的次數(shù)；獲取各縣的干旱日數(shù)、干旱等級等監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用字典排序法在對應的數(shù)據(jù)界面進行排序顯示，以便直觀查看。

(4)告警。各縣9大類氣象災害警戒和預警站點數(shù)統(tǒng)計，當某站(縣)氣象要素達到預設的預警值，且已超過預警時效時，生成預警文字信息并滾動走屏、發(fā)出警報聲。

4 功能模塊

4.1 配置管理

配置管理模塊含“預警設置”“運行設置”和“站點配置”三個模塊(見圖3)。

圖3 基于實況監(jiān)測的氣象預警輔助平臺配置界面(左)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計查看界面(右)

“預警設置”分為警戒設置和預警設置，警戒值根據(jù)經(jīng)驗設置或參照其他成熟的業(yè)務平臺配置，預警值一般按照預警信號發(fā)布標準設置。該平臺為5分鐘實時統(tǒng)計判斷是否告警，為避免同一站點短時間內重復告警，增加下次告警時間設置，即達到預警信號發(fā)布標準的站點，首次告警后再次告警的時間長度。

運行設置，設置資料路徑和運行參數(shù)，自動站路徑可設置市局數(shù)據(jù)服務器路徑，干旱和閃電定位路徑為省局路徑；數(shù)據(jù)搜索頻率一般設置60秒；缺站數(shù)可根據(jù)實際設置，指的是過去某個時次處理的數(shù)據(jù)缺站數(shù)超過該數(shù)值則重新處理該時次數(shù)據(jù)；根據(jù)經(jīng)驗，霧霾的相對濕度界限一般配置80。

站點配置：配置站點某種氣象災害是否告警，可進行站點的添加、修改和刪除。所有站點默認短時強降水告警，雷電和干旱只告警到縣一級，暴雨、大風等其他預警可根據(jù)該鄉(xiāng)鎮(zhèn)是否業(yè)務考核或實際需要逐個進行配置。

4.2 實況監(jiān)測和預警的分縣監(jiān)測

平臺將根據(jù)配置管理模塊參數(shù)值自動運行，界面“數(shù)據(jù)處理狀態(tài)欄”將顯示處理數(shù)據(jù)的時次、進度和缺測站數(shù)。導航欄中的“雨量直報”可查看逐5分鐘1、2、3、6、12小時雨量滾動統(tǒng)計及排名，以及達到短信直報(1、2、3小時)時的文本。短信直報記錄將自動保存以備查詢；“其他數(shù)據(jù)”可查看當前高溫、低溫、極大風、能見度要素及排名；“閃電定位”可以查看當前時次及過去逐小時各縣的閃電次數(shù)，該泉州底圖采用EWIPS地圖，進行經(jīng)緯度和地圖坐標轉化[4]，定位存在一定(極小)偏差；“干旱監(jiān)測”可以查看各縣最新的干旱日數(shù)統(tǒng)計及全省干旱分布圖， 該統(tǒng)計采用省局監(jiān)測數(shù)據(jù)，有干旱數(shù)據(jù)更新時，平臺將同步更新。以上各類實況監(jiān)測，通過點擊表格內的站點可以查看當前時次及其過去24小時逐時要素值及統(tǒng)計。

9大類氣象災害的實時分縣警戒、分縣預警在“分縣監(jiān)測”功能模塊顯示，分別統(tǒng)計各縣各類天氣達到警戒或預警的站點數(shù)，此統(tǒng)計告警為縣局做好預警信息的發(fā)布和相關服務起到輔助指導。格式為：“站點數(shù)/考核總站數(shù)”，閃電次數(shù)的格式為：“閃電次數(shù)/告警設置值”，干旱日數(shù)的格式為：“干旱日數(shù)/告警設置值”。具體站次和要素值在界面右邊顯示，需要快速查看某縣某種天氣達到告警的具體站次，可點擊界面對應的數(shù)值框，如需要查看惠安-暴雨藍色的站點時，點擊對應的“2/10”，跳出具體站點和雨量(見圖3)，如需更詳細的降水資料，則在“雨量直報”中查詢。點擊“閃電次數(shù)”或“干旱日數(shù)”則跳到“功能導航欄”對應的處理界面查看。最新預警的站點在“預警滾動提示欄”滾動。

4.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)警戒和預警

逐5分鐘判斷單個站點(鄉(xiāng)鎮(zhèn))是否達到預警標準和下一次告警時間，滿足條件時，平臺將持續(xù)發(fā)出告警聲，并在任務欄跳出“最新預警提示”圖標，任務欄圖標持續(xù)閃爍，直至預警響應。預警響應需要業(yè)務人員操作，共有三種響應方式：鼠標左鍵雙擊任務欄中的閃爍圖標；點擊功能欄中的“預警響應”；鼠標右鍵點擊任務欄中的閃爍圖標，在跳出的對話欄中點擊“關閉預警”，但此種方法操作后平臺將不再進行后續(xù)告警，如需正常預警，可再次鼠標右鍵點擊任務欄中的圖標，點擊“開啟預警”。 超過下次預警時間如達到了預警標準，則更新顯示，如該條預警12小時后未達到預警標準，則自動刪除該條預警。 達到預警標準但無需響應的也相應保存記錄?！皢握绢A警”可以查看當前預警的站點、時間、種類及是否需要響應等信息,為鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細化服務提供業(yè)務支撐。該平臺2019年汛期業(yè)務試運行以來，氣象要素能及時告警到鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級，預警信號指導到縣一級，顯著提高了工作效率。

5 結束語

本文介紹了基于實況監(jiān)測的氣象預警輔助平臺的開發(fā)背景和總體設計思路，闡述了其數(shù)據(jù)流程、主要功能和告警實現(xiàn)過程。該平臺實現(xiàn)了短時強降水、分級暴雨、雷電、大風、霧、霾、干旱等泉州市常見氣象災害的警戒和達到預警標準時的快速自動告警，對全市預警信息的發(fā)布和鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細化服務有較好的指導作用，有效提高了日常工作效率和業(yè)務服務能力。但本平臺對于氣象災害預警的警戒閾值研究有待深入，以期進一步提升預警發(fā)布的時間提前量。