基于CFS的中長期降水預(yù)報(bào)適用性研究

夏達(dá)忠，劉 艷，羅錫斌，蔡和荷

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400015)

0 引 言

氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)(CFS，Climate Forecast System)是美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP，National Centers for Environmental Prediction)開發(fā)的一個(gè)完全耦合模型，包括了大氣、海洋、陸地三個(gè)模式。2011年3月30日，第二代氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)(CFSv2，The NCEP Climate Forecast System Version 2)[1]在NCEP官網(wǎng)開始運(yùn)行并且定期發(fā)布數(shù)據(jù)。CFSv2數(shù)據(jù)產(chǎn)品在預(yù)報(bào)模型和數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)上都有改進(jìn)，其大氣、海洋、陸地三個(gè)模式分別采用全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)模式(GFS)、第四代模塊化海洋模式(MOM4)、四層陸面模式(NOAH)。

迄今為止，針對CFS預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)展開的研究甚多。陳官軍等(2010)[2]檢驗(yàn)評估了CFS對東亞夏季的延伸預(yù)報(bào)。李春暉等(2012)[3]基于CFS預(yù)報(bào)產(chǎn)品對廣東省季節(jié)降水統(tǒng)計(jì)降尺度進(jìn)行預(yù)測。李永生等(2016)[4]評估了CFSv2模式在東北地區(qū)對于夏季月降水的預(yù)測能力效果相對較好。班晉等(2019)[5]基于CFSv2預(yù)測資料研究黑龍江夏季降水趨勢結(jié)果優(yōu)于目前業(yè)務(wù)。李浪等(2020)[6]利用CFSv2未來45 d產(chǎn)品數(shù)據(jù)評估其對貴州一次區(qū)域暴雨過程的預(yù)報(bào)能力在15～10 d時(shí)段較好。

中長期預(yù)報(bào)可以延長水文預(yù)報(bào)預(yù)見期，能夠?qū)α饔蚝樗鸬筋A(yù)警作用，以及方便制訂遠(yuǎn)期水電調(diào)度規(guī)劃。王留杰等(2017)[7]對中國區(qū)域地面要素?cái)?shù)據(jù)集的降水氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量評估，發(fā)現(xiàn)氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合度較高。余豪等(2020)[8]采用時(shí)間序列中長期預(yù)報(bào)方法耦合動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化調(diào)度方法制定泗南江水電站的中長期預(yù)報(bào)調(diào)度方案。降雨數(shù)據(jù)的預(yù)見期對中長期預(yù)報(bào)的影響最大；因此，對具有較長預(yù)見期的CFS數(shù)據(jù)的質(zhì)量評估以及水文應(yīng)用研究很有必要。

由于CFSv2數(shù)據(jù)原格式解譯需要一些復(fù)雜的處理過程，目前對于其可視化處理的研究還很少。因此，本次研究針對第二代CFS數(shù)據(jù)的下載到處理到繪圖，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)實(shí)用的地理信息系統(tǒng)插件，利用Python將其處理為具有較好可觀性的等值線圖。

1 數(shù)據(jù)源及目標(biāo)數(shù)據(jù)形式

1.1 數(shù)據(jù)源

CFSv2模式預(yù)見期長度為9個(gè)月，時(shí)間分辨率為6 h[9]。該產(chǎn)品以每24小時(shí)為一個(gè)周期定時(shí)發(fā)布當(dāng)天對當(dāng)年(或九個(gè)月內(nèi))全球未來氣候的預(yù)測情況，發(fā)布的文件格式為GRIB2格式編碼。每份GRIB文件內(nèi)部包含對未來某一時(shí)刻開始的6 h數(shù)據(jù)信息[10]。

GRIB對象是數(shù)據(jù)的子類，可以通過解析方法將其中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)。其解碼及可視化軟件眾多，本文最終采用Wingrib對其進(jìn)行解碼。GRIB2格式是GRIB第二版。較之前版本(GRIB1)有著支持多維數(shù)據(jù)、模塊化結(jié)構(gòu)、多種壓縮方式、IEEE標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)表示法等優(yōu)勢[11]；因此得到了廣泛使用，并逐步替代了ADF文件。

1.2 目標(biāo)數(shù)據(jù)形式

由于本項(xiàng)目使用的數(shù)據(jù)眾多，如果以直接顯示的形式將不便于使用者對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析以及歸納研究；因此，本項(xiàng)目數(shù)據(jù)將以等值線圖的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。

等值線是指在平面上(見圖1)，由某一數(shù)量指標(biāo)值相等的各點(diǎn)連成的平滑曲線。在該曲線上的點(diǎn)均滿足表達(dá)式F(x，y)=P。當(dāng)平面內(nèi)存在多個(gè)等值線時(shí)，可以比較直觀的表達(dá)出該平面上P的變化規(guī)律[12]。為更高精度、高效率地繪制降水?dāng)?shù)據(jù)等值線，本次研究采用Delaunay三角網(wǎng)(見圖2)算法進(jìn)行非柵格數(shù)據(jù)的差值[13]。此外，為增強(qiáng)等值線圖的可讀性，除原本的標(biāo)記等值線，還使用不同顏色來加強(qiáng)數(shù)據(jù)的直觀程度。

圖1 等值線示意

圖2 三角網(wǎng)示意

2 數(shù)據(jù)處理流程

本次研究需批量下載NECP官網(wǎng)所發(fā)布的最新GRIB文件并對其進(jìn)行解析；之后，利用解析所得的數(shù)據(jù)生成中國降水等值線圖，再對等值線圖進(jìn)行相關(guān)的圖像處理，使其附加上項(xiàng)目所需的文本信息(項(xiàng)目名稱、預(yù)報(bào)時(shí)間等)；最后，對等值線圖進(jìn)行美化處理，以滿足產(chǎn)品級要求。

由于本研究需一次生成大量等值線圖，并為保證信息的時(shí)效性；因此，對整套流程速度要求較高，需具備較高穩(wěn)定性以及工作效率。同時(shí)，考慮到實(shí)際需求，本項(xiàng)目開發(fā)環(huán)境需在微軟Windows平臺下(具體以Windows7 x86或同級別服務(wù)器系統(tǒng)為準(zhǔn))，且占用較少的磁盤及運(yùn)行空間。

依照現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件科學(xué)的設(shè)計(jì)理念[14](見圖3)，本項(xiàng)目可大致分為：下載模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、繪圖模塊、配置模塊以及主模塊等5個(gè)模塊。

圖3 模塊與流程

下載模塊主要負(fù)責(zé)對源文件的下載與解析，以每張等值線圖一個(gè)文件的形式生成可以直接讀的數(shù)據(jù)文件；配置模塊主要負(fù)責(zé)讀取相關(guān)配置，載入配置好的資源以及流程，減少系統(tǒng)與外部交互的冗余部分；數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，包括對數(shù)據(jù)的增添、刪除以及網(wǎng)格化插值等操作；繪圖模塊負(fù)責(zé)將地理信息圖層或圖片按一定的要求進(jìn)行疊加，并添加相應(yīng)的文字說明，以達(dá)到美觀的效果；主模塊負(fù)責(zé)控制其余三個(gè)模塊以及總體流程，并保障所有模塊流程都能夠有序高效的執(zhí)行。

在繪圖模塊中，當(dāng)進(jìn)行地理信息圖層的疊加操作時(shí)，由于圖層中心點(diǎn)的位置以及比例尺可能并不相同，因此應(yīng)先基于地理信息對圖層進(jìn)行縮放平移再進(jìn)行疊加(見圖4)。

圖4 地理坐標(biāo)與像素點(diǎn)的換算

流程上，主模塊會首先啟動配置模塊并讀取事先保存好的配置信息，之后根據(jù)配置信息啟動下載模塊，并通過下載模塊下載需要的源文件并進(jìn)行解析。當(dāng)下載模塊完成解析之后會將消息返回給主模塊，此時(shí)主模塊會啟動數(shù)據(jù)處理以及繪圖模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、等值面的繪制以及部分疊加工作。在數(shù)據(jù)處理模塊完成等值面的繪之后，會將等值面?zhèn)鬟f給繪圖模塊，繪圖模塊會將等值面以及其他圖層信息進(jìn)行疊加操作并保存到存儲設(shè)備上。這樣就完成了一張等值面圖的生成。而主模塊會多次重復(fù)這些動作直到任務(wù)完成。當(dāng)全部作業(yè)完成后，主模塊會更新配置模塊中的配置信息，并保存到存儲設(shè)備上，以方便下次啟動。

3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)存儲、組織數(shù)據(jù)的方式，是指相互存在一種或多種特定關(guān)系的數(shù)據(jù)元素集合[15]。

針對軟件不同模塊，所使用的數(shù)據(jù)元素也是不一樣的。本次插件開發(fā)共使用了6種數(shù)據(jù)元素：散點(diǎn)對象、柵格對象、文本對象、圖像對象、地理圖層對象、GRIB對象。其中，前兩個(gè)對象主要位于數(shù)據(jù)處理模塊，GRIB對象主要位于下載模塊，其余四個(gè)對象位于繪圖模塊。各對象之間的相關(guān)關(guān)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4 實(shí)例分析

4.1 等值線圖結(jié)果

經(jīng)調(diào)試檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該插件能夠較為穩(wěn)定高效地輸出直觀大方的降水等值線圖，使得GRIB2文件格式的降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品直觀且方便用戶操作，適用于投入到實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐過程中去。圖6展示了2018年12月上旬CFSv2數(shù)據(jù)的處理成果。

圖6 全國中長期預(yù)報(bào)降水等值線圖成果示意(單位：mm)

4.2 第三方庫(軟件)的利用

為縮短開發(fā)時(shí)間，提升開發(fā)效率，本項(xiàng)目部分模塊調(diào)用了第三方庫(軟件)。各軟件名稱與功能說明如下：

(1)Wgrib2。Wgrib2是GRIB的一款解析器，它可以快速地獲取GRIB文件的文件頭，并根據(jù)文件頭所提供的信息將GRIB文件解析成文本或二進(jìn)制文件。本項(xiàng)目將通過使用它來完成對GRIB2文件的快速解析。

(2)Numpy。Numpy是一個(gè)數(shù)值計(jì)算擴(kuò)展庫，比一般常見的計(jì)算結(jié)構(gòu)要更加高效。其中提供了大量與矩陣處理、矢量計(jì)算等高等數(shù)值計(jì)算的相關(guān)工具。這對科學(xué)計(jì)算有著極大的幫助。本項(xiàng)目將利用Numpy進(jìn)行高效的科學(xué)計(jì)算。

(3)PIL。PIL(Python Image Library)是Python的一個(gè)圖像處理插件，主要處理以像素所構(gòu)成的數(shù)字圖像?？梢岳闷渌鶐У谋姸喙ぞ吆唵斡行У膶D像進(jìn)行相關(guān)編輯操作。本項(xiàng)目將使用其進(jìn)行圖層圖像以及文字的疊加。

(4)Matplotlib。Matplotlib是一個(gè)矢量繪圖插件，主要用于生成出版質(zhì)量級別的圖形。如直方圖、散點(diǎn)圖以及流程圖等。本項(xiàng)目使用Matplotlib及其自帶的一些算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化并生成等值面。

5 結(jié) 語

本文對于CFSv2數(shù)據(jù)構(gòu)建了完整的地理信息系統(tǒng)插件，覆蓋了數(shù)據(jù)處理、繪圖等流程，并利用Python得出等值線圖，以方便后續(xù)水文模擬中進(jìn)行中長期預(yù)報(bào)作業(yè)。在本次插件的設(shè)計(jì)過程中，主要遇到了3個(gè)問題：

一是，下載時(shí)間問題。實(shí)際測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于網(wǎng)速問題，導(dǎo)致下載時(shí)間過長，影響系統(tǒng)效率。解決方法是使用多線程技術(shù)；同時(shí)下載多個(gè)文件，并采用工作流的方式進(jìn)行處理，減少系統(tǒng)等待時(shí)間，提高效率。

二是，連接失敗問題。由于CFS文件服務(wù)器距離較遠(yuǎn)，且有連接數(shù)量限制。導(dǎo)致存在網(wǎng)絡(luò)連接失敗而無法下載的情況。解決方法是捕捉異常，并根據(jù)異常采取相對應(yīng)手段，嘗試多次下載。盡可能保證文件成功下載。

三是，Wgrib2的輸出問題。當(dāng)對wgrib2進(jìn)行無界面化封裝后，程序出現(xiàn)報(bào)錯。經(jīng)查，原因?yàn)榻馕鏊晌募母袷桨l(fā)送改變，于非特定位置混入了原輸出信息。后嘗試對wgrib2程序輸出進(jìn)行重定向后，故障排除。此外，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。推測為wgrib2解析數(shù)據(jù)時(shí)的方向性問題。經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)wgrib2的數(shù)據(jù)輸出為由左到右，由下到上。對相應(yīng)代碼進(jìn)行調(diào)整后，數(shù)據(jù)正確，故障排除。