山東省氣象業(yè)務一體化平臺設計與實現(xiàn)

周成，郭俊建，孟憲貴，馬繼望，李剛

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，山東 濟南 250031；2.山東省氣象臺，山東 濟南 250031；3.德州市氣象局，山東 德州 253000；4.山東省氣象局，山東 濟南 250031)

引言

氣象業(yè)務系統(tǒng)是氣象業(yè)務的基礎支撐。隨著信息技術的發(fā)展，氣象業(yè)務平臺呈現(xiàn)了集約化、自動化、智能化的發(fā)展趨勢，同時由于網(wǎng)格預報業(yè)務的推進，不斷對業(yè)務系統(tǒng)提出了新需求，各省份都在開展氣象業(yè)務系統(tǒng)的建設。李雪丁等[1]利用高分辨率的近、遠海智能網(wǎng)格預報建立福建省智能網(wǎng)格海洋預報業(yè)務系統(tǒng)；陳有利等[2]通過短時和臨近技術引進、統(tǒng)籌業(yè)務應用功能建立了寧波市短時和臨近業(yè)務平臺；于連慶等[3]利用最新移動互聯(lián)技術，面向決策服務部門和一線服務人員開發(fā)了中央氣象臺決策氣象服務智能移動終端。這些平臺可以很好地解決某一方面氣象業(yè)務、預報服務上的關鍵問題，但系統(tǒng)功能不夠完善，解決的問題比較單一，不能有效地提高業(yè)務人員工作效率、減輕工作壓力，同時系統(tǒng)功能單一勢必增加系統(tǒng)開發(fā)數(shù)量，增加了運維難度和開發(fā)成本，不符合集約化業(yè)務的思路。此前山東氣象部門最主要的氣象業(yè)務平臺為 2010年開發(fā)的災害性天氣監(jiān)測預警平臺[4-5]，該平臺大部分內(nèi)容為靜態(tài)網(wǎng)頁，只有基于站點實況數(shù)據(jù)的報警，交互性能不足，自動化、智能化程度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有業(yè)務。為實現(xiàn)精細化格點預報業(yè)務建設，解決省—市—縣在現(xiàn)代天氣業(yè)務運行中的諸多關鍵問題，如：現(xiàn)代化的天氣預報、短時和臨近預報預警、山洪預警及氣象服務支撐不足，格點預報檢驗不健全、缺乏新型預報技術方法的有效集成及GIS技術、WEB交互技術、數(shù)據(jù)存儲技術應用不足，業(yè)務平臺智能化、自動化水平不高、省—市—縣三級氣象部門業(yè)務聯(lián)動不足等，根據(jù)山東省“三三三一”10項重點工作[6]中要推進氣象預報業(yè)務現(xiàn)代化，強化實時監(jiān)測和短時臨近預警以及中短期重大災害性天氣預報預警，推進影響預報和風險預警業(yè)務能力建設及建立新一代氣象業(yè)務一體化平臺的要求，山東省氣象部門組織技術人員設計、研發(fā)了山東省氣象業(yè)務一體化平臺(簡稱“一體化平臺”)，為新形勢下天氣預報、短時和臨近預警預報、山洪預警以及氣象服務提供支撐平臺；建立格點預報檢驗，實現(xiàn)新型預報技術方法的有效集成，加大對GIS技術、Web交互技術、數(shù)據(jù)存儲技術的應用，提高業(yè)務平臺智能化、自動化水平，加強省—市—縣三級氣象部門業(yè)務聯(lián)動能力，提高信息化、集約化水平。本文分5個部分，分別介紹了一體化平臺的總體設計結(jié)構、主要功能、關鍵技術和邏輯、推廣應用和效益，最后總結(jié)全文并討論相關問題和下一步工作計劃，為進一步完善和建設山東氣象業(yè)務系統(tǒng)提供新經(jīng)驗，探索相關建設、應用的新思路。

1 平臺設計

1.1 需求分析

利用以往的開發(fā)、使用經(jīng)驗，并按照山東省氣象業(yè)務和服務發(fā)展的需要，綜合山東省內(nèi)外業(yè)務系統(tǒng)的特點[7-18]，通過技術專家和業(yè)務人員的評選、優(yōu)化，整合各類系統(tǒng)的優(yōu)點并以省—市—縣集約化業(yè)務流程為主線，凝練出以下幾點需求：

1)預報、服務不分家，實現(xiàn)預報、預警、決策、專業(yè)服務的一鍵式發(fā)布，服務材料可定制化生成，提高業(yè)務人員工作效率，減輕工作壓力，提高服務質(zhì)量。

2)氣象數(shù)據(jù)時效性高、穩(wěn)定性好、速度快，填圖質(zhì)量高，支持動態(tài)縮放，地理信息數(shù)據(jù)準確、精細。

3)提高監(jiān)測預警智能化、自動化水平，實現(xiàn)基于雷達、閃電等數(shù)據(jù)的災害性天氣的識別，同時能夠簡化區(qū)域聯(lián)防操作，并提供報警消息推送功能。

4)各類氣象要素客觀方法需融入智能網(wǎng)格預報，加大客觀預報檢驗，為預報提供更多參考。

1.2 總體設計

結(jié)合需求對一體化平臺進行整體框架設計，繼續(xù)采取“一級部署、三級應用”模式[5]?；贐/S架構在運行維護和安全保障體系的支撐下，一體化平臺共分為：基礎支撐、數(shù)據(jù)資源、應用支撐、業(yè)務應用和用戶等5個層次(圖1)。

圖1 山東省氣象業(yè)務一體化平臺系統(tǒng)架構圖Fig.1 Architecture of Shandong integrated meteorological operation platform

1.2.1 基礎支撐層

基礎支撐層構建軟、硬件網(wǎng)絡環(huán)境與運行環(huán)境，是支撐一體化平臺運行的基礎。其中，硬件主要包括12臺實體機服務器和11臺省局資源池虛擬主機，共23臺服務器(含內(nèi)網(wǎng)19臺、DMZ區(qū)4臺)，服務器搭載Linux CentOS7操作系統(tǒng)，并根據(jù)分工搭建對應的Oracle、Redis數(shù)據(jù)庫和Tomcat、ArcGIS等軟件。

1.2.2 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層在基礎支撐層上搭建系統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)境，并通過各個子系統(tǒng)對地面自動氣象觀測、多普勒天氣雷達、衛(wèi)星云圖、閃電定位、危險天氣現(xiàn)象、衛(wèi)星遙感反演疑似火點(以下簡稱“火點”)等氣象數(shù)據(jù)進行采集、分析、存儲、管理、提供對外數(shù)據(jù)通信接口，并匯集預報產(chǎn)品資源，實現(xiàn)結(jié)構與非結(jié)構化的氣象數(shù)據(jù)有機集成、科學管理和有序共享。

1.2.3 應用支撐層

應用支撐層為一體化平臺提供公共的基礎功能組件，并整合成為中間件，根據(jù)需求進行面向系統(tǒng)的架構設計，通過地圖組件、數(shù)據(jù)接口、解析組件、日志組件、分發(fā)引擎、WebOffice組件等應用組件進行有效的整合和管理，待開發(fā)系統(tǒng)可基于組件快速搭建相關系統(tǒng)，并可供其他平臺開發(fā)使用。

1.2.4 業(yè)務應用層

業(yè)務應用層為實現(xiàn)業(yè)務應用層功能，根據(jù)需求進行獨立開發(fā)，并通過用戶層控制訪問權限，達到用戶管理和系統(tǒng)管理的目的。一體化平臺采用前后端完全分離架構，前端開發(fā)主要采用HTML、CSS、JavaScript，后端主要采用Java、Python等程序設計語言，結(jié)合Vue、Spring、JEE等框架，同時為保證平臺具有優(yōu)良的互聯(lián)互通性、可管理性、易用性和易維護性，整個采用跨平臺程序設計，與軟件系統(tǒng)、設備無縫連接。此層共有8個主要功能系統(tǒng)：天氣實況、短時臨近預報、山洪預警、格點預報、預報制作發(fā)布、預報查詢、預報檢驗和業(yè)務管理。其中，格點預報系統(tǒng)相關技術和功能可自成體系。本文重點介紹平臺整體設計思路和相關技術在格點預報業(yè)務基礎上的應用，因此不在文中對格點預報模塊相關內(nèi)容進行說明。

1.2.5 用戶層

用戶層在保證數(shù)據(jù)安全、系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，為滿足不同級別、崗位、職責用戶的使用要求，將用戶分為業(yè)務、決策、一般、管理共4類，每類按級別分為省、市、縣三級用戶，4類用戶通過各級管理賬戶進行管理，并通過數(shù)據(jù)庫鏈表、多表應用技術，結(jié)合應用層的業(yè)務管理功能實現(xiàn)對不同用戶瀏覽、操作權限的管理和控制，以及對應信息的設定，實現(xiàn)不同用戶登錄、瀏覽、使用同一個平臺，所顯示的界面、地圖、功能不同，生成服務產(chǎn)品的各類信息不同，滿足不同用戶的需求，保證各類用戶業(yè)務的安全和穩(wěn)定，并減少開發(fā)成本，方便用戶管理。

2 系統(tǒng)功能

為滿足省、市、縣三級用戶在常規(guī)氣象業(yè)務中的不同需求，解決目前天氣監(jiān)測、短時和臨近預報、災害天氣報警、預警信號、山洪預警及氣象服務產(chǎn)品制作發(fā)布智能化、自動化水平不高等問題，平臺按應用層的8個系統(tǒng)功能分類，經(jīng)過設計開發(fā)、多次迭代和測試，最終實現(xiàn)了下列功能。

2.1 天氣實況

重點強化多種觀測數(shù)據(jù)深層次開發(fā)應用，主要基于GIS和數(shù)據(jù)緩存等技術，實現(xiàn)多普勒天氣雷達、衛(wèi)星云圖、不同級別氣象觀測站點(省內(nèi)、外的基本、基準、一般、區(qū)域、省內(nèi)非考核氣象觀測站以及國際交流氣象觀測站共1 726站)觀測數(shù)據(jù)的快速查詢、瀏覽和統(tǒng)計，閃電定位、火點、天氣現(xiàn)象、雷達外推產(chǎn)品的疊加顯示，站點數(shù)據(jù)時序演變的彈窗顯示、數(shù)據(jù)自動分析，包括定制氣象要素突出顯示、色斑圖繪制、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、格式化輸出、雷達回波剖面制作以及流域雨量、過程雨量以及其他氣象要素統(tǒng)計等功能；此外為了操作體驗方便，增加了包括GIS圖層、站點信息控制、氣象要素快速切換等豐富的功能，通過一個頁面就可以實現(xiàn)幾乎所有氣象觀測數(shù)據(jù)的查閱，一鍵可實現(xiàn)常用觀測數(shù)據(jù)的查詢。

2.2 短時臨近預報

短時臨近預報功能模塊主要實現(xiàn)災害性天氣識別報警(圖2)和預警信號制作發(fā)布功能。利用災害性天氣自動識別技術，建立起適合三級業(yè)務臺站、流程清晰、高度定制并基于氣象觀測站點實況、多普勒天氣雷達、閃電定位、網(wǎng)格預報的災害性天氣自動識別報警功能。災害性天氣包括強降水、高溫、低溫、大風、大霧、雷電、冰雹。為滿足省—市—縣三級業(yè)務流程和要求，分頁面顯示報警信息，針對不同用戶定制不同的站點、災害性天氣和報警閾值，靶向發(fā)布報警信息和短信，提升災害性天氣監(jiān)測預警能力，滿足基層業(yè)務中對災害性天氣的識別與報警需求，加強上下級短時和臨近業(yè)務互動，為短時和臨近監(jiān)測提供有力支撐。

圖2 災害性天氣自動識別報警設計流程圖Fig.2 The flowchart of automatic discrimination and alerting on severe weather

預警信號制作發(fā)布功能(圖3)可實現(xiàn)全省各級氣象部門預警信號制作、發(fā)布、監(jiān)控、變更、解除、指導與共享，利用山東省突發(fā)事件預警信息發(fā)布平臺(以下簡稱“省突”)接口，解決了與國家突發(fā)公共事件預警信息發(fā)布系統(tǒng)(以下簡稱“國突”)的對接，同時支持預警模板的個性化定制，用來滿足不同級別、不同服務用戶的預警服務產(chǎn)品的需求，結(jié)合一鍵式發(fā)布引擎，可在3 min內(nèi)完成預警信號的“一鍵式”傳播。

圖3 預警信號制作發(fā)布設計流程圖Fig.3 The flowchart of preparation and releasing of early warning signal

2.3 山洪預警

系統(tǒng)集合近年來山東地區(qū)山洪災害風險普查的成果，實現(xiàn)了包括中小河流洪水、山洪和地質(zhì)災害風險普查、致災閾值、風險預警產(chǎn)品、風險區(qū)劃圖譜等服務產(chǎn)品制作、顯示、查詢、上傳和應用的功能(圖4)。實現(xiàn)與省氣候中心災害風險普查數(shù)據(jù)庫的實時對接，能夠?qū)崟r展示包括氣象災害、氣象災害風險、氣象防災減災重點單位、防災減災救災設施、氣象防災減災救災人員共5大類數(shù)據(jù)。通過對接統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)市—縣級業(yè)務人員信息與平臺同步。系統(tǒng)應用山東省中小河流、山洪溝、地質(zhì)災害山洪致災閾值，基于全省智能網(wǎng)格精細化預報與高精度的實況格點產(chǎn)品，實現(xiàn)了動態(tài)生成中小河流洪水、山洪和地質(zhì)災害風險客觀指導產(chǎn)品。實現(xiàn)基于GIS的產(chǎn)品展示及格點編輯功能、山洪預警產(chǎn)品制作功能，業(yè)務人員通過平臺可以實時訂正、上傳風險預警產(chǎn)品，為災害風險預警產(chǎn)品客觀生成，省、市兩級制作發(fā)布風險預警的業(yè)務提供支撐。

圖4 山洪預警設計流程圖Fig.4 The flowchart of mountain torrent warning operation

2.4 預報制作發(fā)布

基于智能網(wǎng)格預報，通過產(chǎn)品模板配置、產(chǎn)品生成、產(chǎn)品共享、快速發(fā)布實現(xiàn)氣象服務材料的制作和共享。產(chǎn)品模板配置可根據(jù)用戶要求，按照對應標簽生成產(chǎn)品模板，按照配置的模板實現(xiàn)各類預報服務產(chǎn)品的生成。為了實現(xiàn)產(chǎn)品共享，通過編寫智能網(wǎng)格解析接口實現(xiàn)網(wǎng)格預報的調(diào)取，基于GIS平臺“融合”獲取的格點預報產(chǎn)品實現(xiàn)城市預報、定點預報和交通預報的展示，配合GIS調(diào)節(jié)展示范圍，提升展示效果。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，設計了出圖服務系統(tǒng)，將格點預報數(shù)據(jù)和站點實況數(shù)據(jù)圖形化和表格化，同時具有圖像在線編輯、移動、地圖切換功能，可以根據(jù)緩存內(nèi)容自動加載設置參數(shù)，實現(xiàn)一次配置多次使用的效果，支持參數(shù)配置保存到服務器，實現(xiàn)不同終端的圖像參數(shù)共享，減輕業(yè)務人員操作負擔。為進一步減輕預報服務壓力，平臺可以通過一鍵發(fā)布引擎實現(xiàn)定制產(chǎn)品、外部產(chǎn)品的多渠道快速發(fā)布，渠道包括網(wǎng)盤、FTP、傳真、郵箱和短信。

2.5 預報查詢

通過平臺生成或外系統(tǒng)導入的預報、預警服務材料匯集到系統(tǒng)的共享界面中供全省瀏覽查看，其他平臺也可將不同類型的服務材料通過FTP傳輸，存放在指定服務器中供系統(tǒng)同步、調(diào)用，實現(xiàn)與全省其他業(yè)務系統(tǒng)的對接。

2.6 預報檢驗

檢驗主要包括數(shù)值預報、客觀預報產(chǎn)品、各級智能網(wǎng)格預報產(chǎn)品的實時檢驗功能。特別是針對各類降水、溫度的要素檢驗(表1)；檢驗方式分為站點檢驗、格點檢驗、差值檢驗和單點檢驗；表現(xiàn)形式有表格、列表和折線圖、色斑圖、其他圖像等方式。檢驗產(chǎn)品有國家級指導報、省級指導報、市級訂正產(chǎn)品、各類數(shù)值預報、本地客觀方法預報、偏差訂正預報、最優(yōu)集合預報。系統(tǒng)可按需要增加其他模式產(chǎn)品檢驗，可作為智能網(wǎng)格預報業(yè)務調(diào)整和客觀預報產(chǎn)品業(yè)務化應用的依據(jù)。

表1 預報檢驗要素信息表

2.7 業(yè)務管理

實現(xiàn)了預報業(yè)務排班、考評、統(tǒng)計、科研評分、業(yè)務軟件管理等功能，同時負責平臺用戶的權限設置，此項功能作為平臺使用操作的基礎，采用分級管理制度，不同權限對應不同的功能，通過超級管理員管理各部門管理員。各部門管理員管理部門內(nèi)業(yè)務人員，各級用戶的權限由高級別賬號確定。低級別賬號不能對高級別賬號設定的內(nèi)容進行修改、刪除操作，保證功能權限、排班、考評、業(yè)務等數(shù)據(jù)的準確性、安全性。

3 關鍵技術與邏輯

為解決現(xiàn)平臺GIS技術、Web交互技術、數(shù)據(jù)存儲技術應用不足，短時和臨近預報、災害天氣報警、預警信號發(fā)布業(yè)務自動化、智能化水平不高，決策氣象產(chǎn)品質(zhì)量不高、發(fā)布效率低等問題，一體化平臺設計開發(fā)過程中采用了以下關鍵技術。

3.1 Web開發(fā)應用技術

一體化平臺采用后端負責業(yè)務邏輯，前端負責展現(xiàn)和交互邏輯的前后端獨立開發(fā)模式，使得同一份后端代碼搭配不同的前端展示，在提高可擴展性的同時，實現(xiàn)后臺的重復利用，減少代碼冗余，降低后期開發(fā)成本，并且高效地開發(fā)出符合山東氣象業(yè)務要求的界面。開發(fā)以JavaScript為前端腳本語言，結(jié)合Chrome瀏覽器的JavaScript引擎——解析器，為平臺增加動態(tài)展示、擴展應用交互、監(jiān)聽等功能，并基于HTML5以Leaflet類庫為二次開發(fā)基礎，配合Canvas插件結(jié)合后臺服務器實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)在GIS上的交互操作及數(shù)據(jù)編輯功能，結(jié)合CSS增強系統(tǒng)的顯示與互動效果，改進業(yè)務應用效果。

3.2 數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術

一體化平臺采用基于Oracle的基礎數(shù)據(jù)庫，開放配置功能，靈活設置數(shù)據(jù)存儲屬性，物理上各庫可分開或合并存儲，并采用追加服務器的方式對數(shù)據(jù)庫進行擴容，有良好的兼容性和擴展性，基礎數(shù)據(jù)庫配有監(jiān)控平臺，保證平臺運行的穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)環(huán)境采用CIMISS、Oracle、Redis三級數(shù)據(jù)庫架構，既保留CIMISS數(shù)據(jù)豐富和接口標準化的優(yōu)勢，也利用了Redis數(shù)據(jù)庫基于內(nèi)存能夠快速響應的特點，并使Oracle作為CIMISS和Redis之間的緩沖層，確保Redis發(fā)生故障時數(shù)據(jù)的快速恢復能力，三級數(shù)據(jù)庫相互補充為數(shù)據(jù)快速存取提供有力保障，目前在省氣象信息中心的大力支持下，已通過利用CIMISS數(shù)據(jù)地址、賬號、密碼、接口信息與大數(shù)據(jù)云平臺數(shù)據(jù)進行無感切換。

為滿足實況、短時和臨近等業(yè)務系統(tǒng)低時延、高流量的剛性需求，基于Redis 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術搭建Redis數(shù)據(jù)庫集群，設計出一種適合氣象數(shù)據(jù)特性的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構模型，使高頻次訪問的數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存中讀取，減少數(shù)據(jù)查詢響應的時間，提高數(shù)據(jù)的檢索查詢效率，提前對熱點統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行預處理并長期存儲于內(nèi)存中，有效地減少基礎數(shù)據(jù)庫讀取和運算次數(shù)，提高響應速度，增強吞吐量。

為解決網(wǎng)格預報數(shù)據(jù)量大，內(nèi)存和基礎數(shù)據(jù)庫服務器的空間和性能不足，無法單純通過數(shù)據(jù)庫技術來實現(xiàn)存儲和讀取的問題，設計開發(fā)了一套流文件的數(shù)據(jù)存取和管理技術，主要是將格點預報文件通過特定的規(guī)則分散到多個“碎文件”中，通過建立索引規(guī)則進行定位，實現(xiàn)大文件的快速讀取。

3.3 數(shù)據(jù)接口開發(fā)應用技術

一體化平臺消息區(qū)通過調(diào)用接口來實現(xiàn)發(fā)送和接收。開發(fā)了一系列WebService接口并基于 XML、SOAP、UDD、WDSL等網(wǎng)間傳輸協(xié)議標準，針對不同用戶提供不同的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)分析等服務，實現(xiàn)前端交互出圖、展示，同時滿足任意數(shù)據(jù)可被其他平臺和軟件調(diào)用。這種接口化的開發(fā)方式加強了平臺的可擴展性，數(shù)據(jù)庫的復用性，節(jié)省了硬件、軟件資源，增強業(yè)務系統(tǒng)集約化。

同時，針對常用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預處理，整合成氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫，供前端調(diào)用，極大地提高了數(shù)據(jù)獲取速度，增強了用戶體驗感。

3.4 GIS應用技術

一體化平臺中天氣實況、短時臨近預報、山洪預警、格點預報、預報產(chǎn)品發(fā)布、預報查詢、預報檢驗等7大系統(tǒng)都使用了動態(tài)GIS地圖作為主頁面，并且有強大的GIS交互功能，友好的GIS展示界面，以及地理信息控制工具。根據(jù)各級行政邊界對數(shù)據(jù)進行處理、瀏覽、查詢、展示，為了確保集約化、標準化、用戶體驗等各項要求主要采用以下關鍵技術。

1)搭建內(nèi)外網(wǎng) WebGIS地圖服務器：通過第三方切圖程序?qū)⒌乩硇畔?shù)據(jù)按對應參數(shù)切片供多系統(tǒng)調(diào)用，同時基于ArcGIS Server發(fā)布地圖服務供多平臺調(diào)用，并為不同用戶提供對應區(qū)域的GIS地圖服務。

2)多用戶并發(fā)訪問技術：應用前端地理信息數(shù)據(jù)緩存技術，同時在后端使GIS服務器與ISAPI配合，完美實現(xiàn)服務器對大量并發(fā)訪問請求的有效響應。

3)GIS功能封裝模塊化技術：GIS前端設計采用開源Leaflet為底層框架，將其絕大部分功能重新封裝成Leaflet-Weather GIS功能組件供多平臺調(diào)用，并且支持擴展。

4)建立標準GIS數(shù)據(jù)集：按照中國氣象局GIS標準化數(shù)據(jù)應用體系的總體要求以及業(yè)務平臺的實際需要，定制開發(fā)了全省氣象部門統(tǒng)一的GIS綜合應用數(shù)據(jù)集。以國家氣象信息中心統(tǒng)一下發(fā)的實體地圖數(shù)據(jù)(審圖號：GS2017(3320號))為底圖，利用ArcMap軟件各項功能，結(jié)合山東最新情況，通過最新國家統(tǒng)計局和測繪局發(fā)布的地理信息相關數(shù)據(jù)，經(jīng)過查詢、統(tǒng)計、替換后，完善相關數(shù)據(jù)，剔除重復信息；利用軟件控件將地理信息數(shù)據(jù)進行要素轉(zhuǎn)換、邊界抽稀、邊界平滑，在確保標準比例尺不失真情況下壓縮數(shù)據(jù)大小，通過拓撲構面，空間關聯(lián)、區(qū)域融合、坐標系投影轉(zhuǎn)換等技術形成一套完整并且適合氣象業(yè)務應用的省—市—縣三級標準地理信息數(shù)據(jù)集供平臺使用，解決平臺地理信息數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、加載緩慢、出圖質(zhì)量差等問題。

通過對各類GIS技術的綜合使用(圖5)，使得各系統(tǒng)擁有高效的數(shù)據(jù)展示、查詢、分析能力，滿足多系統(tǒng)調(diào)用和各級業(yè)務人員使用。

圖5 GIS開發(fā)應用流程圖Fig.5 The flowchart of GIS application

3.5 災害性天氣識別與報警技術

一體化平臺利用智能網(wǎng)格預報產(chǎn)品和格點實況分析數(shù)據(jù)，通過建立高溫、低溫、降水、大風、大霧等災害性天氣與常規(guī)要素的轉(zhuǎn)換規(guī)則庫，當氣象要素數(shù)值達到報警閾值時進行報警，利用不同顏色圖標來區(qū)分災害性天氣的種類。基于自動氣象觀測站實況數(shù)據(jù)和網(wǎng)格預報數(shù)據(jù)，建立各要素的實況報警、預報預警方案，根據(jù)氣象災害報警規(guī)則，配置有效時段、等級閾值、站點數(shù)量等相關參數(shù)，建立起山東災害性天氣指標體系。基于雷達數(shù)據(jù)的冰雹、短時強降水、高強度閃電等強對流天氣的自動識別，再通過WebGIS展現(xiàn)報警站點、區(qū)域，預報業(yè)務人員在一個界面可以方便地獲取各類災害性天氣報警信息，同時配合平臺短信、阿里語音接口實現(xiàn)短信、語音報警，進行預報預警聯(lián)防。

3.6 產(chǎn)品智能生成、一鍵發(fā)布技術

為實現(xiàn)預報、預警服務產(chǎn)品的智能生成，參考主流服務材料預設一套標簽規(guī)則，省—市—縣三級用戶均可根據(jù)相應規(guī)則靈活配置所需產(chǎn)品模板，平臺根據(jù)所配置的模板調(diào)用WebOffice插件，可智能生成預報、預警產(chǎn)品。為了實現(xiàn)各類產(chǎn)品的一鍵式發(fā)布，專門設計了獨立的產(chǎn)品發(fā)布引擎，將網(wǎng)盤、短信、傳真、FTP、郵件和國突系統(tǒng)等多種發(fā)布渠道集成到一起，發(fā)布引擎通過對接外部發(fā)布渠道的軟硬件接口，實現(xiàn)多渠道產(chǎn)品發(fā)布的一鍵式操作。其中，通過口令加密對接運營商接口的方式發(fā)送短信；安裝傳真卡，搭建傳真服務器的方式發(fā)送傳真；使用代理服務器利用FTP、SMTP等協(xié)議實現(xiàn)各類文件和郵件的發(fā)送；國突發(fā)布則通過與省服務中心合作，對接省突接口來完成。同時，一鍵發(fā)布引擎支持外部制作產(chǎn)品的導入、分發(fā)，所有產(chǎn)品以非結(jié)構化數(shù)據(jù)存放在后臺數(shù)據(jù)庫，為微信、微博提供對應數(shù)據(jù)源。

3.7 基于雷達的災害性天氣自動識別技術和數(shù)據(jù)拼圖技術

一體化平臺融入了山東省氣象臺通過多年研究得出的本地各類災害性天氣雷達回波判別閾值，通過閾值建立災害性天氣識別的算法模塊，實時對雷暴、短時強降水、冰雹和雷雨大風等強對流天氣的發(fā)生時間、位置進行識別，通過GIS疊加顯示報警信息。為提高監(jiān)測強對流、臺風等災害性天氣的實時性和準確性，還引入山東省氣象信息中心逐仰角雷達流數(shù)據(jù)的近實時天氣雷達拼圖系統(tǒng)，實現(xiàn)了天氣雷達拼圖延時由6 min縮短到1 min。

3.8 雷達估測、質(zhì)控降水技術

一體化平臺通過天氣雷達回波強度估測降水，通過對比回波區(qū)域內(nèi)站點降水量，對站點降水進行質(zhì)量控制。當強降水站點出現(xiàn)無回波或弱回波，無降水或弱降水站點出現(xiàn)強回波時對該站點進行質(zhì)量控制，減少錯誤站點對雨量統(tǒng)計的干擾。在單站時序圖中顯示天氣雷達降水估測值，為預報員提供參考。

3.9 基于開源GIS框架Leaflet前端繪圖技術

基于開源GIS框架，對相關繪圖API進行了改寫和封裝，應用于前端繪制色斑圖、等值面圖、流線圖等，后臺利用線性內(nèi)插法得到分辨率為5 km×5 km的氣象要素網(wǎng)格數(shù)據(jù)，前端獲取并繪制在 Canvas圖層中，支持對數(shù)據(jù)的縮放、移動、修改等功能，同時如果遇到降水分布不均勻或相關要素站點較少時可以人工配置前端插值參數(shù)，增加網(wǎng)格的分辨率，調(diào)整內(nèi)插計算參數(shù)，使得填色圖更加美觀。生成的圖像可以通過標簽方式配入對應服務材料中，減少用戶操作，對于業(yè)務中定制化需求可以通過修改或自建API來滿足業(yè)務需要。

4 推廣應用與效益

一體化平臺于2017年6月開始建設，歷經(jīng)三年多時間，采用“邊應用，邊改進”的方案，經(jīng)多次更新迭代，目前已經(jīng)成為山東省各級氣象臺站、業(yè)務處室和管理機構的核心業(yè)務平臺。一體化平臺顯著提升了氣象數(shù)據(jù)顯示的效果、數(shù)據(jù)加載速度、業(yè)務人員工作效率、集成各類科研成果，實現(xiàn)了實況監(jiān)測、短時和臨近預警、格點預報業(yè)務化、服務產(chǎn)品的一鍵發(fā)布。

相對于原來平臺的靜態(tài)網(wǎng)頁、圖像、表格，一體化平臺采用了基于GIS的動態(tài)網(wǎng)頁技術，并有強大的交互功能。由之前的站點預報、要素填值轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥悄芫W(wǎng)格預報的格點預報、格點填值，支持任意點預報的顯示和生成。從手工上傳本地服務材料到通過標簽、服務模板配置，智能生成預報、預警服務材料；從預警信號的單獨制作發(fā)布轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂脴藴矢袷紺AP包，進行預警信號的解析、傳輸，實現(xiàn)與包括國突系統(tǒng)在內(nèi)的各類平臺的主動和被動對接；從基于實況的短時和臨近站點報警轉(zhuǎn)變?yōu)榛趯崨r、格點預報、天氣雷達數(shù)據(jù)、本地客觀算法為一體的短時和臨近單站、區(qū)域報警，建立山東短時和臨近預報業(yè)務體系。數(shù)據(jù)共享方面由之前的獨立平臺獨立數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構，轉(zhuǎn)為共享一套數(shù)據(jù)結(jié)構、數(shù)據(jù)庫，通過接口調(diào)用方式對任意平臺提供對應數(shù)據(jù)，大大提升數(shù)據(jù)的共享能力，增強系統(tǒng)的可擴展性，利用對應的DMZ區(qū)數(shù)據(jù)環(huán)境針對海洋、水利、農(nóng)業(yè)、應急等多個部門的服務需求，搭建特色氣象服務平臺、重大活動氣象保障服務平臺等。在預報檢驗方面由之前的基于報文的站點預報檢驗轉(zhuǎn)變?yōu)榛诰W(wǎng)格預報的格點預報檢驗，同時將基于報文的站點預報檢驗擴展為基于格點的主流數(shù)值預報產(chǎn)品和本地客觀方法預報產(chǎn)品以及主觀訂正預報產(chǎn)品的檢驗，內(nèi)容包括正確性、技巧性和誤差分析檢驗，為智能網(wǎng)格預報業(yè)務單軌運行打下良好基礎。

在2019年汛期超強臺風“利奇馬”影響期間，一體化平臺在山東省各級氣象部門防汛抗旱工作中發(fā)揮了重要作用，受到省、市、縣相關部門的充分肯定。在2020年青島海上衛(wèi)星發(fā)射保障、全省各類活動專項氣象服務、主汛期應急值班中為各級氣象部門提供了良好的平臺支撐。通過平臺中智能網(wǎng)格預報產(chǎn)品的共享，提升三級氣象部門對外服務質(zhì)量，提高專業(yè)氣象服務經(jīng)濟效益。同時通過新平臺的建設還鍛煉了一批業(yè)務熟練、思想開闊、擁有技術和經(jīng)驗的系統(tǒng)開發(fā)人員和系統(tǒng)維護管理的骨干，為一體化平臺在今后進一步完善以及新系統(tǒng)的開發(fā)建設打下了良好的人才基礎。

5 總結(jié)與討論

本文主要介紹了山東省氣象業(yè)務一體化平臺的總體設計思路、相關邏輯、主要技術以及推廣應用與效益，總結(jié)在建設開發(fā)過程中得到的各類經(jīng)驗，學到的相關技術和實現(xiàn)方式，以及平臺設計的相關邏輯和流程。

1)一體化平臺基于動態(tài)GIS技術、氣象數(shù)據(jù)綜合處理分析技術、數(shù)據(jù)庫技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、客觀預報技術和智能識別技術，實現(xiàn)了綜合氣象數(shù)據(jù)的展示、分析，災害性天氣的智能監(jiān)測報警，網(wǎng)格預報訂正、檢驗，預警信號、服務材料一鍵式發(fā)布，服務產(chǎn)品共享等業(yè)務功能，為全省各級預報業(yè)務人員和業(yè)務管理人員提供了業(yè)務平臺。

2)一體化平臺通過對開源GIS框架(Leaflet)的二次開發(fā)、封裝，實現(xiàn)了在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下氣象數(shù)據(jù)、預警信號、報警信息的動態(tài)展示，提高了數(shù)據(jù)的展示效果和服務質(zhì)量，保證了數(shù)據(jù)的安全性，增強了系統(tǒng)可移植性。采用CIMISS、Oracle、Redis三級數(shù)據(jù)庫架構，結(jié)合三類數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點使得數(shù)據(jù)調(diào)取更加穩(wěn)定、高效?；贔TP、SMTP、傳真服務器、阿里短信等技術建設一鍵式發(fā)布引擎，配合省突接口實現(xiàn)預警信號、服務材料的一鍵發(fā)布?；谥悄芫W(wǎng)格預報產(chǎn)品結(jié)合WebOffice插件、產(chǎn)品標簽庫定制化生成預報、預警服務材料。

3)一體化平臺業(yè)務化融入了近年來開發(fā)、研究的各項成果，如：氣溫、海上大風、降水相態(tài)、火點等不同要素和種類的客觀預報方法、雷達冰雹算法、雷達流數(shù)據(jù)拼圖、自動氣象站降水質(zhì)量控制、網(wǎng)格實況產(chǎn)品等，形成產(chǎn)、學、研閉環(huán)，實現(xiàn)研究成果業(yè)務化運行，不斷延長平臺的生命周期，保持平臺的先進性。

4)一體化平臺通過對各類功能的高度封裝、組件化、構建中間件，并為其他業(yè)務平臺提供數(shù)據(jù)接口、功能組件，減少重復開發(fā)，降低了后續(xù)開發(fā)成本。

開發(fā)團隊通過技術創(chuàng)新、應用方法創(chuàng)新、功能創(chuàng)新和流程創(chuàng)新，使平臺功能更加全面、運行更加高效、技術更加先進，滿足了災害性天氣監(jiān)測預警、聯(lián)防、上下級業(yè)務交互、信息共享、業(yè)務管理等需要，有力支撐起山東氣象集約化業(yè)務，并為其他平臺的建設提供了更好的借鑒，但還有需要完善的地方。第一，隨著業(yè)務發(fā)展的需要，一體化平臺各系統(tǒng)需持續(xù)進行功能性和預防性維護，保證系統(tǒng)的先進性和可維護性，使系統(tǒng)功能適應氣象業(yè)務和IT技術發(fā)展；第二，按需求和規(guī)定在數(shù)據(jù)安全的前提下不斷更新和提供更準確的地理信息數(shù)據(jù)，對接各類氣象相關數(shù)據(jù)；第三，提升一鍵式發(fā)布系統(tǒng)的穩(wěn)定性，豐富預報、預警模板標簽，繼續(xù)提高三級氣象部門預報、預警服務產(chǎn)品質(zhì)量；第四，繼續(xù)研發(fā)本地客觀預報方法，加強智能網(wǎng)格預報的訂正和應用，強化短時和臨近預報產(chǎn)品自動化、智能化水平，提供更穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)的氣象相關數(shù)據(jù)接口；第五，一體化平臺功能非常豐富，各系統(tǒng)功能配置靈活，導致系統(tǒng)內(nèi)邏輯極其復雜，系統(tǒng)的配置和使用需要業(yè)務人員提高自身基本素質(zhì)和水平，各部門之間需要更加緊密的配合，相關部門需要多組織業(yè)務培訓和技術交流，培養(yǎng)更專業(yè)的省—市—縣三級系統(tǒng)管理、運維、開發(fā)人員，形成更加科學高效的業(yè)務流程，建設山東氣象業(yè)務的新體系。