環(huán)境氣象應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

陳晴 王俊驕 陳曄峰 楊明 孫曉燕 高婷 吳書成

摘要：目前氣象部門能夠獲取的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來源不同，各部門存儲數(shù)據(jù)的規(guī)范也存在差異，各項(xiàng)數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一性和完整性。針對上述情況，討論了數(shù)據(jù)處理的方法，梳理了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來源，統(tǒng)一存儲規(guī)范將不同來源的環(huán)保數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，統(tǒng)一存儲在環(huán)境氣象應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中。對環(huán)境監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步質(zhì)量控制，利用克里金算法對數(shù)據(jù)插值形成網(wǎng)格化產(chǎn)品，為空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、空氣污染氣象條件預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和相關(guān)科研項(xiàng)目提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：環(huán)境氣象應(yīng)用數(shù)據(jù)庫；存儲規(guī)范；質(zhì)量控制；克里金算法；空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2019）14-59-3

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識在不斷增強(qiáng)，各級政府部門對于環(huán)境保護(hù)工作也更加重視[1]。圍繞氣象防災(zāi)減災(zāi)需求，進(jìn)一步做好環(huán)境氣象數(shù)據(jù)共享、提升氣象業(yè)務(wù)中環(huán)境氣象數(shù)據(jù)的支撐保障能力，深化在大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測預(yù)警、預(yù)報(bào)服務(wù)、應(yīng)急響應(yīng)等方面的合作，與環(huán)保廳合作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，建立了環(huán)境氣象應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的建設(shè)可為全省空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、空氣污染氣象條件預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和相關(guān)科研項(xiàng)目提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)環(huán)保與氣象大氣環(huán)境監(jiān)測資料實(shí)時共享，豐富大氣環(huán)境預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)信息，有助于共同建立極端氣象條件下空氣質(zhì)量和突發(fā)大氣環(huán)境事件監(jiān)測預(yù)報(bào)、預(yù)警響應(yīng)、應(yīng)急聯(lián)動的工作機(jī)制。

1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

環(huán)境氣象應(yīng)用數(shù)據(jù)庫包括環(huán)保站點(diǎn)信息表、環(huán)保數(shù)據(jù)日報(bào)表和環(huán)保數(shù)據(jù)實(shí)時報(bào)表，分別如表1、表2和表3所示。環(huán)保站點(diǎn)信息表記錄環(huán)保站點(diǎn)的詳細(xì)信息，環(huán)保數(shù)據(jù)日報(bào)表按天記錄環(huán)保數(shù)據(jù)，一般當(dāng)天的日報(bào)于次日錄入，環(huán)保數(shù)據(jù)實(shí)時報(bào)表按小時記錄環(huán)保數(shù)據(jù)，當(dāng)前小時的數(shù)據(jù)于下個時次錄入。

1.2數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)

氣象部門能獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)分別來源于4種不同途徑：①中國氣象信息中心內(nèi)網(wǎng)下載的全國環(huán)保站的數(shù)據(jù)；②省環(huán)保監(jiān)測中心獲取的全省環(huán)保站的數(shù)據(jù)；③省內(nèi)自建的大氣成分站上傳錄入數(shù)據(jù)庫的本省自建氣象站數(shù)據(jù)；④CMACAST廣播通信系統(tǒng)下發(fā)的報(bào)文中獲取錄入數(shù)據(jù)庫的周邊省份氣象站數(shù)據(jù)。

通過分析不同來源的數(shù)據(jù)屬性，將數(shù)據(jù)按不同方式、相同規(guī)則統(tǒng)一錄入到戶數(shù)據(jù)庫，方便環(huán)保與氣象大氣環(huán)境監(jiān)測資料實(shí)時共享。具體數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

（1）全國環(huán)保站數(shù)據(jù)

通過網(wǎng)絡(luò)抓取技術(shù)獲取從中國氣象局內(nèi)網(wǎng)上的全國環(huán)保站數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁抓取技術(shù)是一個自動抓取網(wǎng)頁信息的程序，它是搜索引擎的重要組成部分，為搜索引擎從Web上采集信息資源[2]。傳統(tǒng)網(wǎng)頁抓取技術(shù)從包含一個或若干個原始的種子Web頁面的URL開始，最先抓取種子Web頁面并提取該頁面的子鏈接，然后將提取的鏈接加入到待抓取的URL隊(duì)列中，在Web頁面的抓取過程中，網(wǎng)頁抓取程序不斷從當(dāng)前抓取的Web頁面上提取新的子鏈接URL加入到待抓取的URL隊(duì)列中去[2]。重復(fù)上述過程，直到網(wǎng)頁抓取系統(tǒng)的停止條件得到滿足時才停止抓取網(wǎng)頁。分析網(wǎng)頁屬性將有用的數(shù)據(jù)信息錄入數(shù)據(jù)庫。

（2）全省環(huán)保站數(shù)據(jù)

通過WebService接口調(diào)用獲取數(shù)據(jù)，采用SOAP協(xié)議登錄服務(wù)平臺的Web Service接口后，實(shí)時向服務(wù)平臺發(fā)出數(shù)據(jù)調(diào)用請求，經(jīng)驗(yàn)證通過后返回所需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容。上述基于Web Service方法的數(shù)據(jù)交換均按照XML規(guī)范進(jìn)行。

（3）本省自建氣象站數(shù)據(jù)

從省內(nèi)自建的大氣成分站上傳入庫至數(shù)據(jù)庫，編寫程序?qū)?shù)據(jù)實(shí)時同步到環(huán)境氣象應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中。

（4）周邊省份氣象站數(shù)據(jù)

從國家局的CMACAST廣播系統(tǒng)下發(fā)的報(bào)文中獲取報(bào)文，編寫程序?qū)?shí)時數(shù)據(jù)錄入環(huán)境氣象應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中。

2數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

為提高資料的準(zhǔn)確率，對環(huán)境監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步質(zhì)量控制。大氣中的觀測數(shù)據(jù)與時間顯著相關(guān)，具有良好的時間一致性[3]。根據(jù)這一特性，將數(shù)據(jù)與其時間上前、后的測值相比較，來判斷其數(shù)據(jù)是否發(fā)生異常[4]。時變檢查主要是根據(jù)要素在某一時段內(nèi)可能變化范圍判斷要素值質(zhì)量[5]。

在實(shí)際過程中，設(shè)某一要素0時次的觀測值為0，0-1時次的觀測值為-1，0+1時次的觀測值為+1。要檢驗(yàn)0的值是否在正常范圍內(nèi)，設(shè)定：avg=（-1++1）/2，0>=2avg，初步判定0為異常；0<2avg，初步判定0為正常。對于初步判定是異常的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)設(shè)為缺測。

3環(huán)境氣象數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

3.1基于克里金算法的網(wǎng)格化產(chǎn)品生成

由于站點(diǎn)的數(shù)據(jù)量有限，空間分布是離散的，利用插值通過已知樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)估算未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過一次或多次插值將離散點(diǎn)數(shù)據(jù)插值成連續(xù)的表面數(shù)據(jù)，進(jìn)一步形成等值線或者色斑圖后顯示[6]。對已有的環(huán)保監(jiān)測資料進(jìn)行克里金算法的空間插值，將離散的環(huán)保站點(diǎn)數(shù)據(jù)合成連續(xù)的表面數(shù)據(jù)，進(jìn)一步形成色斑圖后顯示。目前產(chǎn)品已在省環(huán)境氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺等業(yè)務(wù)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，豐富大氣環(huán)境預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)信息，為政府決策和社會公眾生活提供環(huán)境預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)，為生態(tài)省建設(shè)工作提供數(shù)據(jù)保障。

3.2克里金算法的插值過程

克里金插值的前提是根據(jù)空間場的結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)淖儺惡瘮?shù)模型，并求出變異函數(shù)。其計(jì)算步驟如下：

①網(wǎng)格化，選擇區(qū)域的范圍及網(wǎng)格的大小。

②計(jì)算被估點(diǎn)（網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的）的坐標(biāo)。

③根據(jù)搜索策略（近點(diǎn)距離搜索和方位搜索）選擇合適的參估點(diǎn)。

④根據(jù)已經(jīng)求出的變異函數(shù)，求出方程組的系數(shù)。

⑦重復(fù)步驟②～⑥，直到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的值全部求出。

4結(jié)束語

建立環(huán)境氣象數(shù)據(jù)的入庫機(jī)制，梳理環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來源，統(tǒng)一存儲規(guī)范，將不同來源的環(huán)保數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的存儲規(guī)范錄入到環(huán)境氣象應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理。利用時變檢查環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行初步質(zhì)量控制，生成環(huán)境監(jiān)測要素的網(wǎng)格化產(chǎn)品，為全省空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐，豐富大氣環(huán)境預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)信息，為政府決策和社會公眾生活提供環(huán)境預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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