中心站級海洋預警報制作發(fā)布一體化系統(tǒng)設計研發(fā)

徐淑雯 ，曹 兵，徐常三，高清清，朱天懋，何佩東

國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 南通 226002

近年來,受全球氣候變化和各類海洋災害事件頻發(fā)的影響,我國沿海地區(qū)對海洋預警報及其提供減災能力的需求和要求也越來越高。海洋預警報作為海洋防災減災的重要技術(shù)支撐,對廣大涉海部門及海上船只安全作業(yè)的保障作用益發(fā)顯著,對我國社會經(jīng)濟平穩(wěn)快速發(fā)展的支撐作用進一步凸顯,因此亟需提升海洋預警報的產(chǎn)品信息化和制作自動化水平。

隨著海上測點的不斷布設,涵蓋物理海洋要素的海洋信息觀測網(wǎng)的逐步完善以及各種信息技術(shù)在海洋預警報領域的充分應用,我國的海洋預警報水平已有了顯著的進步,同時各海洋預報機構(gòu)也在不斷根據(jù)實際業(yè)務需求探索建立各自的業(yè)務預報制作系統(tǒng)和發(fā)布系統(tǒng)[1-6]。國家海洋局廈門海洋預報臺的張世民等采用C/S與B/S相結(jié)合的混合模式,設計開發(fā)了一套集預報資料的采集、管理、分析以及預報產(chǎn)品制作、發(fā)布為一體的海洋預報信息產(chǎn)品制作發(fā)布系統(tǒng)[7]。浙江省水利河口研究院的嚴云杰等利用GIS、FTP、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)設計和實現(xiàn)了海洋預報產(chǎn)品制作發(fā)布系統(tǒng),實現(xiàn)了海洋預報產(chǎn)品制作、推送、入庫和顯示等功能[8]。國家海洋局南海預報中心的王磊等研究了一套能自動加載數(shù)值預報產(chǎn)品的基于NET的海洋預報制作系統(tǒng),能自動加載數(shù)值預報產(chǎn)品,大大提高了預報制作效率[9]。國家海洋環(huán)境預報中心建立了海洋臺站實時數(shù)據(jù)信息服務系統(tǒng),實現(xiàn)了業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)實體以及視圖的分離[10]。國家海洋局北海預報中心研發(fā)了海上溢油預測預警系統(tǒng),實現(xiàn)溢油漂移預測結(jié)果與敏感資源圖的疊加耦合,能夠?qū)Νh(huán)境敏感資源快速預警[11]。這些海洋信息系統(tǒng)在各級單位處理海洋數(shù)據(jù)和制作預警報產(chǎn)品過程中均發(fā)揮了重要作用,但各單位系統(tǒng)針對的重點不一致,導致系統(tǒng)在不同單位使用的適用性不強,針對性較差。

目前,國內(nèi)還沒有完善的海洋預報系統(tǒng),包括對天氣形勢的分析、實況數(shù)據(jù)的采集、歷史預報的判斷、未來數(shù)值預報產(chǎn)品的解析,然后制作基礎岸段的要素預報,按不同用戶的需求自動提取相應預報要素生成預報產(chǎn)品,并一鍵分發(fā)給相關(guān)用戶。為滿足改革新要求,服務新目標和業(yè)務新方向,國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 (以下簡稱 “南通中心站”)經(jīng)研究擬啟動中心站級預報減災業(yè)務體系的新改革,特別以預報減災業(yè)務系統(tǒng)工程的 “數(shù)值化、信息化和生態(tài)化”再造為核心。本次建設的1.0版,結(jié)合Open-Layers和切片地圖服務自動發(fā)布技術(shù),是中心站生態(tài)監(jiān)測預警系統(tǒng)工程建設的啟動項目,旨在升級現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng),是為將來完全契合中心站實際和特色業(yè)務需求而打造的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以自動收集并實時抓取網(wǎng)絡上發(fā)布的預報與實況參考資料,下載各機構(gòu)發(fā)布的模式預報產(chǎn)品,提供強大的數(shù)據(jù)查詢顯示功能,能根據(jù)經(jīng)修正的基礎預報單元數(shù)據(jù)自動預填預警報單,并根據(jù)需求定制預報產(chǎn)品,最終通過郵件、傳真、網(wǎng)站、短信、FTP等方式一鍵把預報產(chǎn)品發(fā)送給相應用戶,從而實現(xiàn)預警報產(chǎn)品的制作發(fā)布一體化操作,并對每日制作情況進行監(jiān)控。

南通中心站預警報制作發(fā)布一體化系統(tǒng)根據(jù)目前中心站級海洋預警報工作的特點設計,大大提高了預警報工作的自動化水平,解放了預報員的生產(chǎn)力、提升了信息的自動化水平,使其能專心致力于資料分析和要素預報等關(guān)鍵步驟,從而可以更好、更快、更方便地開展海洋預警報業(yè)務。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

本系統(tǒng)采用兩層架構(gòu):預警報產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫層和預警報制作發(fā)布一體化業(yè)務系統(tǒng)層 (圖1)。預警報產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫主要存儲地理數(shù)據(jù)庫、模式預報數(shù)據(jù)、預警報數(shù)據(jù)及其它相關(guān)的配置信息。預警報制作發(fā)布一體化系統(tǒng)主要實現(xiàn)多源參考資料展示、預警報產(chǎn)品的定制、制作與發(fā)布以及數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

預警報制作信息服務平臺面向預報業(yè)務人員,集成數(shù)值預報成果及經(jīng)驗預報結(jié)果,預報員可開展面向預報基礎單元的預報內(nèi)容修訂,再集中分發(fā)至滿足用戶需求的預報產(chǎn)品中,實現(xiàn)預報產(chǎn)品、警報產(chǎn)品的定制、制作及產(chǎn)品推送,提高預警報產(chǎn)品的制作效率,更及時、有效地為相關(guān)業(yè)務部門提供服務。該系統(tǒng)的主要功能系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能圖

根據(jù)系統(tǒng)功能圖,該系統(tǒng)主要由數(shù)值結(jié)果可視化自動處理系統(tǒng)、參考資料下載和預警報制作發(fā)布系統(tǒng)組成。

數(shù)值結(jié)果自動處理系統(tǒng)主要實現(xiàn)不同預報機構(gòu)數(shù)值預報結(jié)果數(shù)據(jù)的處理,包括單點數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)重構(gòu)、地圖服務發(fā)布以及區(qū)域數(shù)據(jù)提取等功能。

資料自動下載系統(tǒng)主要實現(xiàn)每日定時下載國內(nèi)外各預報機構(gòu)參考資料,包括實況圖和預報圖,含高低空天氣形勢圖實況圖,衛(wèi)星云圖,雷達拼圖,衛(wèi)星風分析圖等。一周天氣預測、降水、10米風場、海浪、海流、海溫圖,并將這些參考資料進行分類、分時后存放在服務器上。

預警報制作發(fā)布系統(tǒng)包含資料自動存儲與定制分析、數(shù)值評估與預填、預報制作交互、審核校正和一鍵分發(fā)這5種功能。系統(tǒng)可針對不同的預報需求進行預報單的定制,通過定制不同區(qū)域、不同要素的預報單和預警報短信提醒,實現(xiàn)定制化預報發(fā)布需求。

“南通中心站預警報制作發(fā)布一體化系統(tǒng)”的建設分3大子系統(tǒng)、5個功能分模塊組合開展,可集成多種預報參考資料與模式產(chǎn)品數(shù)據(jù),建設預警報制作發(fā)布一體化系統(tǒng),實現(xiàn)預警報產(chǎn)品數(shù)字化、電子化制作,最大程度地提升預警報產(chǎn)品制作效率及預報資源的使用率,并降低人工制作預警報單發(fā)生錯誤的概率。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下5大業(yè)務功能。

(1)參考資料集成展示功能

系統(tǒng)能夠?qū)㈩A警報所需參考資料進行集成并實現(xiàn)可視化,包括實況天氣圖、歷史天氣圖、數(shù)值預報圖以及數(shù)值預測產(chǎn)品處理,并支持產(chǎn)品的放大,縮小,平移,播放等功能。其中數(shù)值預報產(chǎn)品處理主要是要實現(xiàn)數(shù)值預報結(jié)果數(shù)據(jù) (主要為風、浪)的重構(gòu) (逐三小時到逐小時GFS插值)、地圖服務發(fā)布、海區(qū)預報產(chǎn)品提取及高低潮漲落急提取等功能。

(2)預報制作功能

系統(tǒng)能夠選擇提取不同機構(gòu)數(shù)值模擬及相關(guān)結(jié)果 (包括風、浪、潮、流、氣溫、水溫、能見度要素)對預報單進行自動化預填,可以集成數(shù)值預報和經(jīng)驗預報,以根據(jù)數(shù)模結(jié)果自動提取、自動提取后人工修改或完全人工錄入3種方式實現(xiàn)預報產(chǎn)品制作,主要功能包括預報單錄入、審核及預報產(chǎn)品推送。

(3)警報制作功能

系統(tǒng)能夠選擇提取天文潮位或潮位數(shù)值模擬結(jié)果對警報單的潮位進行自動化預填,并留有人工修改、填寫接口；系統(tǒng)有上傳海浪警報圖片接口,能夠自動填寫警報表格及文字,并留有人工填寫接口,主要功能包括警報錄入、審核及最終產(chǎn)品推送。

(4)預警報審核與發(fā)布功能

系統(tǒng)能夠?qū)︻A警報單的完整性、時間、名稱等進行提交,人工進一步審核后,能夠?qū)σ褜徍说念A警報產(chǎn)品根據(jù)設定的程序進行一鍵定時發(fā)送,系統(tǒng)支持FTP、短信、郵件等多種發(fā)送方式,發(fā)布后留有查詢歷史預警報單的功能。

(5)系統(tǒng)管理與設置

系統(tǒng)能夠?qū)τ脩簟⒔巧M行管理,主要實現(xiàn)預報單定制,警報單定制,用戶管理、潮位站管理、日志管理及發(fā)送管理等功能。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 OpenLayers技術(shù)

系統(tǒng)同時利用WebGIS和模式預報可視化技術(shù)實現(xiàn)了預警報產(chǎn)品在人機交互平臺上的快速制作和符合預報員操作習慣的展示方式,并以人機交互界面為接口對地理要素和屬性數(shù)據(jù)庫進行聯(lián)動操作,實現(xiàn)數(shù)模產(chǎn)品可視化顯示。

采用OpenLayers技術(shù)來開發(fā)WebGIS客戶端。在操作方面,OpenLayers除了可以在瀏覽器中幫助開發(fā)者實現(xiàn)地圖瀏覽的基本效果,比如放大 (Zoom In)、縮小 (Zoom Out)、平移 (Pan)等常用操作之外,還可以進行選取面、選取線、要素選擇、圖層疊加等不同的操作,甚至可以為OpenLayers 添加網(wǎng)絡處理服務WPS 的操作接口,從而利用已有的空間分析處理服務來對加載的地理空間數(shù)據(jù)進行計算。同時,OpenLayers還提供了矢量畫圖功能,方便動態(tài)地展現(xiàn)“點、線和面”這樣的地理數(shù)據(jù)。

2.2 切片地圖服務自動發(fā)布技術(shù)

“南通中心站預警報制作發(fā)布一體化系統(tǒng)”的數(shù)值可視化自動處理子系統(tǒng)采用文件自動分發(fā)和多任務分發(fā)技術(shù),將模式數(shù)據(jù)分發(fā)至不同的任務處理機中進行處理,使得費時的GIS文件解析工作得以并行處理,一定程度上提高了數(shù)模產(chǎn)品解析的效率,也避免了多線程GP解析處理可能會帶來的系統(tǒng)問題。

本系統(tǒng)在ArcGIS 10.1環(huán)境下將GIS格式的預報產(chǎn)品以地圖服務形式發(fā)布從而為下級用戶級相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用,采用ArcGIS中的Python站點包arcpy實現(xiàn)。ArcPy通過python語言對ArcObject和Geoprocessing工具進行引用封裝,其中也包括在ArcGIS Server中發(fā)布地圖服務的GP工具。本系統(tǒng)中通過ArcPy的提供的函數(shù),將數(shù)據(jù)源、GIS服務器參數(shù)、用戶權(quán)限、服務類型等發(fā)布相關(guān)的數(shù)據(jù)及信息封裝為一個SD文件 (Service definition file),再將SD文件發(fā)送到GIS服務器中,由服務器本地的ArcGIS Server發(fā)布地圖服務 (圖 3)。

圖3 地圖服務發(fā)布流程

3 系統(tǒng)模塊

本系統(tǒng)集成多種預報參考資料與模式產(chǎn)品數(shù)據(jù),實現(xiàn)預警報產(chǎn)品數(shù)字化、電子化制作,最大程度地提升預警報產(chǎn)品制作效率及預報資源的使用率,并減少人工制作預警報單發(fā)生錯誤的概率。該系統(tǒng)主要由以下5個模塊組成 (表1):

表1 系統(tǒng)模塊功能設置

3.1 參考資料集成展示模塊

系統(tǒng)能夠?qū)㈩A警報所需參考資料進行集成并實現(xiàn)可視化,包括天氣形勢分析圖片展示和未來形勢分析輸入、各家機構(gòu)預報圖 (全國10米全風速、陸地及高空預測天氣圖、沿岸波浪預報圖、一周氣壓預測圖)、數(shù)值模式結(jié)果展示 (海流、潮位、海浪、海面風)、各家機構(gòu)歷史實況圖以及預報參考手冊 (地面風力及蒲氏風級表、熱帶氣旋等級劃分表和風速浪高對應表)。

3.2 預報制作模塊

系統(tǒng)能夠選擇提取不同機構(gòu) (東海預報中心、南通中心站、國家、美國)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)結(jié)果 (包括風、浪、潮、流、氣溫、水溫、能見度等要素)和天文潮結(jié)果,然后對江蘇沿岸14個基礎預報單元和外海10個漁場的72 h預報單中相應要素進行自動化預填,隨后預報員可以進行人工填寫修改。同時中心站根據(jù)不同的客戶需求定制了特定預報單,系統(tǒng)優(yōu)先從基礎預報單元自動提取預對應要素值,隨后預報員進行相應補充修改后生成指定預報單。該模塊還留有“預報監(jiān)控”界面,可以展示數(shù)值模式的風浪結(jié)果、實時查看每日預報單的完成情況和結(jié)果。

3.3 警報制作模塊

系統(tǒng)可以展示當前中國外海臺風的實時路徑等情況,便于預報員及時關(guān)注臺風動態(tài)。系統(tǒng)能夠選擇提取天文潮位或潮位數(shù)值模擬結(jié)果對風暴潮警報單中潮位進行自動化預填,預報員選擇對應的海浪和風暴潮警報級別后進行制作,修改警報單內(nèi)容、設置發(fā)往單位、上傳警報圖片后即能生成海浪/風暴潮警報單；該模塊還留有 “風暴潮監(jiān)控”界面,可以展示對應的警報產(chǎn)品。

3.4 審核與發(fā)布模塊

圖4 參考資料模塊展示

圖5 基礎預報制作界面

圖6 預報監(jiān)控界面

圖7 風暴潮制作界面

圖8 警報監(jiān)控界面

系統(tǒng)能夠展示已生成的預警報單,預報員通過預報內(nèi)容預覽界面和預報短信預覽界面進一步審核校對預報單后,若無誤則點擊 “審核”通過,預警報單即進入待發(fā)送狀態(tài),預報員根據(jù)設定的程序?qū)崿F(xiàn)“一鍵發(fā)送”,將特定預警報單以不同方式 (郵件、短信、傳真、網(wǎng)頁、FTP等)定時發(fā)送給相應的用戶單位,發(fā)布后留有查詢歷史預警報單的功能；若發(fā)現(xiàn)錯誤,要重新進入預報制作模塊修改相應錯誤后重新生成該預報單,再進入審核發(fā)布模塊進行相應操作。

3.5 系統(tǒng)管理與設置模塊

系統(tǒng)能夠查詢登陸用戶的使用情況日志,修改設置用戶角色和信息,設置特定預警報單的發(fā)布要素、頁面設置以及發(fā)送方式等信息,設置修改潮位站數(shù)據(jù)選擇以及發(fā)送對象的相關(guān)信息。

圖9 預報單審核界面

圖10 預報單定制

4 結(jié) 語

中心站級預警報制作與發(fā)布一體化系統(tǒng)利用數(shù)值預報和經(jīng)驗預報各自優(yōu)勢,為預報人員提供了一套完整的預警報產(chǎn)品制作發(fā)布方案,系統(tǒng)自2019年5月起在南通海洋預報臺開始業(yè)務化運行,性能穩(wěn)定可靠,避免了人工輸入的差錯,實現(xiàn)了及時、準確、有效地將預警報產(chǎn)品以地圖服務、Excel/Word文檔、產(chǎn)品圖片、數(shù)據(jù)庫表等多種形式提供給數(shù)據(jù)展示方、產(chǎn)品定制單位以及社會公眾。系統(tǒng)大大提高了中心站預警報工作的自動化水平,提升了中心站預警的報制作與發(fā)布能力,解放了預報員的生產(chǎn)力、提升了信息的轉(zhuǎn)化率,能夠更高效、便捷地制作精細、準確的預警報產(chǎn)品,顯著提高了海洋預警報的工作效率和正確率,具有較大的應用前景和推廣價值。

中心站級預警報制作與發(fā)布一體化系統(tǒng)的開發(fā)完善了國內(nèi)海洋預報系統(tǒng)的組成,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對天氣形勢的分析、實況數(shù)據(jù)的采集、歷史預報的判斷、未來數(shù)值預報產(chǎn)品的解析,然后制作基礎岸段的要素預報,按不同用戶的需求自動提取相應預報要素生成預報產(chǎn)品,并一鍵分發(fā)給相關(guān)用戶使用,較好地解決了不同單位發(fā)布產(chǎn)品不一致的問題,從而使得該系統(tǒng)的適用性更強,適用范圍更廣。

該系統(tǒng)為我國中心站級海洋氣象預報服務的業(yè)務化運作研究提供了參考,顯著提升了南通中心站對外信息化服務質(zhì)量,增強了中心站內(nèi)部的自動化信息化建設能力,為更好地履行海洋工作精神和指示做出了一定的貢獻,同時也保障了海洋預警報業(yè)務持續(xù)穩(wěn)定運行和科學有序發(fā)展,加快了江蘇省海洋預警報能力建設,拓展了海洋預報信息覆蓋面,不斷滿足日益增長的海洋觀測預報發(fā)展需求。

但是該系統(tǒng)仍有許多不足和待完善之處,例如數(shù)值模擬的結(jié)果需要進行校正,適用后再準確引入,增加了人工校正修改的工作量；擴充生態(tài)預報模塊,隨著近年來赤潮、滸苔等海洋災害在江蘇海域的頻發(fā),生態(tài)監(jiān)測預測技術(shù)的發(fā)展也是必不可少的,基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和生態(tài)監(jiān)測設備的布設,可以考慮補充生態(tài)預報模塊；同時考慮對接江蘇沿海的風險評估結(jié)果,提前評估臺風、冷空氣等災害天氣引起的風暴潮產(chǎn)生的災害程度,減少群眾的生產(chǎn)生活損失。