全国综合气象信息共享系统的设计与实现

为满足对海量气象数据管理和服务的需求,国家气象信息中心设计开发了全国综合气象信息共享系统 (CIMISS)。该文描述了系统基本设计思路、功能结构、基础平台体系结构、信息流程,阐述了系统为用户提供的基础数据使用环境。系统由数据收集与分发系统、数据加工处理系统、数据存储管理系统、数据共享服务系统、业务监控系统5个业务子系统组成,承担数据收集、加工处理、存储管理、共享服务和业务监控任务。系统设计和开发采用了一系列现代信息技术,包括基于消息和文件共享的平台内信息交换、气象数据标准化分类、数据处理作业调度和算法的动态扩展、元数据的设计和应用、公共配置信息管理、全流程业务监视和调度控制、面向服务的多维度数据存储策略、全局数据访问视图和统一访问接口设计等。该系统为我国国家级和省级气象业务提供了统一规范的气象数据使用环境。     

MICAPS4服务端系统架构设计

MICAPS4体系采用客户端/服务器的系统架构,其中服务端系统是MICAPS4的重要部分,利用分布式存储与分布式计算技术,构建可容纳102 TB量级的气象实时数据,千万数据总量,面向数百并发用户的服务器集群系统。MICAPS4服务端系统在国内率先实现全部气象实时数据由文件到数据库、从集中式系统到分布式系统的迁移,该系统自2015年起在全国推广使用。在海量气象数据和大量用户并发访问的环境下,表现出很高的稳定性和优越的读写性能,同时具有便捷的扩展性和可维护性。MICAPS4服务端系统分为分布式存储系统、分布式前处理系统、站点实况轮询系统、查询服务器系统和监控系统5个子系统,分布式存储子系统为MICAPS4客户端提供了近实时数据的高速随机与顺序读取服务,分布式前处理系统利用对等分布式架构实现了海量气象实时数据的流式计算,站点实况轮询系统实现了跨系统的实况数据异构副本的同步功能,查询服务器系统利用多线程服务器技术实现了MICAPS4客户端的实时计算请求,监控系统利用部署于每个节点的探针实现监控信息的主动上报。     

高频精细化气象格点数据实时处理系统设计与实现

以高频海量气象格点数据为研究对象，针对传统实时处理系统数据处理效率不高的问题，设计并实现了高频精细化气象格点数据实时处理系统的总体架构和业务流程，在分析海量高频次气象格点数据特点的基础上，设计和实现了符合气象业务需求的分布式存储模型；利用多通道动态感知技术实现了动态多通道的文件处理和文件到达的快速感知触发；利用实时数据快速处理技术实现基于精准位置寻址的快速数据块定位算法，进而实现数据块的精准定位；利用数据按需实时截取技术实现了在空间范围内按需进行裁剪的截取算法，进而实现数据按需抽取；实际业务应用表明，系统有效地提升了半结构气象数值预报产品数据的实时处理效率。     

MICAPS3数据服务器应用和维护

2009年中国气象局推出MICAPS3数据服务器,目前大多数省已经完成该系统的部署。MICAPS3数据服务器的应用是MICAPS发展的一种趋势,新增的气象资料和数据将通过MI-CAPS3数据服务器进行处理生成MICAPS产品数据,提供给预报员使用。     

修改MICAPS系统配置参数提高气象资料时效性

通过在局域网络中建立专用MICAPS人机交互处理系统服务器,修改其余微机MICAPS系统配置参数就能直接访问该服务器处理好的资料,提高了现有气象业务系统利用卫星网提供的气象数据的效性,同时使全局能运行Windows3．x操作系统的386微机都能使用MICAPS系统,大大方便了用户,提高了预报工作效率,最大限度地利用现有的计算机资料。     

修改MICAPS系统配置参数提高气象资料时效性

通过在局域网络中建立专用MICAPS人机交互处理系统服务器,修改其余微机MICAPS系统配置参数就能直接访问该服务器处理好的资料,提高了现有气象业务系统利用卫星网提供的气象数据的效性,同时使全局能运行Windows3.x操作系统的386微机都能使用M1CAPS系统,大大方便了用户,提高了预报工作效率,最大限度地利用现有的计算机资料.     

舒适度测量仪探测系统开发

舒适度测量仪探测系统主要由采集器、传感器、支架、供水系统、通信模块、数据采集软件6个部分组成.除通信模块之外,其他5个部分都是全新设计.采集器是系统的核心,负责数据的采集、处理和传输;数据采集软件安装在中心服务器上,负责数据的采集、处理、显示和存储,并能远程监测和遥控探测现场的设备.此外,对舒适度的相关理论进行分析,给出适合广州地区的舒适度指数分级标准,并对舒适度测量仪探测数据进行分析.近一年的试运行表明,系统运行稳定、探测数据可靠、适合业务组网的要求.     

厦门市自动气象站数据通信系统设计

结合厦门市实际情况,在信息传输环节,厦门市自动气象站采集的信息传输更适合采用无线方式完成数据通信。设计了一种基于GPRS网络的多点对单点主从式自动气象站数据通信传输系统。系统中各自动气象站点的数据采集器完成气象要素信息采集,各站点的GPRS通信模块在GPRS网络中通过DDN专线与租用静态IP地址的移动中心服务器构成数据通信传输网络,中心服务器与厦门市气象台网络信息中心通过TCP/IP协议实现实时通信,气象观测终端软件完成数据的存储及加工。截止到2010年9月初,系统已稳定运行8个月。该系统不受传输距离的限制、成本低、建设快,适用于各类气象自动站远程数据传输和控制,提高了气象信息发布效率。     

广州至北京卫星数据传输质量的改善

因广州至北京卫星数据传输频繁出现传输迟延问题,针对距离长、中间环节多、故障定位难的特点,结合地面站至卫星中心数据传输网络结构和工作信息流程,在国家卫星气象中心等多方的协助下,对广州至北京网络中的传输数据和传输通道进行测试与分析,结果表明:主要是当前卫星数据传输系统的后端服务器已不适应卫星资料实时传输和处理的要求,造成广州至北京传输信道带宽不稳定,致使广州站部分卫星数据不能及时到达卫星中心。根据分析结果采取相应的改进措施,使困扰多时的广州卫星数据传输迟延问题得到改善,为今后庞大卫星数据远程传输系统设计和维护提供参考。     

SWAN2.0系统的设计与实现

强对流天气短时临近预报系统（Severe Weather Automatic Nowcasting,SWAN）是面向短时临近监测、分析、预报、预警制作等功能为一体的业务平台。SWAN2.0基于MICAPS4（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System Version 4.0,人机交互气象信息处理和天气预报制作系统）二次开发框架,采用C/S架构,服务器部署在省级,负责收集数据,运算SWAN产品;客户端部署在气象台站,实现具体的预报业务,并形成算法二次开发接口。SWAN2.0新增了三维变分风场反演、基于分雨团技术的雷达降水估测、冰雹识别等方法,实现了算法管理、产品生成、分析处理、资料检索显示、实时监控报警、预警产品制作等功能。SWAN2.0业务系统已在全国试用,在强对流天气监测、分析和短时临近预报预警中发挥了重要作用。     

BP神经网络在图像字符识别中的改进和应用

传统BP神经网络算法虽然具有良好的学习能力和容错能力,但是收敛速度慢,易陷入局部极小点等缺点制约了它的进一步发展和应用.针对这些不足,采用自适应学习率结合附加动量因子的方法可以有效缩短训练时间,加快收敛速度,同时抑制寻优算法陷入局部极小点.将该算法应用于图像字符识别系统中,通过一系列实验优化系统参数之后给出系统识别结果,表明该系统识别具有较高的准确性和鲁棒性.     

预加载共享动态链接库算法在桌面Linux环境下的设计与实现

针对桌面Linux操作系统在支持桌面交互应用程序上存在着系统响应慢和交互能力差等问题,从内存管理角度提出了旨在缩短系统响应时间、增强系统交互能力的预加载共享动态链接库算法,并在桌面Linux环境下设计和实现了它。该算法从Linux应用程序频繁地调用共享动态链接库这一特点出发,根据共享动态链接库被调用的频率,动态地选择被调用最频繁的一些共享动态链接库,并预先将它们加载到物理内存空间,以加快进程的执行速度,缩短系统的响应时间,最终提升系统的交互能力。     

预处理JFNK方法及其在大气方程中的初步应用

为提高数值求解大气方程的速度, 研究了预处理JFNK（Jacobian-Free Newton-Krylov）方法及其在大气方程中的应用。这是一种非线性外循环Newton迭代与线性内循环Krylobv迭代相结合的快速算法,其优点是进行外循环Newton迭代时不要求Jacobian矩阵的形成和存储;它的有效性取决于内循环中线性系统的预处理。首先介绍了JFNK算法,然后以浅水波方程为例,描述了非线性残值的形成、预处理矩阵的构造及其在JFNK算法中的应用。试验结果表明：对内循环线性系统进行适当的预处理,能大幅度提高JFNK算法的运算速度。因而,JFNK是一种值得在大气方程中推广应用的方法。     

目标检验方法在高分辨率数值天气预报检验中的应用

基于高分辨率数值模式的特点,为了弥补传统站点对站点等检验方法的不足,采用基于目标诊断的空间检验方法 MODE,对上海快速更新同化系统预报的2014年3月19日强对流降水和冰雹雷达回波进行了客观检验。该方法通过在空间场中识别目标,综合考虑了空间位置、形状、面积等多种因素,采用模糊逻辑算法计算预报和观测目标的相似度。结果表明,MODE在高分辨率数值模式检验中比传统方法具有明显的优势,尤其针对雷达回波的检验有较高的实际应用价值。同时讨论了MODE方法卷积平滑半径参数的选取对高分辨模式检验结果的影响。     

基于移动互联网的短临降水预报服务短语算法设计与应用

随着信息技术的快速发展和气象现代化的快速推进,民众对气象服务要求越来越高,气象服务产品的种类、品质也需要与时俱进。本文从用户生活的实际需求出发,基于雷达反演降水实况融合数据的0~1h短临降水预报,设计0~1h短临降水预报的算法,不同降水趋势下服务短语生成,开发了0~1h短临降水预报服务短语应用系统,并集成到智慧气象APP和浙江降水发布系统手机客户端软件开展服务,有助于提升气象服务质量。     

新一代天气雷达地物回波及电磁干扰质控算法业务试运行评估

对雷达基数据质控方法的定量评估是业务应用推广的重要步骤。本文针对中国气象科学研究院研发的地物回波及电磁干扰回波质控算法在"新一代天气雷达建设业务软件系统开发及应用(ROSE)"系统中的业务试应用,使用2014年4—10月系统试运行的10个雷达站的数据,提出了评估方法及评估指标。利用统计和典型个例分析方法对算法进行了初步业务试运行的效果评估,验证了算法的可靠性,提出了适用范围及改进措施。结果表明:该方法对地物回波的识别成功率为92.29%,但存在漏判和误判。参与评估的CB雷达径向速度资料质量高,识别效果好;SA和SB雷达的识别效果受到了观测模式等导致径向速度资料质量变差的影响。电磁干扰回波的识别成功率为94.39%,能有效识别小于5个径向的窄条幅状干扰回波,但仍需改进算法完成对麻点状、螺旋状和大面积径向干扰回波的自动识别。对雷达资料的定量应用,需采取质控,而预报员的实时观测可根据情况进行选择性质控。     

利用卫星云图定量分析副热带高压活动的方法及应用

利用数字图像处理方法，设计了一种多重处理的算法，从卫星云图提取定量信息，定量描述副高强度和演变趋势，并应用于预报业务。应用实践表明，这些方法具有客观、定量、自动等优点，在实际使用中可客观定量地跟踪和预报副高演变，对做好广西前汛期暴雨预报有较大的帮助。     

基于双目视觉的船舶跟踪与定位

设计了基于双目视觉的船舶跟踪与定位系统,并且完成对应算法设计.算法分为摄像机标定、目标跟踪、立体匹配、视差定位4个模块,其中,跟踪模块以目标窗口的形式给出跟踪结果,匹配模块在跟踪结果中进行左右目立体匹配,定位模块根据左右目匹配点对的像素位置计算其在物理空间的坐标,减少了匹配时间.实验结果表明,该方式可实现实时跟踪目标并给出目标的准确位置,满足应用要求.该定位系统可同时完成动态目标跟踪和定位,提供三维图像的丰富信息,具有很强的推广应用价值.     

一种基于三部图网络的协同过滤算法

推荐系统是电子商务领域最重要的技术之一,而协同过滤算法又是推荐系统用得最广泛的.提出了一种基于加权三部图网络的协同过滤算法,用户、产品及标签都被考虑到算法中,并且研究了标签结点的度对用户相似性计算的影响.实验结果表明,此算法在解决用户冷启动问题的同时,还具有较高的推荐准确性.