基于CIMISS全国精细化格点预报业务数据环境系统设计与实现

随着精细化预报业务不断发展,迫切需要建立支撑国省网格预报实时同步、协同一致的全国精细化格点预报业务数据环境。本文分析了精细化预报业务的特点,阐述了基于全国综合气象信息共享平台(CIMISS)的精细化格点业务数据环境的系统架构、数据流程、核心功能及相关技术实现。业务运行结果表明,数据环境实现了国省间格点预报实时同步和共享,有效支撑了预报产品的及时订正和发布,保证了国省格点预报一致性。     

陕西现代气象一体化格点预报平台简介

为了满足社会精细化预报服务需求,提升陕西气象预报预测精细化水平和准确率,开发设计了陕西现代气象一体化格点预报平台。平台由格点预报基础数据环境,智能编辑系统、智能解析应用系统、预报效果评估系统、气象监测分析系统、综合总控系统等五个子系统及系统配置、系统帮助两个模块组成,为省市县三级业务单位开展精细化预报提供重要支撑。     

陕西省精细化网格预报业务系统技术方法

精细化网格预报不仅是目前中国气象局主推的预报业务,而且是未来天气预报的发展方向。本文详细阐述了陕西省精细化网格预报业务系统中数据产品的技术方法。主要包括4个方面:(1)建立了陕西网格预报技术框架,提出"动态交叉最优要素预报"(DCOEF)的方法来建立基础网格预报场。(2)提出"站点订正值向格点场传递"的格点连续性要素订正方法,交叉检验表明该方法在格点场上24h最低、最高温度2℃的准确率较模式降尺度数据分别提高34%和23%,此外,该方法在背景场协同,主观站点预报和客观格点预报要素值融合一致方面有较好的应用价值。(3)基于"偏差订正"方法订正格点降水,结果表明通过计算预报偏差Bias,来"消空"小雨频率,"补漏"暴雨频率,ECMWF降水预报24h小雨、暴雨TS评分较原模式分别提高2.5%和4.82%。(4)提出"反向离差数据归一化"算法,处理因客观方法或主观订正后数据在时间序列上的矛盾问题,该方法不改变原模式对要素的预报趋势,同时使得要素在时间上协同一致,很好地解决了网格要素预报的时间协同性问题。     

基于百度地图的精细化格点预报显示

精细化格点要素预报是目前中国气象局的主推业务和未来天气预报的发展方向,如何有效地将预报产品提供给用户使用,是精细化格点预报的最终环节。本文介绍了基于百度地图API的陕西精细化格点预报显示系统,系统主要实现了:(1)降水预报,以CMORPH(NOAA Climate Prediction Center Morphing Method)卫星与全国3万个自动观测站的逐时降水量融合资料为基础,通过动态偏差订正的方法来提高格点降水的预报能力;温度预报,采用滑动线性回归的方法来改善温度预报效果。(2)任意位置的地理信息获取及对应格点240h预报时效的气象要素实时展示。(3)格点气象要素向站点转换,通过格点值提取全省98个观测站逐3h站点预报值,实时分析过去24h降水、温度预报与观测值的误差,供用户预判未来预报值的可能误差趋势;并提供未来168h逐日要素预报。(4)与以往的数据库后台支撑不同,本系统直接将3.5GB格点预报数据一次性读入内存,进行侦听,解决了数据库检索、调用效率低下的问题。     

上海精细化格点预报业务进展与思考

针对大城市天气预报服务和精细化预报需求,借鉴美国的图形化格点预报编辑器(GFE)和中国气象局的气象信息综合分析处理系统(MICAPS),上海市气象局于2013年研究建成基于浏览器/服务器(B/S)框架的精细化格点预报系统,2014年6月正式投入业务应用。目前,精细化格点预报系统已成为上海市气象局预报业务的主要支撑平台,系统包括数值模式指导产品、格点编辑工具库和预报产品生成器等核心功能模块,制作发布短临、短期格点预报产品,以及基于订正格点场的图片和乡(镇)、重点功能区预报。主要介绍了系统设计开发和业务应用情况,并对业务应用中的相关问题进行了总结分析。     

中山市气象信息精细化一体服务平台介绍

利用广东省气象局历史实时一体化数据访问接口平台(IDEA)与中山本地现有数据进行整合,统一数据源,以达到发布一致性的使用要求。融合广东省气象局精细化格点预报系统(GIFT),针对中山市各旅游景点、交通道路、电力电缆线路等专业部门用户,提供精细化格点预报产品;针对持有手机等定位设备的移动用户提供针对其所在位置的实时基础数据;针对固定于各镇区的显示屏、大喇叭等发布终端提供所在区域的各类气象预警预报信息。由此,构建中山市气象信息精细化一体服务平台。     

业务流程再造 搭建一体化业务支撑系统

<正>PM-LAPS高分辨率格点实况产品加工系统依托基本观测业务,实现天气实况数据格点化。PM-OCF多模式精细化站点服务产品加工系统依托国家气象中心、国家气候中心的精细化、长时效预报预测产品以及全球数值预报产品,针对10万个预报站点,研发1~3d逐3h、4~7d逐     

基于MICAPS 4的精细化天气预报平台设计及应用

基于气象信息综合分析处理系统第4版(Meteorology Information Comprehensive Analysis Process System4,MICAPS 4)的精细化天气预报平台的设计与应用。从我国精细化气象格点预报业务需求出发,介绍了精细化预报系统的总体组织结构和数据流程,基于MVVM模式的总体架构设计、功能设计以及实现。平台采用高性能的分布式内存对象缓存技术,提高了系统运行效率;采用模型视图分离,将数据逻辑与用户界面剥离,增强其可扩展性,更便于省级本地化应用;开发了要素场协调性处理功能,集成了降水、温度等客观预报算法,并提供丰富的主/客观交互工具。目前,该平台已在业务中应用,为全国精细化预报业务提供了重要支撑。     

榆林现代农业精细化服务平台研究与设计

以现有气象监测数据、格点预报、农业服务研究成果为基础,运用3S、大数据融合技术,建设集监测、服务为一体的榆林现代农业气象服务系统,形成WEB+手机APP的智慧农业气象服务平台,实现了监测自动化、预报精细化、服务系列化、传输网络化和人员专业化的精细化农业气象服务。平台的建设对满足现代农业生产的气象需求和推动榆林智慧农业气象服务工作具有重要意义。     

GRAPES＿Meso模式的降水格点检验和站点检验分析

使用Barnes和最近台站降水频率相结合的混合插值方案,对我国气象台站和水文站组成的高密度降水观测资料进行精细化的网格插值,得到分辨率与GRAPES-Meso(以下简称GRAPES)模式分辨率相同(0.15°)的网格降水资料;同时,将GRAPES模式同分辨率的0～24 h格点定量降水预报结果插值到观测站点上,然后进行了"格点对格点"、"站点对站点"的评分检验.检验的统计量包括偏差(BIA)、公平T评分(ETS)和真实技巧评分(TSS).此外,还基于插值后的精细化格点降水资料,应用近来发展的"面向目标"的客观检验方法检验了5 mm以上降水事件的预报效果.对检验结果的分析表明:(1)两种点对点榆验方法的结果都显示GRAPES模式在我国东部的预报效果好于西部,平原地区好于山区;地形的迎风坡降水的空报偏多,而青藏高原上空和新疆北部则以漏报为主,即模式对复杂地形影响的降水预报能力偏弱.(2)对于各量级的降水,总体上格点检验的结果好于站点检验,格点检验能更好地代表GRAPES模式的预报能力.(3)对于5 mm以上的降水事件,GRAPES模式预报的总次数与雨团直径的分布关系和观测基本一致,特别是模式对直径为60 km的雨团预报效果最好;从地域分布来看,GRAPES模式预报5 mm以上降水的次数在内蒙古东部、东北、华北、江淮、陕西、甘肃南部等地与观测相当,而在长江以南多于观测,尤其是在西南地区东部预报次数明显偏多.     

精细化网格的降水预报解析方法对比

以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)精细化网格降水预报资料、自动气象站观测资料、中国气象科学数据信息网提供的三源融合降水产品为基础,研究最邻近点法、反距离权重法、最小二乘法和双线性插值法在格点降水向站点以及格点降水插值到更细网格中的优缺点和适用性。在模式预报相对准确精细的基础上,得出以下结论:1)最邻近点法在格点向站点解析方面预报技巧评分表现最好,其次为反距离权重法;2)将降水场变换到更高分辨率的格点降水,4种解析结果和原始场均存在一定的差异,其中最小二乘法的空间形态失真最为严重;3)反距离权重法在较粗网格向更细网格变换中的平均TS评分表现最好,而最邻近点法的ETS评分最高。     

基于网格数据的内蒙古决策气象服务技术研究与实现

智能网格气象产品包括智能网格预报和cldasV2.0实况分析产品,将智能网格气象产品应用于决策气象服务,可提高内蒙古决策气象服务精细化水平。利用智能网格产品建立内蒙古地区决策气象服务敏感性分析启动阈值,采用动态数据库sql语句对智能网格格点预报数据和格点实况数据进行检测,当检测达到阈值后,自动启动制作决策气象服务材料。基于WebGis的Openlayers技术实现智能网格格点气象要素数据可视化动态展示和图形下载,根据需求设计自治区、盟市、旗县三级不同层级色斑图和格点图下载及预报图和实况图的自动生成；采用Postgres分布式集群数据库快速统计方法实现cldas2.0实况数据统计、计算和查询。     

基于移动互联网的交通气象服务系统设计与应用

设计并实现了基于移动互联网的交通气象服务系统。通过对用户定位信息与天气现象、能见度、温度、降水、风力等精细化格点数据进行融合,提供了一系列基于位置的创新性交通气象服务:道路前方高影响天气路段语音提醒及气象信息自动化语言表达、基于WebGIS服务的交通气象服务信息展示和基于精细化格点预报数据的智能导航。与传统网页单向式的信息交互方式不同,交通气象服务系统绝大部分数据存储及处理工作在服务端完成,通过Web服务实现了与客户端的双向信息传递,向用户提供精准的基于位置的信息推送。本系统已经在浙江省气象局智慧气象手机客户端中作为一个独立模块实际应用。     

中短期数字化天气预报技术现状及趋势

建立无缝隙集约化的天气预报业务体系,需要进一步加强中短期天气预报业务技术的发展。通过对现状回顾,指出经过2011—2015年的气象现代化建设,在我国国家级和部分省级业务单位已初步建立了数字化中短期业务预报技术流程,其包括数值模式系统、客观方法释用、预报主观编辑制作以及精细化格点后处理四个方面。但与国外发达国家相比,我国中短期业务技术还存在数值模式发展水平不高、客观预报技术方法未全面深入开展、缺乏有效技术工具支撑预报员进行订正、格点化的处理技术基础薄弱等问题。文章在发展现状和问题分析的基础上,提出未来应提高自主数值模式系统的基础支撑作用,深入发展海量预报信息的客观提取及订正技术,加强开发主观和客观融合的技术和工具平台,完善精细化的格点处理技术的发展思路,并进行具体阐述。最后,从技术发展的基础数据支持、路线选择、发展规律以及交流共享四个方面提出参考意见。     

一个简单的格点温度预报订正方法

格点气象要素预报是中国气象局目前的主推业务和未来天气预报的发展方向。本文基于欧洲中期数值预报中心ECMWF高分辨率模式2 m温度预报资料,在传统中央气象台站点温度指导预报SCMOC和回归方法建立的站点温度预报的基础上,提出"站点订正值向格点传递"的方法来订正格点温度预报。结果表明:(1)SCMOC站点最高、最低温度24~168 h预报误差2℃准确率分别平均高于ECMWF的10.0%和23.1%,ECMWF存在较大的系统性偏差,最低温度预报偏高,最高温度预报偏低。(2)"站点订正值向格点传递"方法能够订正模式格点温度预报的系统误差,且整体上不改变原ECMWF温度预报场的空间形态和原模式对地形的刻画特征。(3)利用研究区域内98个县级站SCMOC温度预报,订正ECMWF格点场,返回到区域内1289个乡镇站进行检验,结果24 h最低、最高温度1℃的准确率较ECMWF分别提高22.8%和11.9%,2℃的准确率则分别提高29.7%和17.4%。最低(高)温度绝对误差平均减小0.99℃(0.69℃),平均误差(ME)下降到0.7℃(-0.9℃)以内。(4)通过一元线性回归,得到98个县级站的温度预报,返回差值场来订正格点场,也能较好地订正ECMWF的系统性误差。对比两种方法,SCMOC差值传递在最低温度订正方面有较大的优势,而回归方法的最高温度订正效果较好。此外,回归方法能够较好地改善逐时温度预报效果。该方法已成功运用于陕西省精细化格点预报业务系统中。     

精细化要素客观预报中的站点差异性研究

以山东省乡镇级精细化要素预报为例,预报站点由县级123个增至1 561个。在精细化要素客观预报方法开发中,如何处理多量预报站（格）点问题？利用山东省稠密的区域自动站观测资料,通过分析不同站点空间分辨和地形属性的观测要素的统计学差异,研究各种气象要素的站点差异性。结果表明：温度、降水等要素具有明显的局地小气候特征,需要更高空间分辨率的预报站点来捕捉;市区、郊区以及不同高度山区等站点间最低气温各分位数统计值差异均较大,但相关系数较高,且频率分布形态相似;风对地形更敏感,不同测站间相关系数较低,分位数统计值和频率分布形态差异均较大。上述结果可为精细化要素客观预报业务中的站（格）点处理提供理论和技术支撑。     

基于智能物联网技术的天津城市积水监测预警系统

通过智能物联网技术实时获取积水监测实况数据,利用天津市气象精细化格点预报产品和城市自动雨量观测站实况数据,以机器学习、神经网络模型和天津市城市内涝风险等级划分原理为基础,研究基于用户实时位置的城市内涝预报预警技术,研发天津市城市自动化积水监测预警系统。结果表明,该系统具备一定的城市内涝风险监测预警预报能力,并在2018—2020年多次重大天气过程中应用,积水深度预报结果与监测结果基本一致,应用数据表明验证结果良好,系统可以为政府防灾减灾决策、指挥调度提供精准、及时的气象数据支撑。     

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。     

基于机器学习的格点气温预报订正方法

使用2017年9月至2021年3月国家级业务化运行的智能网格实况分析产品和欧洲中期天气预报中心全球模式(EC)产品,根据湖北省的地理分布特征构建6个分区,采用基于LightGBM机器学习算法建立的气温预报方法,生成湖北省0.05°×0.05°格点气温预报产品。利用2021年4—9月的预报产品和格点实况资料进行检验,结果表明:基于机器学习的气温预报方法(MLT)取得了较好的预报效果,其在0～72 h时效内优于中央气象台下发的气温精细化指导预报(SCMOC)和EC产品;MLT在山区的误差较平原大,但山区的订正幅度大于平原,日最高气温的订正幅度大于日最低气温的订正幅度;4—9月MLT、SCMOC、EC产品的平均绝对误差(MAE)日变化都呈现了白天偏高、夜间偏低、午后凸起的单峰特征,MLT的MAE值较SCMOC和EC产品的更低,并且在转折性天气中仍具有优势;站点检验与格点检验结论一致,基于格点建模的气温预报产品对站点预报同样得到了订正。机器学习在格点气温的模式订正方面可以作为一个行之有效的手段。     

菏泽市气温精细化预报

利用MM5格点资料和菏泽市各测站各时次的气温资料进行相关分析，筛选出显著相关因子，用逐步回归方法建立一套菏泽市气温精细化预报方程，并研制出预报制作软件系统，系统直接从MM5中调用资料，实现了气温预报自动化。