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1、宁夏气象业务内网的功能与实现 李新庆 卫建国 单新兰 冯瑞萍 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室 宁夏气象防灾减灾重点实验室 摘 要： 构建气象业务内网, 形成宁夏气象行业内部统一的数据共享服务平台, 是宁夏全区气象信息化建设的重要任务之一。本文首先描述了系统建设思路、总体架构、功能结构, 然后对气象元数据标准设计、数据收集和处理、数据存储以及数据可视化等关键技术作了阐述。最后, 基于上述关键技术对宁夏气象业务内网进行设计和实现。目前, 该系统已开始试运行, 运行效果良好, 能够对宁夏气象业务起到一定支撑作用。关键词： 气象业务; 数据共享; 元数据; 数据可视化; 宁
2、夏; 作者简介：李新庆 (1983) , 男, 陕西周至人, 硕士, 工程师, 研究方向为气象数据应用.E-mail:ning_。收稿日期：2017-05-20基金：中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室 2017年科研项目 (CAMM-201713) 资助Function and Implementation of Meteorological Service Platform in NingxiaLI Xinqing WEI Jianguo SHAN Xinlan FENG Ruiping Key Laboratory for Meteorological Disast
3、er Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions, CMA; Ningxia Key Lab of Meteorological Disaster Prevention and Reduction; Abstract： The meteorological data share service platform is one of the important tasks of meteorological informatization constr
4、uction in Ningxia. This paper first described the construction thoughts, overall framework, function structure of the system, and then elaborated the key technologies of meteorological metadata standardization, data collection and processing, data storage and data visualization, etc. Finally, the de
5、sign and realization of meteorological service platform in Ningxia were carried out based on the above key technologies. At present, the system is in preoperation stage. The operation results are good by practice, and it is able to support the weather service.Keyword： meteorological business; data s
6、haring; metadata; data visualization; Ningxia; Received： 2017-05-20引言随着宁夏回族自治区气象业务的飞速发展, 对气象资料的共享服务及可视化需求日益迫切。目前宁夏回族自治区气象局各单位自建的各类业务系统多达 85 个, 各系统相对独立, 功能各异, 存储零散, 应用效率较低, 严重制约了数据共享服务需求。为解决诸类问题, 宁夏回族自治区气象局于 2015 年启动“宁夏气象业务内网”系统建设, 旨在整合宁夏气象内部数据资源, 为气象行业用户提供一个包括实况监测、预报预测及预警信息、历史气候资料以及资料运维监控等功能于一体的数据共享
7、平台, 实现各业务系统间信息的便捷共享, 为预报预测业务提供有力支撑1。气象数据自身具有多源异构的特点, 如何构建数据集约、服务共享、业务管理科学的气象业务内网以发挥更大作用来支持预报预测业务, 是宁夏回族自治区气象局需要集中解决的几个核心问题。因此, 将大气科学知识和信息技术进行紧密结合, 使建成的气象业务内网可最大限度地发挥气象数据资源效益2, 减少业务人员对气象数据的收集及处理时间, 大力提升气象预报服务效益, 对气象业务自身发展、相关领域科学研究等方面都具有重要意义。近年来, 国家、各省级气象部门纷纷开展了气象业务内网的研究和建设工作, 以中国气象局为例, 张志强等3设计和开发了国家气
8、象业务内网, 该系统囊括近 100 多个子模块, 覆盖 1 800 余个气象业务产品, 为气象系统内部统一的气象产品展示、业务管理信息共享服务, 其数据源获取依然采用传统结构, 非结构化数据采用 FTP 服务从多个服务器获取, 在数据量较大时, 访问速度受限;浙江省气象局设计开发了浙江省气象业务内网, 该系统为全省气象行业用户提供实时监测、预报、预警等数据的可视化展示和应用, 其数据可视化产品多采用NCL (the National Center for Atmospheric Research Command Language) 的前端绘制, 在访问量增加时数据可视化性能受到制约;另外, 陕
9、西、重庆、安徽等气象局也陆续开展了气象业务内网的建设工作4-6, 均取得一定进展, 归纳起来, 各省所建立的气象业务内网均以 CIMISS (China integrated meteorological information sharing system) 系统为数据支撑, 数据展示效率均依赖于 CIMISS MUSIC (meteorological unified service interface community) 接口的性能, 未对本地数据存储标准做进一步扩展。针对宁夏气象业务内网建设任务要求, 首先对宁夏气象业务内网系统的总体框架设计和各功能模块进行阐述。其次, 对宁夏本地各
10、类气象数据进行梳理, 数据存储标准在严格遵循 CIMISS 系统规范的前提下进行本地化扩充, 制定本区气象资料共享服务数据标准规范, 在此基础上建立宁夏气象综合数据库, 并按照业务逻辑进行划分, 形成基础数据库、业务产品库和服务产品库, 通过提取、转换和加载 (extraction transformation loading, ETL) 技术实现气象数据的集约整合, 为宁夏气象业务内网提供数据支撑。为改善对非结构数据的存储和访问效率, 提出了采用开源 Hadoop 平台的 HDFS 分布式文件存储非结构化数据, 充分利用分布式集群的存储能力, 完成海量气象数据的存储和处理, 从而保证各类气象
11、业务数据的存储和检索效率。最后, 采用 Bootstrap 响应式框架设计实现宁夏气象业务内网, 并结合开源 Web GIS 技术实现气象数据的可视化, 为区内行业用户提供气象数据在线共享和可视化服务。1 总体设计宁夏气象业务内网以 CIMISS 系统和宁夏综合数据库 (基础数据库、业务产品库和服务产品库) 为数据源, 以虚拟化服务器为硬件支撑, 系统采用 B/S 体系架构, 基于 Web GIS 可视化技术, 实现气象实时、历史数据和业务产品的集中展示, 并提供业务管理功能, 系统总体框架如图 1 所示。由图 1 可知, 系统总体架构采用成熟的三层体系架构:服务层、业务逻辑层和数据层7。服务
12、层为标准的 Web 客户端, 负责与用户交互, 并通过 Web GIS、图表等方式实现各类气象数据的展示。业务逻辑层实现数据的加工、处理和质量控制, 是各业务功能的集成, 同时还包括数据的抽取和同步, 实现上层数据的透明访问;另外, 业务逻辑层还提供用户管理、文件服务、地图数据发布及可视化图形管理等服务。数据层实现元数据、结构化数据、非结构化数据、地理空间数据的存储管理, 并提供气象行业标准化的数据访问接口。图 1 宁夏气象业务内网总体框架 Fig.1 Framework of meteorological service system in Ningxia 下载原图2 功能设计宁夏气象业务内
13、网主要分为首页、实况观测、天气预报、气候预测、农业气象、人影天气、专业服务、数据服务、运维监控以及业务管理 10 个功能模块。(1) 首页首页是综合观测信息的总览, 包括各功能模块的导航, 系统不仅可从菜单栏浏览所有功能, 也可通过界面快速功能入口进入各功能模块。在系统首页上, 用户可读取宁夏 5 市常用气象要素的 12 h 时序图及实况填图、天气预报及预警信息和最新公告等。(2) 实况观测实况观测主要包括地面观测数据的实况展示, 气象要素主要包括气温、气压、降水、风速、风向和相对湿度, 时段上包括逐小时资料、逐日资料、逐月资料。展示效果分为要素色斑图、实况填图和折线图。(3) 天气预报天气业
14、务主要提供天气预报服务。按照时间尺度, 涵盖中长期预报、短期预报、短时临近预报产品;按照预报方式, 涵盖主观预报、数值预报、精细化预报等产品。此外, 还包含灾害预警、决策服务信息共享等内容。(4) 气候预测气候预测模块包括气候监测诊断、气候预测、影响评估、气候变化、气候模式、气候服务、气候检验 7 大类的产品发布和可视化展示。针对大多数图像产品, 气象业务内网按照气候中心规定的发布时间和发布频次及时更新产品, 同时保留历史产品, 以便业务和科研用户便捷获取。(5) 农业气象农业气象主要包括土壤水分逐小时要素资料的展示, 气象要素包括土壤相对湿度、土壤体积含水量、土壤重量含水率、土壤有效水分储存
15、量的 GIS 地图展示。(6) 人影天气人影天气包括人工影响天气指挥中心的基础数据和人影作业条件潜力预报产品, 如 GRAPES_CAMS 模式产品、MM5_CAMS 模式产品、地面火箭作业数据、地面高炮作业数据、作业站点信息、人影作业简报等。(7) 专业服务专业服务主要包括气象服务中心的预报产品展示, 如紫外线实况预报、空气质量预报、城市生活指数、交通预报、旅游预报、功能指数等。(8) 数据服务实现宁夏全区历史气象数据、实时气象数据的在线检索和下载服务, 涵盖地面、高空、辐射、农气、数值预报、大气成分、雷达、卫星、气象服务产品及其他等 10 大类, 提供数据分类导航、定位和数据检索、FTP
16、下载服务以及数据接口服务。(9) 运维监控运维监控模块主要面向区级、市级和县级人员提供各类基础观测资料的实时收集传输监控、业务产品和服务产品的生成监控, 同时还包括重要业务系统的系统资源和网络状态监控。(10) 业务管理业务管理包括气象业务上传和下发的数据服务通报、传输质量报表、现代化建设等各类业务报表的共享和管理。3 关键技术3.1 元数据设计元数据是对信息资源的规范化描述, 是按照一定的标准从信息资源中抽取出相应的特征, 组成一个特定的元素集合8。这种规范化的信息描述必须准确, 且气象要素的各项特征明确, 因此元数据标准的设计是开展数据库设计的前提。气象数据具有连续性、时间性、空间性、地域性、多样性和异构性等鲜明特征9, 要实现种类繁多、特点各异、结构不同的气象数据在气象业务内网上集中共享, 就必须对其进行合理的分类。在参考 QXT1022009气象资料分类与编码、QXT1332011气象要素分类与编码、QXT2332014气象数据库存储管理命名以及国家
