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中国气象局2018年 第29卷 第1期
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摘要
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2018, 29(1): 1-12.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180101
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摘要:
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。
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。
2018, 29(1): 13-24.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180102
摘要:
随着我国智能网格预报业务的开展，海量高分辨率客观数据需要便捷的分析显示及产品制作平台高效处理。该文基于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）设计并实现智能网格预报平台，采用MVVM（模型-视图-视图模型，model-view-viewmodel）设计模式，实现业务逻辑与视图的分离，通过对各子功能模块的划分，降低模块之间的耦合度，具有良好的可扩展性。平台实现了高分辨率网格预报数据的显示分析和产品输出，开发了基于等值线、网格、关键点等智能化预报制作工具，集成了降水时间拆分、温度极值订正等客观预报方法，开发了降水、温度、相对湿度等要素一致性处理方法，可有效帮助预报员提高工作效率，同时能够确保产品之间的一致性。平台继承MICAPS4的微内核组件服务、高性能渲染引擎和开放式插件扩展管理等优良特性，实现面向智能网格预报的业务编排、智能编辑和算法集成。目前，该平台已经实现业务应用，为全国智能网格预报业务提供重要支撑。
随着我国智能网格预报业务的开展，海量高分辨率客观数据需要便捷的分析显示及产品制作平台高效处理。该文基于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）设计并实现智能网格预报平台，采用MVVM（模型-视图-视图模型，model-view-viewmodel）设计模式，实现业务逻辑与视图的分离，通过对各子功能模块的划分，降低模块之间的耦合度，具有良好的可扩展性。平台实现了高分辨率网格预报数据的显示分析和产品输出，开发了基于等值线、网格、关键点等智能化预报制作工具，集成了降水时间拆分、温度极值订正等客观预报方法，开发了降水、温度、相对湿度等要素一致性处理方法，可有效帮助预报员提高工作效率，同时能够确保产品之间的一致性。平台继承MICAPS4的微内核组件服务、高性能渲染引擎和开放式插件扩展管理等优良特性，实现面向智能网格预报的业务编排、智能编辑和算法集成。目前，该平台已经实现业务应用，为全国智能网格预报业务提供重要支撑。
2018, 29(1): 25-34.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180103
摘要:
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。
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。
2018, 29(1): 35-44.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180104
摘要:
台风及海洋气象一体化预报平台为面向台风和海洋气象业务的预报预警服务的支撑系统，集数据采集、转换、预报、分析、产品制作、发布等功能于一体。该平台基于人机交互气象信息处理和天气预报制作系统MICAPS4（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System Version 4）框架开发，结合台风、海洋气象新型的观测和预报数据，实现台风、海洋气象数据的集约化检索与显示、精细化格点编辑、台风和海洋气象产品制作、产品发布等功能。台风及海洋气象一体化预报平台设计基于面向服务和分层体系结构，采用组件化设计方法，涵盖数据解析、分析处理、产品制作、交互工具、配置管理等核心组件，形成可扩展的业务功能模块和二次开发接口，目前已作为中央气象台台风海洋气象预报预警业务的主要平台投入使用。
台风及海洋气象一体化预报平台为面向台风和海洋气象业务的预报预警服务的支撑系统，集数据采集、转换、预报、分析、产品制作、发布等功能于一体。该平台基于人机交互气象信息处理和天气预报制作系统MICAPS4（Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System Version 4）框架开发，结合台风、海洋气象新型的观测和预报数据，实现台风、海洋气象数据的集约化检索与显示、精细化格点编辑、台风和海洋气象产品制作、产品发布等功能。台风及海洋气象一体化预报平台设计基于面向服务和分层体系结构，采用组件化设计方法，涵盖数据解析、分析处理、产品制作、交互工具、配置管理等核心组件，形成可扩展的业务功能模块和二次开发接口，目前已作为中央气象台台风海洋气象预报预警业务的主要平台投入使用。
2018, 29(1): 45-56.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180105
摘要:
针对多源、海量、实时气象数据的特点和高交互天气预报预警的业务需求，设计开发了MICAPS4网络平台，该平台包括服务器和网络前端结构，该平台可以实现网络气象数据叠加显示和交互分析等功能。该平台基于统一气象数据模型和分布式实时计算处理框架对多源海量、实时气象数据进行快速处理、计算分析、网络传输和发布，基于HTML5渲染绘制技术实现了浏览器端气象数据的标准实时渲染绘制和交互操作等。MICAPS4网络平台及基于该平台搭建的国家级、省级专业气象网络应用业务系统运行稳定，实现了海量气象数据的网络快速处理分析、高效渲染绘制、预报预警制作交互操作等功能，对建设国家级和省级气象网络应用系统具有重要意义。
针对多源、海量、实时气象数据的特点和高交互天气预报预警的业务需求，设计开发了MICAPS4网络平台，该平台包括服务器和网络前端结构，该平台可以实现网络气象数据叠加显示和交互分析等功能。该平台基于统一气象数据模型和分布式实时计算处理框架对多源海量、实时气象数据进行快速处理、计算分析、网络传输和发布，基于HTML5渲染绘制技术实现了浏览器端气象数据的标准实时渲染绘制和交互操作等。MICAPS4网络平台及基于该平台搭建的国家级、省级专业气象网络应用业务系统运行稳定，实现了海量气象数据的网络快速处理分析、高效渲染绘制、预报预警制作交互操作等功能，对建设国家级和省级气象网络应用系统具有重要意义。
2018, 29(1): 57-69.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180106
摘要:
利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）数值预报产品和动态统计预报方法，对北京、天津、石家庄等14个京津冀重点城市雾霾与空气污染进行定量化的中期预报试验，包括对首要污染物PM2.5浓度和能见度的逐时定量化预报及雾霾现象的客观化判断，并对2015年10月1日-2016年11月10日试验预报效果进行了检验评估。检验结果显示：该方法对北京及周边城市未来10 d逐时和逐日能见度、PM2.5浓度及雾霾现象的预报值与观测值之间具有显著正相关系数、较高的误差减少量和TS评分等，表明基于ECMWF数值预报产品和动态统计预报方法的京津冀雾霾污染中期定量化预报技术整体上具有较高的可靠性、稳定性与预报技巧性。此外，检验指标还显示出该动态统计预报方法对能见度的预报效果要略优于PM2.5浓度预报，同时对霾的预报准确率高于对雾的预报。个例分析显示，该动态统计预报方法能提前5~6 d预报出北京地区典型持续性雾霾污染的发展过程，对持续性雾霾的提前预报预警具有较好的参考意义。
利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）数值预报产品和动态统计预报方法，对北京、天津、石家庄等14个京津冀重点城市雾霾与空气污染进行定量化的中期预报试验，包括对首要污染物PM2.5浓度和能见度的逐时定量化预报及雾霾现象的客观化判断，并对2015年10月1日-2016年11月10日试验预报效果进行了检验评估。检验结果显示：该方法对北京及周边城市未来10 d逐时和逐日能见度、PM2.5浓度及雾霾现象的预报值与观测值之间具有显著正相关系数、较高的误差减少量和TS评分等，表明基于ECMWF数值预报产品和动态统计预报方法的京津冀雾霾污染中期定量化预报技术整体上具有较高的可靠性、稳定性与预报技巧性。此外，检验指标还显示出该动态统计预报方法对能见度的预报效果要略优于PM2.5浓度预报，同时对霾的预报准确率高于对雾的预报。个例分析显示，该动态统计预报方法能提前5~6 d预报出北京地区典型持续性雾霾污染的发展过程，对持续性雾霾的提前预报预警具有较好的参考意义。
2018, 29(1): 70-83.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180107
摘要:
利用常规气象观测、广州多普勒天气雷达及NCEP/NCAR再分析等资料对比广东省佛山市2015年10月4日EF3级和2006年8月4日EF2级台风外围强龙卷过程。结果表明：两次强龙卷都发生在登陆台风的东北象限，低层辐合、高层辐散及中低空强劲东南急流在珠江三角洲叠加是其产生的相似环境背景。环境参数均表现为较小的对流有效位能、低的对流抑制与抬升凝结高度、强的垂直风切变和大的风暴相对螺旋度。两个龙卷母体均为微型超级单体，前者雷达回波强度更强，钩状回波特征更明显；都存在强中气旋和龙卷涡旋特征（TVS），中气旋都在中低层形成后，向更低层发展最终导致龙卷。TVS比龙卷触地提前1个体扫出现，或与龙卷触地同时发生，中气旋和TVS的底高和顶高均很低。但两次龙卷触地前后，前者中气旋和TVS的底高和顶高出现突降现象，而后者中气旋和TVS的底高和顶高一直维持较低高度。龙卷触地前后，两者风暴单体的最强切变均出现剧增现象，但前者TVS的最强切变更强，比后者大1倍以上。
利用常规气象观测、广州多普勒天气雷达及NCEP/NCAR再分析等资料对比广东省佛山市2015年10月4日EF3级和2006年8月4日EF2级台风外围强龙卷过程。结果表明：两次强龙卷都发生在登陆台风的东北象限，低层辐合、高层辐散及中低空强劲东南急流在珠江三角洲叠加是其产生的相似环境背景。环境参数均表现为较小的对流有效位能、低的对流抑制与抬升凝结高度、强的垂直风切变和大的风暴相对螺旋度。两个龙卷母体均为微型超级单体，前者雷达回波强度更强，钩状回波特征更明显；都存在强中气旋和龙卷涡旋特征（TVS），中气旋都在中低层形成后，向更低层发展最终导致龙卷。TVS比龙卷触地提前1个体扫出现，或与龙卷触地同时发生，中气旋和TVS的底高和顶高均很低。但两次龙卷触地前后，前者中气旋和TVS的底高和顶高出现突降现象，而后者中气旋和TVS的底高和顶高一直维持较低高度。龙卷触地前后，两者风暴单体的最强切变均出现剧增现象，但前者TVS的最强切变更强，比后者大1倍以上。
2018, 29(1): 84-96.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180108
摘要:
利用2013年8月北京C波段双偏振多普勒天气雷达体扫数据、探空资料和地面雨量站资料，获得反射率因子垂直廓线（vertical profile of reflectivity，VPR）识别零度层亮带，比较平均反射率因子垂直廓线（mean VPR，MVPR）、显著反射率因子垂直廓线（apparent VPR，AVPR）和显著相关系数垂直廓线（apparent vertical profile of correlation coefficient，AVPCC）3种零度层亮带订正方法的效果，并利用地面雨量站资料进行定量降水估计（quantity precipitation estimation，QPE）验证订正效果。结果表明：采用MVPR和0℃层高度能有效识别零度层亮带，零度层亮带厚度为0.8~1.5 km；经3种方法订正后，零度层亮带影响区得到了不同程度的抑制，其中MVPR法订正效果最差，基本未能减弱零度层亮带的影响，AVPR法和AVPCC法的订正效果较好，明显减弱了零度层亮带影响区的回波强度，订正后回波更均匀。利用地面雨量站数据进行QPE验证表明：经零度层亮带订正后雷达估测的降水与地面雨量站实测降水更接近，也表明AVPR法和AVPCC法效果更好。
利用2013年8月北京C波段双偏振多普勒天气雷达体扫数据、探空资料和地面雨量站资料，获得反射率因子垂直廓线（vertical profile of reflectivity，VPR）识别零度层亮带，比较平均反射率因子垂直廓线（mean VPR，MVPR）、显著反射率因子垂直廓线（apparent VPR，AVPR）和显著相关系数垂直廓线（apparent vertical profile of correlation coefficient，AVPCC）3种零度层亮带订正方法的效果，并利用地面雨量站资料进行定量降水估计（quantity precipitation estimation，QPE）验证订正效果。结果表明：采用MVPR和0℃层高度能有效识别零度层亮带，零度层亮带厚度为0.8~1.5 km；经3种方法订正后，零度层亮带影响区得到了不同程度的抑制，其中MVPR法订正效果最差，基本未能减弱零度层亮带的影响，AVPR法和AVPCC法的订正效果较好，明显减弱了零度层亮带影响区的回波强度，订正后回波更均匀。利用地面雨量站数据进行QPE验证表明：经零度层亮带订正后雷达估测的降水与地面雨量站实测降水更接近，也表明AVPR法和AVPCC法效果更好。
2018, 29(1): 97-110.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180109
摘要:
采用中尺度模式WRF和美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心的资料同化系统开展中国东部地区35部风廓线雷达资料同化试验研究，在同化1 h平均采样产品前，对其进行气候极值检查、一致性检查、垂直稀疏化等质量控制，选取2014年5月16-17日暴雨过程评估同化风廓线雷达资料对降水预报的影响，探讨其对初始场改进作用，之后，通过批量试验再次确认同化风廓线雷达资料可有效提高降水预报能力。个例同化试验对比分析表明：同化风廓线雷达资料后，暴雨区及其上游地区850 hPa的风速增强20%~30%，水汽通量增加30%~50%，大气层结不稳定性增强，小雨和大雨TS评分分别提高0.06和0.07，暴雨漏报率和空报率分别降低0.04和0.05，降水预报得到改进。
采用中尺度模式WRF和美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心的资料同化系统开展中国东部地区35部风廓线雷达资料同化试验研究，在同化1 h平均采样产品前，对其进行气候极值检查、一致性检查、垂直稀疏化等质量控制，选取2014年5月16-17日暴雨过程评估同化风廓线雷达资料对降水预报的影响，探讨其对初始场改进作用，之后，通过批量试验再次确认同化风廓线雷达资料可有效提高降水预报能力。个例同化试验对比分析表明：同化风廓线雷达资料后，暴雨区及其上游地区850 hPa的风速增强20%~30%，水汽通量增加30%~50%，大气层结不稳定性增强，小雨和大雨TS评分分别提高0.06和0.07，暴雨漏报率和空报率分别降低0.04和0.05，降水预报得到改进。
2018, 29(1): 111-119.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180110
摘要:
采用MODIS数据重构夏玉米归一化植被指数生长曲线，提取并建立特征点位对应日期与作物进入不同物候期的实际日期之间的最佳匹配关系。研究表明：使用改进的SG（Savitzky-Golay）迭代滤波对最大值合成后的植被指数时间序列做平滑处理并进行Logistic曲线拟合，可得到时间分辨率为1 d的作物生长过程曲线，经与2013-2014年物候期实测数据匹配，选择利用动态阈值1提取七叶期，均方根误差为5.4 d；利用曲率最小值提取拔节期，均方根误差为6.4 d；利用动态阈值2提取抽雄期，均方根误差为6.0 d。经2015年物候期实测数据验证，3个关键物候期的遥感监测误差均在6 d以内。利用该方法可提高基于遥感数据开展大面积作物物候期监测识别的效率和准确率。
采用MODIS数据重构夏玉米归一化植被指数生长曲线，提取并建立特征点位对应日期与作物进入不同物候期的实际日期之间的最佳匹配关系。研究表明：使用改进的SG（Savitzky-Golay）迭代滤波对最大值合成后的植被指数时间序列做平滑处理并进行Logistic曲线拟合，可得到时间分辨率为1 d的作物生长过程曲线，经与2013-2014年物候期实测数据匹配，选择利用动态阈值1提取七叶期，均方根误差为5.4 d；利用曲率最小值提取拔节期，均方根误差为6.4 d；利用动态阈值2提取抽雄期，均方根误差为6.0 d。经2015年物候期实测数据验证，3个关键物候期的遥感监测误差均在6 d以内。利用该方法可提高基于遥感数据开展大面积作物物候期监测识别的效率和准确率。
2018, 29(1): 120-128.
DOI: 10.11898/1001-7313.20180111
摘要:
基于WebGIS技术采用服务即是软件、软件即是服务的建设思路，结合可扩展框架技术，实现基于服务集成的气象服务产品在线制作系统的建设，从一定程度上解决了系统产品制作面临的不能集中部署、规范不统一、效率低下、更新复杂等问题。系统分为服务器端和客户端两部分，服务器端负责服务接口的开发和发布，客户端负责各级调度管理和运行。该系统解决了服务的注册、标准化、流水线化、参数序列化、多级任务调度等多个关键技术，系统具备可扩展性、产品标准化、流程规范化、跨平台等特点，系统建设的完成增加了气象服务产品制作的规范性、接口化，产品制作时间由原来的1~2 min降至10 s以内。
基于WebGIS技术采用服务即是软件、软件即是服务的建设思路，结合可扩展框架技术，实现基于服务集成的气象服务产品在线制作系统的建设，从一定程度上解决了系统产品制作面临的不能集中部署、规范不统一、效率低下、更新复杂等问题。系统分为服务器端和客户端两部分，服务器端负责服务接口的开发和发布，客户端负责各级调度管理和运行。该系统解决了服务的注册、标准化、流水线化、参数序列化、多级任务调度等多个关键技术，系统具备可扩展性、产品标准化、流程规范化、跨平台等特点，系统建设的完成增加了气象服务产品制作的规范性、接口化，产品制作时间由原来的1~2 min降至10 s以内。
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