清新福建氣象條件貢獻率評價指標系統設計

李長順，黃文霖，宗 晨，何中聲，柯小青

(1.福建省氣象服務中心，福建 福州 350001；2.數字福建氣象大數據研究所(閩南師范大學)，福建 漳州 363000；3.福建省寧德市氣象局，福建 寧德 352100；4.福建農林大學 林學院，福建 福州 350002)

0 引 言

福建全省森林覆蓋率居全國之首，高達66.8%，也是全國大氣、水、生態環境質量全優的省份之一[1]。2014年國務院確定福建省為全國第一個生態文明先行示范區，并提出要求福建省推進森林旅游、文化等綠色產業和新興產業的發展[2]。生態資源是福建發展生態旅游的寶貴優勢資源，能夠吸引各方游客，帶來可觀的經濟效益。

“清新福建”是福建的生態文化旅游品牌，代表福建鮮明的旅游形象。據福建省統計年鑒，“清新福建”品牌推出后，福建省旅游接待人次和旅游收入均有大幅增長。2018年，福建省政府發布《關于加快推進全域生態旅游的實施方案》，希望氣象部門與旅游部門協同配合，開展做好景區“清新指數”的監測和等級預報服務?！扒逍轮笖怠睂俑＝ㄊ讋揫3]，反映生態景區內空氣質量現狀及變化趨勢，其中負氧離子濃度是主要技術指標?！扒逍轮笖怠奔仁恰扒逍赂＝ā逼放频木唧w量化描述，也是一項科學性的旅游氣象服務產品，可為旅游管理部門、景區經營管理單位和廣大旅游者提供針對景區環境和旅游體驗的精細化的氣象要素服務?！扒逍轮笖怠碑a品的發布將改變因缺乏旅游景區監測數據支撐，只能分區域粗放發布的情況，能有效增強“清新福建”品牌的可信度和吸引力，推動旅游業的轉型升級。

當前計算機和網絡通信技術飛速發展，在氣象預報服務領域的應用日益深入廣泛[4-7]，為旅游氣象服務的發展提供了技術支撐[8-11]。清新福建氣象條件貢獻率評價指標系統在福建全省旅游氣象服務系統建設的統一框架下，根據氣象條件貢獻率模塊的需求和工作流，基于監測、預報和web開發技術，搭建較為完善的氣象條件貢獻率指標系統展示系統，使用科學方法分析負氧離子濃度與各氣象要素的關聯程度和貢獻率，實現數據可視化展示和“清新指數”服務產品的自動業務化運行，以智慧氣象助力生態旅游的發展。

1 系統架構和技術實現方案

1.1 系統技術架構

氣象條件貢獻率評價指標系統根據通用性不同分為4層：用戶層、展示層、應用層、數據資源層，具體如圖1所示。

圖1 系統技術架構

1.1.1 數據資源層

數據資源層為系統提供數據存儲支持，主要是提供各功能模塊的讀寫及管理功能。數據來源包括：國家級或省局CIMISS數據接口、福建省精細化格點預報、全省重點景區(武夷山、三坊七巷、太姥山等10個景區)監測數據等。數據類別包括：氣象實況數據、負氧離子濃度、氣象要素對負氧離子濃度變化貢獻度模型計算結果、“清新指數”等級產品數據、景區信息和用戶信息等。按照數據類型，通過讀取信源文件或API接口的形式對數據進行讀取，按照規范、安全、穩定、高效、易用的原則進行設計，滿足數據的一致性和完整性。

1.1.2 應用層

應用層為系統提供公共服務功能支持，抽取公共服務功能并與具體業務分離，公共服務功能主要包括數據查詢服務、數據處理服務、通信服務、應對決策服務、算法服務及分析工具服務等。

1.1.3 展示層

本層是系統開展相關業務的入口，包含PC端、LED大屏等終端，主要負責系統的人機交互功能及數據、圖形、地圖展示及分析功能，為用戶提供可視化服務，提升旅游氣象服務產品精細化程度及專業化程度。

1.1.4 用戶層

系統面對的用戶對象為省/市/縣不同級別的平臺管理人員及景區管理人員，他們可以利用信息化的氣象管理平臺提升業務服務能力。

1.2 網絡拓撲圖和系統接口設計

1.2.1 網絡拓撲圖

氣象條件貢獻率評價指標系統作為全省旅游氣象服務平臺的一個模塊，在全局網絡拓撲網中建設。系統的部署設計根據系統總體技術架構設計的實際需求，對整個系統的網絡結構、網絡應用按照先進性、成熟性、可靠性、開放性和安全性的原則進行，系統網絡拓撲見圖2。

圖2 系統網絡拓撲

部署設計分為氣象內網、DMZ區、Internet外網3個區域。系統通過連接氣象內網讀取氣象信源數據；將數據庫服務器和應用服務器部署在DMZ區，能夠保證數據傳輸的安全性，氣象內網可以單向訪問DMZ區，在保證安全性的同時也不影響用戶通過外網訪問使用；景區管理人員、各級氣象部門工作人員通過互聯網訪問清新福建氣象條件貢獻率評價指標系統(PC)可以實時查看清新產品，系統使用者可通過系統分析工具對氣象要素與負氧離子濃度之間的關聯關系做進一步的分析。

1.2.2 系統接口設計

氣象條件貢獻率評價指標系統需要處理各類數據，合理的接口設計能夠實現方便快捷的數據調用。本系統接口設計采用Java語言，接口的類型主要分為數據庫接口和外部接口，具體如圖3所示。外部接口用于外部信源接入，通過接口對原始數據進行采集，通過API接口將讀取的數據轉化為標準數據格式；數據庫接口負責對原始數據的深加工，基于不同的業務需求進行差異化處理。原始數據經后臺處理后作為備用數據，用戶調取接口進入后臺邏輯加工，從而返回給用戶所需的格式化數據。

圖3 系統接口設計

1.3 系統數據庫設計

數據庫(DB)是計算機信息系統和計算機應用系統的基礎和核心。清新福建氣象條件貢獻率評價指標評價系統采用Oracle數據庫作為數據存儲支撐，其具有良好的可移植性，使用方便、功能強大，同時應用plsql作為數據設計編輯工具和管理員工具。

在數據庫設計初始階段，首先采用概念數據模型中的E-R模型，以業務需求為主，集中分析相關業務數據之間的直接聯系，從用戶的觀點出發對信息進行建模。然后將E-R模型轉換為面向數據系統、具有嚴格的形式化定義的邏輯數據模型，以便在計算機系統中實現。經過相關的建模分析，本系統的數據庫在設計上分為：基礎地理信息數據庫、氣象信息基礎數據庫、觀測信息數據庫、預報產品數據庫、模型信息數據庫、系統監控數據庫、管理數據庫等。

1.4 關鍵技術實現

1.4.1 氣象條件貢獻率評價體系和方法

基于負氧離子濃度與氣象條件的相關關系，構建氣象條件貢獻率評價體系。采用相關分析法研究負氧離子濃度與氣溫、相對濕度、降水量、24小時變壓、水平能見度和2分鐘平均風速、風向等氣象要素之間的關系，并利用逐步回歸方法[12]按氣象要素與負氧離子濃度的偏相關系數大小次序，將氣象要素自變量逐個引入氣象條件貢獻率方程，對引入方程中的每個氣象要素自變量的偏相關系數進行統計檢驗，效應顯著的氣象要素自變量留在回歸方程內，因引入新氣象要素自變量使方程中的原氣象要素變量不顯著時，將該氣象要素自變量從方程中剔除，通過不斷引入和剔除上述氣象要素自變量，最后得到氣象條件貢獻率方程，從而得到氣象條件對負氧離子濃度的權重賦值。

評價方法采用負氧離子濃度與空氣清新等級對應規范，以負氧離子濃度值作為主要技術指標，等級劃分為非常清新、清新、較清新、一般和不清新5個等級，如表1所示。

表1 負氧離子濃度與空氣清新等級對應關系

1.4.2 “清新指數”預報模型建立方法

“清新指數”這一概念是基于福建省政府“清新福建”戰略需求，在科學嚴謹的學術成果基礎上提出的，通過負氧離子濃度的預報來實現清新指數的預報，在氣象條件貢獻率研究的基礎上，基于氣象條件對負氧離子濃度的權重賦值建立晴天、雨天清新指數預報模型。預報模型建立后，每天利用最臨近的48小時的小時實況氣象數據對回歸方程進行一次循環訂正，不斷滾動更新模型參數，得到最終的動態預報模型，實現對清新指數的精準預報。

1.4.3 JavaEE技術

系統接口服務采用當今主流的JavaEE技術[13-14]，為搭建具有可伸縮性、靈活性、易維護性的系統提供良好的機制。JavaEE可以使用多種框架來使開發變得簡單，目前比較常見的框架組合有SSH和SSM。本系統采用SSM框架，即Spring+Spring MVC+MyBatis，其中Spring依賴注入DI來管理各層的組件，使用面向切面編程AOP管理事物、日志、權限等；SpringMVC接收外部請求,進行分發和處理；Mybatis是基于jdbc的框架,主要用來操作數據庫,并且將業務實體和數據表聯系起來。支持JavaEE的應用服務器有IBM WebSphere Application Server、Oracle Weblogic Server、JBoss、Oracle Application Server等。

1.4.4 Web服務應用集成技術

Web服務作為分布式的計算技術，在Internet或者Intranet上通過標準的XML協議和信息格式來發布和訪問商業應用服務[15-16]。使用Web服務，可以在Web站點放置可編程的元素，發布能滿足特定功能的在線應用服務，其他組織可以通過Internet來訪問并使用這種在線服務。

Web服務的逐漸成熟化為SOA以及業務應用集成提供了技術支持，最大的優勢和特點就是擁有切實意義上的平臺和語言的獨立性。本系統將開放的業務功能封裝為Web服務的方式，符合SOA架構，支持部署Web服務，對WS-Security標準提供支持[17]。并完全實現對UDDI、WSDL、SOAP等技術的支持，支持使用SOAP與其他系統及EAI平臺實現互操作。

2 系統功能設計和應用

2.1 系統功能模塊設計

2.1.1 數據預處理模塊

提供負氧離子、氣象監測要素異常值識別報警功能，并提供幾種常用的缺失值插補方法，將數據插補成完整的數據。

2.1.2 數據分析模塊

數據分析模塊的功能包括對指定站點特定時間段內的負氧離子、氣象要素監測值進行統計分析：

(1)實現對特定時間段(逐時、逐日、逐月、逐年)平均值、最大值、最小值的計算功能；以圖表形式進行展示，圖表的可視化選項包括折線圖、柱狀圖、散點圖等常用圖型，以及對圖表進行個性化編輯及輸出。

(2)利用GIS相關算法技術[18]，自動生成全省各市縣負氧離子濃度值、“清新指數”分布圖。

(3)計算并輸出氣象要素對負氧離子濃度變化的貢獻度情況。

2.1.3 綜合信息展示模塊

綜合信息展示模塊基于WebGIS技術[19-20]進行開發，功能包括展示氣象要素與負氧離子監測值關聯關系，發布與展示“清新指數”實況與預報產品，模塊接入全省旅游氣象服務平臺進行系統權限管理和數據監控。

2.2 系統功能結構和應用

清新福建氣象條件貢獻率評價指標系統從5方面對系統進行了功能建設，包括：首頁、一張圖、數據分析、“清新指數”、系統管理。

2.2.1 首 頁

系統平臺采用省、市、縣三級管理模式。用戶進入登錄模塊，輸入用戶名、密碼、驗證碼登錄平臺后即可進入首頁(見圖4)。首頁以系統可視化視圖展示全省“清新指數”分布情況。包含負氧離子監測信息、“清新指數”等級分布情況、監測站點設備運行情況。

圖4 系統首頁

在首頁左上角展示全省站點負氧離子監測實況排名top3；頁面左側通過雷達圖查看各氣象要素對于負氧離子濃度的影響，展示氣象要素對負離子濃度變化貢獻關聯度；頁面左下角根據用戶權限，展示監測設備的運行情況(正常、異常、離線)。在地圖上展示負氧離子監測的實況(跟系統設置中的規則掛鉤)及對應的清新等級。鼠標懸浮可查看到相應內容。首頁右側可對3A、4A、5A不同級別景區站點進行篩選。在首頁滾動發布未來3小時*8的清新指數預報，并提供清新站詳情3秒輪播信息。

2.2.2 一張圖

本模塊支持在地圖上查詢各監測站的詳情信息、清新狀況、氣象實況信息和告警信息。用過去七天走勢圖來展示站點氣象要素變化，以圖表形式展示各站點負氧離子濃度實況監測記錄，以數值形式展示各氣象要素監測數據，包括氣壓、溫度、雨量等(見圖5)。在界面右側展示站點信息列表，包含監測站點運行狀態、清新狀況等信息；監測站點列表包含實時監測清新狀況、1小時均值和24小時均值。同時支持站點的地圖測距功能和通過站點名稱進行站點搜索，支持用戶按距離查看清新站周邊1～10公里自動站詳情。

圖5 一張圖模塊

2.2.3 數據分析

數據分析模塊展示各站點設備運行情況、過去24小時負氧離子濃度變化走勢圖、各氣象要素和負氧離子濃度關聯度變化曲線分析圖等。清新指數等級分支持色斑圖或散點圖展示，負氧離子濃度以儀表盤形式展現。關聯度分析功能用柱狀圖展示一定范圍內氣象要素和負氧離子的關聯度。以上功能均支持下載及導出功能。

2.2.4 清新指數

新指數模塊為景區清新指數等級預報制作與發布模塊，展示各景區詳細信息及“清新指數”等級，提供景區過去15天的清新指數信息列表。系統平臺可根據模型計算出各景區未來24小時的“清新指數”(逐3小時)提供給用戶，將預報值、預報產品輸出到景區LED顯示屏及影視節目播報。

2.2.5 系統管理

系統管理模塊主要是用戶系統管理員對系統相關配置信息進行設置，包含站點管理、用戶管理、角色管理等。配置管理模塊包含“清新指數”對應負氧離子日峰值及小時峰值指標切換設置、“清新指數”等級與負氧離子濃度閾值設置、缺失值插補配置、短信通知配置4個系統相關配置。

3 平臺應用效果分析

本系統在完成12個景區布點并穩定采集一年數據的基礎上，分析負氧離子濃度與氣象條件之間的關系，選取溫度、濕度、能見度、風、雨量等氣象要素，采用線性回歸方法建立了清新指數晴天、雨天預測模型，完成“清新福建”旅游氣象服務系統基本框架研發，利用一張圖顯示12個景區的實況監測，數據分析、等級預報，并通過福建綜合頻道《全省天氣預報》節目、中國網海峽頻道、中國天氣網福建頻道、福建氣象服務網等媒體宣傳展示(見圖6)，利用“知天氣”手機客戶端24小時實時在線展現播出，通過在武夷山、太姥山、泰寧風景區等5A級景區入口處和游客中心布設LED顯示大屏，實現景區清新指數和天氣實況的實時發布。

圖6 福建綜合頻道播出景區清新指數預報

“清新指數”產品制作發布與品牌宣傳效果良好，以科學量化的數據支撐“清新福建—全福游，有全?！钡钠放菩麄?，得到中國旅游研究院和中國氣象局公共氣象服務中心的多位專家、福建省地方政府領導和社會公眾的認可。

4 結束語

“清新福建”是福建的旅游品牌發展戰略，該文以智慧氣象助力生態保護與旅游事業發展為目標，設計開發了清新福建氣象條件貢獻率評價指標系統。使用科學方法對觀測數據進行處理，體現不同時間尺度內負氧離子濃度與各氣象要素的關聯程度和貢獻率，建立了“清新指數”預報模型，實現了“清新指數”預報功能，推動“清新指數”旅游氣象服務產品的標準化發布和業務化運行，為“清新福建”品牌的全面開發與推廣、運營提供科學依據，助力福建省生態文明和現代化旅游事業的發展。

系統具有負氧離子濃度監測、數據分析、數據可視化展示、“清新指數”預報、系統管理等功能設計，數據類型多、數據量大、功能多，具有較高的效率性、穩定性、可靠性和可擴展性，具備硬件設備運行情況監測及異常狀態報警等重要功能。系統的功能設定通俗易懂，UI視覺效果美觀，操作簡單，符合氣象業務人員的使用習慣。自投入業務應用以來，系統運行穩定、狀況良好，能夠為景區管理員提供準確、及時、點對點的精細化氣象服務，有效提升福建省旅游氣象專業服務能力。