基于.NET的江北區精細化降水預報平臺的設計與實現

林陳爽?水旭瓊?陳浩?張國超

摘 要：為滿足寧波區縣級氣象臺站對分街道（鎮）和單點精細化降水預報的實際工作需求，利用.NET架構和數據庫技術，設計并實現了基于智能網格和數值預報的寧波市江北區精細化降水預報平臺。對浙江智能網格預報、歐洲中心（EC）數值模式、上?？焖俑峦A報系統和CMA-3 km數值模式的降水預報格點數據進行插值處理和分析計算，得到了江北區分街道（鎮）、分區域自動氣象站（單點）的降水精細化預報數據，并在Web端實現了人機交互和產品輸出，為寧波市江北區氣象部門提供了大量的技術支持。

關鍵詞：.NET；智能網格預報；精細化預報

中圖分類號：P208 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

隨著數值天氣預報技術的發展，數值預報產品在天氣分析和業務預報中被廣泛應用。精細化預報是高分辨率天氣預報產品的深入應用，高分辨率的數值模式是精細化預報的基礎。而以數值預報模式產品為主，利用統計學方法，結合本地氣候特點進行主客觀訂正為輔的技術路線是目前基層氣象部門預報業務精細化、預報產品定時、定點、定量的客觀選擇，也是我國氣象事業發展戰略及氣象部門技術體制改革的客觀要求。但在研制、應用精細到鄉鎮的天氣預報的過程中也存在預報效果受數值模式精度制約，開展預報時間短、樣本少，氣象監測站網不夠密集等問題，使得開展街道、鄉鎮級的天氣預報的難度較大。

要做到精細到街道、鄉鎮的精細化預報，尤其是降水預報，對數值模式格點數據的應用是主要手段之一。目前，國內外針對模式要素預報的插值方法，氣象學者做了大量深入和卓有成效的研究工作，但對氣象要素從格點向站點轉換的性能、適用性和優缺點少有研究，適用則更少。一方面，由于過去模式分辨率較粗，直接從模式向預報站點轉換的氣象要素的預報精度不高；另一方面，站點預報主要是各級氣象臺站業務人員參考各家模式的基礎上給出的綜合預報結果，無本地化服務產品支撐。

1 需求分析及設計目標

2016年，中國氣象局印發了《全國精細化氣象格點預報業務建設實施方案（2016—2017年）》，計劃用2年時間建立全國陸地區域5 km分辨率的未來10 d精細化氣象網格預報業務；2022年，國務院印發了《氣象高質量發展綱要（2022—2035年）》，提出到2025年，氣象關鍵核心技術實現自主可控，現代氣象科技創新、服務、業務和管理體系更健全，監測精密、預報精準、服務精細能力不斷提升，氣象服務供給能力和均等化水平顯著提高，氣象現代化邁上新臺階[1]。

寧波市江北區位于121°20′54″～121°38′0″E、29°51′30″～30°03′36″N之間，總面積208.73 km2，地形呈西北、東南兩級階梯，由西北丘陵和東南平原兩部分組成，轄7個街道1個鎮。對于區縣氣象部門而言，無論格點預報場的空間分辨率多精細，其所在位置并不總落在某個固定的格點上，再加上地方政府對氣象部門的服務需求日益提高，當前以客觀預報產品為主的天氣預報很難滿足農業生產、防災減災、交通旅游等各項服務的迫切需要[3]。因此，基于智能網格產品、數值預報產品釋用技術的精細化預報在氣象預報業務中越來越重要，有必要建立分街道（鎮）、分區域自動氣象站（單點）的降水預報方法[4]。

2 平臺設計與實現

2.1 平臺框架及功能設計

在軟件體系架構設計中，分層式結構是最常見、最重要的一種結構。江北區精細化降水預報平臺在體系結構設計上采用B/S的架構模型，自下而上分別是：數據資源層、支撐層、業務應用層和表示層[5]。其中，數據資源層負責數據庫的訪問，針對數據的增添、刪除、修改、更新、查找等；支撐層在業務應用層和數據資源層之間，可以起到數據交換中承上啟下的作用，通過調用現有的IIS服務和圖像繪制服務實現降水分布的可視化顯示輸出，是業務應用層的支撐；降水等值線圖繪制和輸出等業務需求有關的平臺設計是業務邏輯層所關注的主要集中點，即對數據層的操作，對數據業務的邏輯處理；表示層為用戶提供了基于Web端的交互式操作界面，是業務人員使用平臺時的所見、所用和所得。在4個層級中，平臺主要功能和業務邏輯都在業務應用層進行處理。具體的平臺功能框架結構見圖1。

2.2 開發環境選擇

目前，有許多優秀的大型數據庫產品，如Oracle、Microsoft SQL Server、Infonnix、Microsoft Access等。本平臺使用的各模式降水格點預報數據采用SQL Serve數據庫進行統一存儲和管理。.NET Framework是一個全面的開發平臺，包括類庫、語言編譯器、工具和多種應用程序模型，支持面向對象編程和豐富的開發功能，用于構建各種類型的桌面、Web和移動應用程序，包括Windows桌面應用、WPF應用、Windows服務、控制臺應用等，它提供了一個運行時環境（Common Language Runtime，CLR），以及一系列的類庫和工具[6-8]。本平臺采用C#為主要編譯語言，部分調用模塊采用Java為編譯語言，最終通過調用IIS服務實現用戶在Web端的交互。平臺交互界面見圖2。

平臺界面、交互按鍵以藍色為主，整體比較簡潔，第一行可選擇根據街道（鎮）或區域自動氣象站（單點）輸出降水預報產品；第二行中可選擇浙江智能網格預報、歐洲中心（EC）數值模式、上?？焖俑峦A報系統和CMA-3 km數值模式的格點降水資料，右邊可選擇初始起報時間；第三行中可選擇預報時段，包括未來1，3，6，…，120，并提供了客觀預報值的人工訂正功能。最后，點擊畫圖即可生成降水預報圖，圖中包含標題、色標等地圖要素，各街道（鎮）均標有名稱，并用位于名稱下方的藍色矩形標出了對應的降水預報數值。

3 降水預報模型

3.1 插值計算與地圖繪制

插值計算是一種用于估算地理數據在不同位置上值的方法。首先對浙江智能網格預報、歐洲中心（EC）數值模式、上?？焖俑峦A報系統和CMA-3 km數值模式的5 km小時格點降水預報數據進行采集并預處理，選用反距離權重法（IDW）對數值預報格點數據進行插值計算并賦值于江北行政區域內。反距離權重法是一種基于鄰近性原理的差值技術，其核心思想是距離目標位置越近的樣本對差值結果的貢獻權重越大。反距離權重法的計算公式為：

（1）～式（3）中，（xi，yi）為所有已知點的二維坐標，對于差值點（x，y），di是該點到所有已知點的距離，wi是權重數值，Z0是插值點的數據。由于這種方法為距離預測位置最近的點分配的權重較大，而權重卻作為距離的函數而減小，因此稱之為反距離權重法。

之后，通過遍歷各點數據選擇顏色、繪制點，再以各街道（鎮）輪廓為邊界，通過雙三次插值法填充等值線圖，最后加上標題、色標、數據標簽、文字標簽等地圖要素。

3.2 產品輸出

選取2022年第11號臺風“軒蘭諾”和第12號臺風“梅花”影響期間的降水實況數據進行繪制，以便展示產品效果。2022年9月1日20：00至5日20：00，受臺風“軒蘭諾”影響，江北區面雨量達227.2 mm，所有街道（鎮）均超過200 mm；受“梅花”臺風影響，2022年9月11日20：00至15日08：00，江北區面雨量達355.3 mm，所有街道（鎮）雨量均超300 mm，其中，受臺風雨帶和山區地形抬升作用共同影響，超400 mm的強降水落區位于慈城鎮西北部山區。繪制得到的江北區分街道（鎮）、分區域自動氣象站（單點）的降水分布對比圖。從圖3可見，在繪制單站點的降水分布圖時，所使用的插值點較多，故等值線較為光滑，梯度較小，可以清楚看到降水大值區與實際情況對應較好；在繪制分街道（鎮）的降水分布圖時，通過將街道（鎮）所有插值點取平均后作為該街道（鎮）的數值并填充，方法相對較簡單，降水分布情況與實際情況較吻合。

3.3 降水預報結果分析

降水預報結果的輸出其實是通過數值預報格點數據經插值處理后得到的，故不討論其準確性，僅討論格點數據經插值算法后在本地的表現效果。圖4是2022年9月2日20：00至5日20：00，臺風“軒蘭諾”影響江北區期間，歐洲中心（EC）數值模式浙江尺度和江北區精細化降水預報平臺輸出的江北行政區域內各街道（鎮）降水預報結果的對比，選擇的初始起報場時間分別是9月2日20：00、3日20：00和4日20：00，預報時長為24 h。從圖4可見，平臺對數值模式格點數據進行了精細化預報，各街道（鎮）依照插值數據平均后生成了精細化的降水預報數值，其中在9月2日20：00、3日20：00的起報場對應的降水預報圖中，江北區各街道（鎮）降水分布總體較均勻；而在9月4日20：00至5日20：00的降水預報中，各街道（鎮）降水呈現西北多東南少的分布趨勢，預報降水量最大的鎮為慈城鎮40 mm，最少的是南部的外灘街道33 mm，這與歐洲中心（EC）模式所預報的鄰近4個格點降水分布趨勢一致，表現效果較好。

4 結論與討論

（1）江北區精細化降水預報平臺通過對浙江智能網格預報、歐洲中心（EC）數值模式、上?？焖俑峦A報系統和CMA-3 km數值模式的降水格點數據進行插值處理和分析計算，得到了江北區分街道（鎮）、分區域自動氣象站（單點）的降水精細化預報產品，并在Web端實現了人機交互和產品輸出，實現了智能網格數據、數值預報產品的本地化應用，為區縣級氣象臺站在梅汛期等重大降水天氣過程的氣象服務提供了技術支撐，取得了較好的效果。

（2）平臺操作簡單，代碼精簡，數據庫相對較小，并為后續其他功能的拓展預留了接口和開發空間，可廣泛應用于不同市、縣級氣象部門的預報預警服務業務，具備較好的推廣性和拓展性。

（3）由于平臺產品是由智能網格預報、數值模式預報的格點數據進行插值計算后得到的，因此，在實際工作中，還需要憑借業務人員的理論知識和天氣預報經驗進行人工訂正，才能將產品更好地應用于本地化氣象決策和公眾服務。

參考文獻

[1] 中國政府網.國務院關于印發氣象高質量發展綱要（2022—2035年）的通知[EB/OL].[2022-05-19].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-05/19/content_5691116.htm.

[2] 趙聲蓉，趙翠光，趙瑞霞，等.我國精細化客觀氣象要素預報進展[J].氣象科技進展，2012，2（5）：12-21.

[3] 謝仁波，史向陽，李曉龍.銅仁西5縣各級降水同步性初探[J].貴州氣象，2013，37（4）：24-26.

[4] 張繼贏，費杰，邢宇航，等.基于數值產品的鄉鎮天氣預報方法研究與應用[J].氣象與環境學報，2007（1）：22-26.

[5] 趙炎，陳向東.基于.net平臺的surfer繪制等值線圖實現[J].氣象研究與應用，2009，30（S1）：193-194.

[6] 郭清厲，陳衛東，王國君.軟件工程在氣象業務平臺建設中的應用[J].陜西氣象，2007（5）：43-45.

[7] 馮亞麗，劉巖，富宇.多層次、構件化的WebGIS模型研究[J].齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2007（1）：80-82.

[8] 周先菊.基于.NET的氣象業務WebGIS的研究及應用[D].武漢：武漢理工大學，2009.