博士論文：中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)建設(shè)

1、博士論文：中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)建設(shè)第一章 緒論1.1 研究背景和意義1.1.1 天氣預(yù)報(bào)方法和分類天氣預(yù)報(bào)就是根據(jù)人工觀測(cè)資料和自動(dòng)氣象站資料，應(yīng)用大氣變化的規(guī)律，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)、天氣學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)等多門學(xué)科的原理和方法，通過分析近期及當(dāng)前的大氣環(huán)流形勢(shì)、天氣系統(tǒng)，對(duì)某區(qū)域未來一段時(shí)間的天氣狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出一個(gè)定性或定量的結(jié)論。其所用資料包括衛(wèi)星云圖和天氣圖，再結(jié)合其他氣象資料、地形和季節(jié)特點(diǎn)、群眾經(jīng)驗(yàn)等綜合信息。天氣預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容是某一區(qū)域或某一城市未來是否下雨、最高、最低氣溫、風(fēng)向風(fēng)力及是否有災(zāi)害性天氣等。如果我們能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)高溫、低溫及臺(tái)風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害出現(xiàn)的位置和時(shí)間，就可以為工農(nóng)業(yè)生

2、產(chǎn)和人們的生活提供幫助。天氣預(yù)報(bào)經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段 ：民間技藝 ，單站預(yù)報(bào) ，天氣圖預(yù)報(bào) ，數(shù)值預(yù)報(bào)1。近一百多年來更是經(jīng)歷了從高空天氣圖到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，再到基于數(shù)值預(yù)報(bào)的可預(yù)報(bào)性的飛躍2。1851 年，英國(guó)氣象學(xué)家通過電報(bào)傳送觀測(cè)資料，繪制出地面天氣圖來進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)。20 世紀(jì) 20 年代氣團(tuán)學(xué)說和極鋒理論被應(yīng)用到天氣預(yù)報(bào)。30 年代無線電探空儀、長(zhǎng)波理論和高空天氣圖應(yīng)用到天氣預(yù)報(bào)，使天氣分析從二維發(fā)展到了三維。40 年代后期，雷達(dá)運(yùn)用又為暴雨、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)提供了非常有效的工具。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)值預(yù)報(bào)。50 年代，Charney 利用世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī) ENIAC，使用濾

3、去高頻波后的大氣運(yùn)動(dòng)方程組成功制作了 24 小時(shí)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。隨著觀測(cè)手段的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)大氣物理過程有了更深入的了解，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，成為天氣預(yù)報(bào)的一種主要方法。60 年代，由于氣象衛(wèi)星發(fā)射成功，衛(wèi)星探測(cè)資料彌補(bǔ)了人們?cè)诤Ｑ?、沙漠、高原和極地地區(qū)氣象資料不足的問題，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平更是不斷提高。到了 21 世紀(jì)，基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)，數(shù)值預(yù)報(bào)正向可預(yù)報(bào)性發(fā)展。.1.2 主要工作通過對(duì)影響中山的大氣環(huán)流形勢(shì)的分型和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，完成有關(guān)天氣類型預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的收集和整理，并開發(fā)本地天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)其在臺(tái)站業(yè)務(wù)應(yīng)用，以提高預(yù)報(bào)員分析天氣的水平。主要

4、工作有：一、建立天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)現(xiàn)各種天氣類型的大氣環(huán)流形勢(shì)的初步分型、趨勢(shì)特征和根據(jù)成功歷史預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)收集和整理的各種定量化的分型信息、物理量及相關(guān)參數(shù)入庫(kù)，以便診斷分析、查詢統(tǒng)計(jì)、歷史信息查詢檢索等；二、天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)的整體開發(fā)。建立歷史信息錄入、歷史信息查詢、權(quán)重設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、查詢統(tǒng)計(jì)、診斷分析等模塊。實(shí)現(xiàn)主觀定量化資料人工錄入和客觀物理量要素自動(dòng)錄入功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)要素、物理量相關(guān)參數(shù)和環(huán)流形勢(shì)對(duì)比趨勢(shì)特征的設(shè)置和修改，可以根據(jù)各種參數(shù)的設(shè)定做出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)查詢，方便有經(jīng)驗(yàn)的預(yù)報(bào)員在分析總結(jié)后對(duì)一些參數(shù)重新設(shè)定并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢，根據(jù)查詢結(jié)果使用參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)天氣

5、形勢(shì)預(yù)報(bào)要素、物理量及相關(guān)參數(shù)和環(huán)流形勢(shì)對(duì)比趨勢(shì)特征等重新設(shè)定。.第二章 需求分析2.1 預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)知識(shí)中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)涉及的一些主要預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)概念如下：1、短期天氣預(yù)報(bào)短期天氣預(yù)報(bào)包括了天氣現(xiàn)象、最高氣溫、最低氣溫、降雨、風(fēng)向風(fēng)力、相對(duì)濕度等常規(guī)氣象要素的預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)的有效期一般為 1 至 3 天，并且還需預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)、暴雨、雷雨大風(fēng)、高溫、低溫、冰雹、龍卷風(fēng)、沙塵暴、大霧等災(zāi)害性天氣的落區(qū)、時(shí)間和強(qiáng)度。根據(jù)廣東省短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法中的規(guī)定，短期天氣預(yù)報(bào)一般評(píng)定一般天氣 24 小時(shí)晴雨預(yù)報(bào)和低溫、霜凍、暴雨（24 小時(shí)與過程預(yù)報(bào)）、高溫等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)。由于時(shí)間和技術(shù)力量的原因，本論文只分

6、析了暴雨、高溫和低溫這三種天氣類型。2、暴雨、高溫、低溫評(píng)定根據(jù)廣東省短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法中的規(guī)定，凡發(fā)布了未來 24 小時(shí)有暴雨或以上量級(jí)暴雨預(yù)報(bào)，或大于等于中尺度自動(dòng)站總數(shù) 1/2（取進(jìn)位整數(shù)）的各站點(diǎn)實(shí)況，或測(cè)站實(shí)況出現(xiàn)日雨量≥50 毫米時(shí)，須評(píng)定暴雨預(yù)報(bào)質(zhì)量，中山市的人工觀測(cè)站在紫馬嶺，因此本論文采用紫馬嶺觀測(cè)站的暴雨資料作為參考值；日最高溫度≥35，稱高溫，凡發(fā)布了高溫或?qū)崨r出現(xiàn)高溫，則須評(píng)定 24 小時(shí)高溫預(yù)報(bào)質(zhì)量；日最低溫度≤5，稱低溫，凡發(fā)布了低溫或?qū)崨r出現(xiàn)低溫，則須評(píng)定 24 小時(shí)低溫預(yù)報(bào)質(zhì)量，本論文采用紫馬嶺觀測(cè)站的氣溫資料作為參考值。.2.2 目前我

7、們的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀以綜合應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)、多種資料和預(yù)報(bào)技術(shù)作為支撐，以提高精細(xì)化預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率作為核心，是中國(guó)氣象局現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)發(fā)展指導(dǎo)意見中提出的現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)。預(yù)報(bào)員每天接收海量、實(shí)時(shí)的觀測(cè)、分析數(shù)據(jù)是天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，但是預(yù)報(bào)員所面對(duì)的重要課題正是如何使用好和應(yīng)用好這些數(shù)據(jù)，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，從而更好地做好天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。目前中山市和大多數(shù)地級(jí)市氣象臺(tái)一樣，值班預(yù)報(bào)員普遍較少，但卻承擔(dān)著短期、中期、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)、氣候評(píng)價(jià)、氣候檔案等非常繁重的任務(wù)，出現(xiàn)氣象災(zāi)害后還要收集災(zāi)情、制作氣象災(zāi)情快報(bào)、上報(bào)災(zāi)情，按時(shí)上報(bào)重大天氣氣象服務(wù)總結(jié)；最重要的是發(fā)布本地的氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)和災(zāi)害性天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)，這些預(yù)警、預(yù)報(bào)

8、服務(wù)都有規(guī)定的時(shí)效，但大量的信息查詢和分析工作會(huì)消耗預(yù)報(bào)員大量的時(shí)間，因此需要有一個(gè)直觀定量的方法來幫助預(yù)報(bào)員完成這些繁重的工作任務(wù)。.第三章 相關(guān)理論與技術(shù)基礎(chǔ).183.1 預(yù)報(bào)平臺(tái)采用的技術(shù)路線 . 183.2 SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫(kù) . 183.3 Visual B 語言 . 213.4 B/S 模式 . 233.5 ASP.NET 技術(shù) . 253.6 Microsoft Visual Studio 2010. 293.7 本章小結(jié) . 30第四章 中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)的設(shè)計(jì).314.1 預(yù)報(bào)平臺(tái)的總體框架 . 314.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 33

9、4.3 本章小結(jié) . 37第五章 預(yù)報(bào)平臺(tái)各項(xiàng)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).385.1 歷史信息錄入 . 385.2 歷史信息查詢 . 415.3 權(quán)重設(shè)置 . 445.4 參數(shù)設(shè)置 . 565.5 診斷分析 . 575.6 查詢統(tǒng)計(jì) . 595.7 本章小結(jié) . 64第六章 系統(tǒng)測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，不是一步到位的，在軟件開發(fā)的過程中自然而然地會(huì)遇到各種問題，出現(xiàn)一些錯(cuò)誤。中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)是一個(gè)準(zhǔn)備用于實(shí)際工作中的業(yè)務(wù)平臺(tái)，其功能性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性、高效性都是至關(guān)重要的，因此我們需要在各模塊集成后互相不發(fā)生沖突的基礎(chǔ)上，保證各模塊單元都能滿足我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)提出的使用要求，這

10、樣才能使預(yù)報(bào)平臺(tái)長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。那么在正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行之前，就需要對(duì)它進(jìn)行全面的測(cè)試。軟件測(cè)試是其質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)軟件分析、設(shè)計(jì)和程序代碼的一次檢查。本章通過對(duì)各部分的檢驗(yàn)測(cè)試來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。6.1 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)測(cè)試每個(gè)天氣過程均要記錄大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是序號(hào)、時(shí)間、雨量、最低溫度、最高溫度等天氣實(shí)況、產(chǎn)生該天氣的影響系統(tǒng)、環(huán)流形勢(shì)、各種定量化的分型信息和趨勢(shì)特征（包括 500 百帕槽底的經(jīng)緯度和未來趨勢(shì)、500 百帕副高脊點(diǎn)的經(jīng)緯度和未來趨勢(shì)、850 百帕切變線的經(jīng)緯度和未來趨勢(shì)、陽江 850 百帕西南風(fēng)速和未來趨勢(shì)、香港 850 百帕西南風(fēng)速和未來趨勢(shì)、清遠(yuǎn) 850 百帕西南

11、風(fēng)速和未來趨勢(shì)、西南低渦的經(jīng)緯度和未來趨勢(shì)、地面鋒面的經(jīng)緯度和未來趨勢(shì)、地面冷高壓的經(jīng)緯度和強(qiáng)度及未來趨勢(shì)、臺(tái)風(fēng)的經(jīng)緯度和中心風(fēng)速及未來趨勢(shì)等 29 個(gè)字段）、物理量（包括陽江 K 指數(shù)、陽江沙氏指數(shù)、陽江 θse850-θse500、香港 K 指數(shù)、香港沙氏指數(shù)、香港θse850-θse500、清遠(yuǎn)K指數(shù)、清遠(yuǎn)沙氏指數(shù)、清遠(yuǎn)θse850-θse500、本站 8 時(shí)氣溫及 24 小時(shí)變溫、14 時(shí)氣溫及 24 小時(shí)變溫、8 時(shí)相對(duì)濕度及 24 小時(shí)變濕、14 時(shí)相對(duì)濕度及 24 小時(shí)變濕、8 時(shí)氣壓及 24 小時(shí)變壓、14

12、 時(shí)氣壓及 24 小時(shí)變壓等 21 個(gè)字段）。通過對(duì) 2001 年至 2010 年十年間暴雨、高溫、低溫三種天氣類型的信息錄入和查詢，檢驗(yàn)了數(shù)據(jù)入庫(kù)的完整性和準(zhǔn)確性。.總結(jié)本文首先介紹了與中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)相關(guān)的一些預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)知識(shí)以及預(yù)報(bào)平臺(tái)建設(shè)和設(shè)計(jì)所使用的技術(shù)路線，分析了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于天氣診斷預(yù)報(bào)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，從而為預(yù)報(bào)平臺(tái)所需要實(shí)現(xiàn)的功能提供依據(jù)。然后具體介紹了中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)的總體框架和各項(xiàng)功能需求。接著詳細(xì)介紹了中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)各項(xiàng)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括了歷史信息錄入、歷史信息查詢、權(quán)重設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、診斷分析、查詢統(tǒng)計(jì)等各項(xiàng)功能的設(shè)計(jì)思想、如何實(shí)現(xiàn)，并做了一些簡(jiǎn)

13、單的實(shí)例介紹。通過對(duì)2001年至2010年十年間中山市出現(xiàn)的暴雨、高溫、低溫（由于時(shí)間和技術(shù)力量原因暫時(shí)只分析三種主要天氣類型，未來可以增加其它天氣類型）的收集分析，初步確定了三重權(quán)重值，今后可以通過對(duì)權(quán)重值的測(cè)試，不斷更新適合的權(quán)重參數(shù)。最后對(duì)預(yù)報(bào)平臺(tái)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了測(cè)試，包括了數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)測(cè)試、用戶控制參數(shù)及權(quán)重設(shè)置的測(cè)試、查詢統(tǒng)計(jì)功能測(cè)試、診斷分析測(cè)試。通過測(cè)試，保證了數(shù)據(jù)入庫(kù)的完整性和準(zhǔn)確性，檢驗(yàn)了各項(xiàng)功能與設(shè)計(jì)方案的一致性。并且通過對(duì)2015 年 11 月至 2016 年 10 月一年間中山市出現(xiàn)的暴雨、高溫、低溫等災(zāi)害性天氣分別進(jìn)行檢驗(yàn)，證實(shí)了天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)的實(shí)用性，診斷分析的準(zhǔn)確

14、率較高。中山市天氣診斷預(yù)報(bào)平臺(tái)建設(shè)具有較高的實(shí)用價(jià)值。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、完成了產(chǎn)生暴雨、高溫和低溫等各天氣類型環(huán)流形勢(shì)的初步分型并入庫(kù)，通過實(shí)況出現(xiàn)前一天和當(dāng)天前后兩天的環(huán)流形勢(shì)對(duì)比設(shè)定趨勢(shì)特征并入庫(kù)，從而為使用數(shù)值預(yù)報(bào)提供判斷依據(jù)。通過對(duì)預(yù)報(bào)員的成功歷史預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)收集和整理，設(shè)定各種定量化的分型信息、物理量相關(guān)參數(shù)并入庫(kù)，同時(shí)提供了快捷方便的修改界面。2、實(shí)現(xiàn)了基于WEB界面的信息錄入，方便預(yù)報(bào)員手工錄入各種天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)要素、物理量相關(guān)參數(shù)和環(huán)流形勢(shì)對(duì)比趨勢(shì)特征等主觀定量數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了本站客觀氣象要素的自動(dòng)錄入。3、實(shí)現(xiàn)了三重權(quán)值的方便修改設(shè)置。4、實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)員經(jīng)驗(yàn)的積累，且建立了積極的預(yù)報(bào)自反饋體系，當(dāng)預(yù)報(bào)綜合平臺(tái)在當(dāng)?shù)厥褂靡欢?/p>