武清区温度精细化预报服务系统设计与应用

吕玉环 魏蕾 李鑫 张昆 于红

摘要：利用武清国家一般气象站和28个区域自动气象站2013—2015年的逐日常规气象观测数据和2014—2016年天津市气象台和欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather，ECMWF）对武清站预报的最低、最高温度数据，分析不同天气条件下的温度预报规律，分别建立各镇街的温度预报模型，利用得到的预报模型结果，开发完成了“武清区温度精细化预报服务系统”，并实现业务化运行。该系统实现了监测预报的查询、显示，精细化预报与服务产品制作、历史数据管理下载、预报检验、用户系统管理等功能，可为武清区精细化预报服务业务提供技术支撑。

关键词：温度;服务系统;精细化

中图分类号：S163+.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）01-0111-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.027           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design and Application of Temperature Refinement Forecast Service System

in Wuqing District of Tianjin

LYU Yu-huan1，WEI Lei2，LI Xin1，ZHANG Kun1，YU Hong1

（1.Wuqing Meteorological Observatory of Tianjin，Tianjin 301700，China;2.Beijing Artificial Weather Influence Office，Beijing 100029，China）

Abstract： In this paper， temperature forecast discipline under different weather conditions studied with general daily meteorological observation data of Wuqing National General Weather Station and 28 regional automatic weather stations from 2013 to 2015， the forecasting data of minimum and maximum temperature for Wuqing Station by Tianjin Meteorological Observatory and ECMWF （European Centre for Medium-Range Weather） during 2014-2016，and then to derive forecast models of temperature for towns and streets. Using the results obtained，“Wuqing District Temperature Refinement Forecast Service System” was developed and operationalized. This system implements functions such as inquiry and display  of monitoring and forecasting data， refinement forecasting and production of service products， management and downloading of historical data， forecast verification， and management of user system， which provide technical support for the refinement forecast service business in Wuqing District.

Key words： temperature; service system; refinement

溫度对人们生活出行以及农业生产都有很大影响，温度预报是天气预报的重要项目之一，也是精细化天气预报的主要内容，其日变化受天空状况、天气现象、日照、风、地表状况等因子的影响，要客观准确地预报某地某日温度难度较大[1-3]。中国气象局在业务技术体制改革总体方案中提出，发展完善精细化的天气预报业务是天气轨道业务改革的重点任务之一。目前在国内已有许多制作乡镇最低、最高气温预报的研究工作[4-11]。精细天气预报包括“精”和“细”两个方面的内涵。“精”是指天气预报要精确，准确率要高，这是开展精细天气预报的基础;“细”是指气象要素和气象及相关灾害的时间、空间分辨率以及强度、量级的细化程度，是精细天气预报的主要内容。天气预报的精细化，是天气预报技术发展到相对成熟阶段的必然趋势，也是目前气象服务面临的迫切需求。

武清区位于京津冀核心区域，是京津主通道的关键节点和重要枢纽，城区距北京市区71 km，距天津市区25 km，近年武清区城市发展和城市规模不断扩张，武清区综合实力走在了天津市前列。2013年武清区申报成为全国现代农业示范区，现代都市型农业也发展迅速，而农业抵御自然灾害的能力脆弱，农业生产在很大程度上受到天气的制约，这些都对气象服务的领域、方式、内容提出了更加精细化的要求。随着经济社会发展和现代化进程的加快，公众对天气预报准确率和服务的及时性都提出了更高的要求，特别是当前武清区面临转型升级、改善民生、体制创新的社会背景和发展需求下，在武清区开展精细化气象服务需求十分旺盛和迫切。目前，武清区的精细化预报服务产品还不够丰富，尤其对于温度预报的精细化程度不高，还没有精细化到镇街温度的天气预报。而温度预报作为天气预报的重要项目之一，由于影响温度的因素很多，如何综合考虑各种影响因素制作更准确的温度预报，一直是气象部门面临的工作难点。目前对于该区温度预报主要还是依据常规气象资料、上级指导预报以及预报员经验来制作，预报准确率较低，这就需要建立更加完善和精细化的温度预报系统。研究从该区特点出发，研究该区季节变化特征、地域差异、天空状况要素差异等对温度的影响，进一步提炼镇街温度预报的规律，提高温度预报的准确率，开展精细到镇街的最低、最高气温预报服务，填补该区温度精细化预报业务的空白。切实满足政府和公众对温度精细化服务的需求，进一步完善该区气象预报服务体系，提升气象服务保障能力和水平，切实发挥气象为经济社会发展服务的职能和作用。

1  资料和方法

研究使用的资料来源于：①武清国家一般气象站和武清区参与考核的28个区域自动气象站（图1）2013—2015年的逐日常规气象观测数据（包括风向、风速、温度、相对湿度等）。②收集整理2014—2016年天津市气象台和欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather，ECMWF）对武清预报的最低、最高温度数据。③2017年新增收集武清区域范围内1 km×1 km格点的未来24 h的气象预报数据（包括风向、风速、温度、相对湿度等）。将以上数据收集，建立数据库系统，整理入库，存档。

在对温度资料进行收集整理的过程发现，个别站点存在温度缺测以及出现异常数据的情况（图2），以豆张庄站为例，豆张庄站和东蒲洼站、武清国家一般站之间的空间直线距离在10 km以内，温度差异不可能相差10 ℃以上，因此在实际研究中，数据出现异常时使用相邻站的最高、最低气温来代替补齐。

对个别站点出现的非正常温度采用差值法进行筛选订正：假设被检测站最高/最低气温为T1，同一天相邻站最高/最低气温为T2，当ΔT=|T1-T2|≥5 ℃时，认为被检测站温度可疑，并对该站当日的逐小时温度进行检查，如判定为非真实值，则采用相邻站的最高/最低气温代替订正。

2  温度精细化预报方法研究

2.1  武清區温度特征

对于武清辖区范围内精细化到各镇街温度分布情况，利用建立在各镇街的区域自动气象站数据进行分析，对2013—2015年的数据进行统计分析（表1）。从表1可以看出，全年气温统计在全区28个镇街区域站的温度差异并不大，2013—2015年平均最高气温最高的站为大碱厂站和城关镇站，为19.8 ℃，年平均最高气温最低的站为大良镇站、崔黄口站和南蔡村站，都为18.8 ℃;平均最低气温最高的站是王庆坨站，为9.6 ℃，平均最低气温最低的站是河北屯站，为7.5 ℃;日较差平均最高的站是河北屯站，为12.0 ℃，日较差平均最低的站是王庆坨站，为9.5 ℃;2013—2015年极端最高气温出现在城关镇站，为43.2 ℃，极端最低气温出现在崔黄口站，为-19.5 ℃;武清本站极端最高气温为39.9 ℃，极端最低气温为-14.7 ℃。武清南部王庆坨站最低气温最高，且日较差最小，而武清北部崔黄口站和河北屯站最高、最低气温均最低，日较差较大，极端最高和最低气温都最小。

由武清地区2013—2015年平均最高气温、平均最低气温、日较差平均分布（图3）可以看出，对于年平均最高气温，武清南部偏高，东部地区偏低;对于年平均最低气温，中东部地区和南部地区都较高，北部地区最低;年日较差平均气温则表现为与年平均最低气温分布相反，北部地区日较差较大，而东部和南部地区日较差较小。

2.2  建立武清区温度线性回归模型

回归分析是对具有相关关系的两个变量进行统计分析的一种常用方法。回归模型的截距和斜率的最小二乘估计公式分别为：

本研究结合武清站测报报文对不同季节里晴天、多云、大风、降水、雾霾等5种天气条件下的温度数据进行筛选分类，选取在5种天气情况下的数据建立预报模型。通过分析2013—2015年各站每日高低温，分别统计5种天气情况样本数量，得到晴天301 d，多云115 d、大风149 d、降水190 d、雾霾340 d。对应各区域自动站温度预报，将武清本站高、低温度作为回归模型中的预报因子，即自变量X，其他28个站点的高低温作为因变量Y。因此可以建立各测站高、低温与武清本站高温在不同天气情况下的拟合模型。以在晴天条件下的东蒲洼站高温为例，可以发现，东蒲洼站与武清本站的高温估计模型为Y=1.569+0.962X，其中可决系数（R2）=0.98，这表明模型的拟合情况较好，东蒲洼站高温的变化98%可由武清本站高温来解释。分别建立各区域站的一元线性回归模型，结果都通过了信度为0.01的显著性检验。

建立回归模型后，需要通过检验回归模型的预报效果。因此，以2016年1月至12月5种天气情况下各测站观测高、低温度为检验样本T，与回归模型预报高、低温值Tm比较，ΔT=Tm-T，当|ΔT|≤2 ℃时，则预报准确。其中选取晴天107 d、多云43 d、降水64 d、大风65 d、雾霾87 d。经检验，高温拟合模型预报的平均准确率为84.5%，低温拟合模型预报的平均准确率为77.2%，预报准确率满足业务需求，将各站的预报方程加入到系统的温度自定义订正模块，供预报员参考。此外，各测站预报回归模型的准确率与当时天气现象及站点的地形环境密切相关，因此，武清地区温度的订正预报不仅要结合天气形势的变化，还要特别考虑复杂地形条件下的单站局地温度变化。

3  系统设计

武清区各区域气象观测站的监测仪器利用传感器自动监测到气象要素数据，数据经过采集器自动采集后，通过专用数据传输光纤将数据传输到天津市气象局服务器，并入库到CIMISS数据库，形成原始数据。通过调用CIMISS数据库，将观测数据建立在武清区数据库中，该系统数据库采用ORACLE 11G版本，架设于Windows server 2008 R2系统之上，数据库管理系统由多台机器组成一个局域网，将数据库部署在系统服务器上，实现了观测数据的入库、管理和访问，武清精细化预报服务系统作为一个单独子系统是部署在现有的服务器上，通过与服务器上的格点数据和Cimiss数据的对接，直接读取现有平台的数据信息，以作为本系统的重要数据来源，用于系统功能的数据查询、计算、统计分析等功能。整个系统拓扑结构见图4。

3.1  数据结构与程序的关系

系统的数据结构由标准数据库语言SQL生成。

程序在对预报预测数据进行操作时，需对数据库中的数据结构，也就是数据表进行查询和修改。在系统的各个功能调用过程中都需要对数据库中的所有表进行联合查询、修改。系统各模块之间，将以数据结构封装了的数据，以参数传递或返回值的形式在各模块间传输。

3.2  系统技术架构方法

3.3  系统功能结构

系统主要功能包括用户登录，精细化预报（包括温度、湿度、降水、风向、风速），服务产品制作（用户可自定义条件，根据设置条件生成PDF文件），预报员检验，历史数据查询，用户系统管理，系统功能结构见图6。各模块功能如下。

3.3.1  首页展示模块  通过该模块用户可查看武清城镇的实况、预警等信息;武清区域气象站的实时气象要素和积温数据;精细化到镇街的未来24 h预报信息;气象服务产品的查看和下载;并可通过留言板与气象台工作人员互动（图7）。

3.3.2  精细化预报制作模块  气象台当天值班人员登陆系统后，分为城区预报和镇街预报两大模块，依据天气类型的不同选择，预报员依据市台一体化格点预报平台数据以及自定义相关算法进行参考，通过该模块可自动计算出武清区未来24 h内武清本站以及28个区域自动气象观测站的逐小时各气象要素预报和日最高、最低温度值，预报员可对相应预报结果分区域勾选订正操作。

3.3.3  预报产品制作模块  预报员根据订正后的预报结果，选择专报素材进行编辑，制作日、旬、月、年的温度精细化预报服务产品，结合其他观测资料，当出现高影响的灾害性天气时，制作气象灾害预警信息，提出气象灾害防御措施、建议等，根据选择的条件可自动形成相关表格，区域分布色斑图等，并可实现服务产品的预览、服务产品发布、下载等功能，在服务产品发布的同时发送到选中的邮箱用户，将服务产品通过邮箱对外发布。

3.3.4  预报检验模块  对不同用户、不同区域、气象要素进行分强度、分时间（月、季、年）的TS评分、预报准确性、漏报、空报等检验，预报检验分柱状图、表格统计等，并可将统计结果下载。

3.3.5  历史资料查询模块  用户在该模块根据查询需要勾选“小时”、“日”、“旬”、“月”、“年”，選择相应的气象要素种类后，再确定查询数据的起始时间，根据需要选择武清国家站和区域气象站，点击“查询”后完成，并可通过“导出”将查询数据导出Excel进一步分析使用。

3.3.6  用户管理模块  该模块可以对用户进行权限分配，包括系统管理、普通用户、值班人员。不同人员权限不同，系统管理员可以进行系统数据维护与人员管理，普通用户可以查询、下载数据，值班人员可以进行预报制作、服务产品制作等。

4  小结

利用武清气象站和武清区域自动气象观测站温度历史观测资料，分析该区温度时空分布特征，得到不同季节、不同影响因子下的温度精细化预报方程，并建立武清区温度精细化预报服务系统。

建立了武清气象观测数据库，实现了对武清区气象观测数据的管理，开发完成了“武清区温度精细化预报服务系统”，并实现业务化运行。

通过应用该系统，2017年共对外发布天气预报信息700余次，天气预警信号6次，旬、月、季气象服务产品52期，制作温度精细化的服务材料22次，制作气象评价年报1次。

系统界面友好，响应速度流畅，实现了监测预报的查询、显示，精细化预报与服务产品制作，历史数据管理下载，预报检验，用户系统管理等功能，为武清区精细化预报服务业务提供技术支撑。

通过该系统的实施，能有效的开展该地温度精细化预报服务工作，丰富武清气象服务内容，在天津基层气象系统率先开展精细到镇街的温度预报方法研究，建立符合该地需求的温度精细化预报服务系统，填补武清温度精细化预报领域的空白，充分发挥气象为农业生产服务的职能和作用，使农业生产、管理者能够获得精准的温度预报、预警信息，提前采取措施合理安排生产，促进农业增产、农民增收。

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