清新福建气象条件贡献率评价指标系统设计

李长顺，黄文霖，宗 晨，何中声，柯小青

(1.福建省气象服务中心，福建 福州 350001；2.数字福建气象大数据研究所(闽南师范大学)，福建 漳州 363000；3.福建省宁德市气象局，福建 宁德 352100；4.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002)

0 引 言

福建全省森林覆盖率居全国之首，高达66.8%，也是全国大气、水、生态环境质量全优的省份之一[1]。2014年国务院确定福建省为全国第一个生态文明先行示范区，并提出要求福建省推进森林旅游、文化等绿色产业和新兴产业的发展[2]。生态资源是福建发展生态旅游的宝贵优势资源，能够吸引各方游客，带来可观的经济效益。

“清新福建”是福建的生态文化旅游品牌，代表福建鲜明的旅游形象。据福建省统计年鉴，“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长。2018年，福建省政府发布《关于加快推进全域生态旅游的实施方案》，希望气象部门与旅游部门协同配合，开展做好景区“清新指数”的监测和等级预报服务。“清新指数”属福建首创[3]，反映生态景区内空气质量现状及变化趋势，其中负氧离子浓度是主要技术指标。“清新指数”既是“清新福建”品牌的具体量化描述，也是一项科学性的旅游气象服务产品，可为旅游管理部门、景区经营管理单位和广大旅游者提供针对景区环境和旅游体验的精细化的气象要素服务。“清新指数”产品的发布将改变因缺乏旅游景区监测数据支撑，只能分区域粗放发布的情况，能有效增强“清新福建”品牌的可信度和吸引力，推动旅游业的转型升级。

当前计算机和网络通信技术飞速发展，在气象预报服务领域的应用日益深入广泛[4-7]，为旅游气象服务的发展提供了技术支撑[8-11]。清新福建气象条件贡献率评价指标系统在福建全省旅游气象服务系统建设的统一框架下，根据气象条件贡献率模块的需求和工作流，基于监测、预报和web开发技术，搭建较为完善的气象条件贡献率指标系统展示系统，使用科学方法分析负氧离子浓度与各气象要素的关联程度和贡献率，实现数据可视化展示和“清新指数”服务产品的自动业务化运行，以智慧气象助力生态旅游的发展。

1 系统架构和技术实现方案

1.1 系统技术架构

气象条件贡献率评价指标系统根据通用性不同分为4层：用户层、展示层、应用层、数据资源层，具体如图1所示。

图1 系统技术架构

1.1.1 数据资源层

数据资源层为系统提供数据存储支持，主要是提供各功能模块的读写及管理功能。数据来源包括：国家级或省局CIMISS数据接口、福建省精细化格点预报、全省重点景区(武夷山、三坊七巷、太姥山等10个景区)监测数据等。数据类别包括：气象实况数据、负氧离子浓度、气象要素对负氧离子浓度变化贡献度模型计算结果、“清新指数”等级产品数据、景区信息和用户信息等。按照数据类型，通过读取信源文件或API接口的形式对数据进行读取，按照规范、安全、稳定、高效、易用的原则进行设计，满足数据的一致性和完整性。

1.1.2 应用层

应用层为系统提供公共服务功能支持，抽取公共服务功能并与具体业务分离，公共服务功能主要包括数据查询服务、数据处理服务、通信服务、应对决策服务、算法服务及分析工具服务等。

1.1.3 展示层

本层是系统开展相关业务的入口，包含PC端、LED大屏等终端，主要负责系统的人机交互功能及数据、图形、地图展示及分析功能，为用户提供可视化服务，提升旅游气象服务产品精细化程度及专业化程度。

1.1.4 用户层

系统面对的用户对象为省/市/县不同级别的平台管理人员及景区管理人员，他们可以利用信息化的气象管理平台提升业务服务能力。

1.2 网络拓扑图和系统接口设计

1.2.1 网络拓扑图

气象条件贡献率评价指标系统作为全省旅游气象服务平台的一个模块，在全局网络拓扑网中建设。系统的部署设计根据系统总体技术架构设计的实际需求，对整个系统的网络结构、网络应用按照先进性、成熟性、可靠性、开放性和安全性的原则进行，系统网络拓扑见图2。

图2 系统网络拓扑

部署设计分为气象内网、DMZ区、Internet外网3个区域。系统通过连接气象内网读取气象信源数据；将数据库服务器和应用服务器部署在DMZ区，能够保证数据传输的安全性，气象内网可以单向访问DMZ区，在保证安全性的同时也不影响用户通过外网访问使用；景区管理人员、各级气象部门工作人员通过互联网访问清新福建气象条件贡献率评价指标系统(PC)可以实时查看清新产品，系统使用者可通过系统分析工具对气象要素与负氧离子浓度之间的关联关系做进一步的分析。

1.2.2 系统接口设计

气象条件贡献率评价指标系统需要处理各类数据，合理的接口设计能够实现方便快捷的数据调用。本系统接口设计采用Java语言，接口的类型主要分为数据库接口和外部接口，具体如图3所示。外部接口用于外部信源接入，通过接口对原始数据进行采集，通过API接口将读取的数据转化为标准数据格式；数据库接口负责对原始数据的深加工，基于不同的业务需求进行差异化处理。原始数据经后台处理后作为备用数据，用户调取接口进入后台逻辑加工，从而返回给用户所需的格式化数据。

图3 系统接口设计

1.3 系统数据库设计

数据库(DB)是计算机信息系统和计算机应用系统的基础和核心。清新福建气象条件贡献率评价指标评价系统采用Oracle数据库作为数据存储支撑，其具有良好的可移植性，使用方便、功能强大，同时应用plsql作为数据设计编辑工具和管理员工具。

在数据库设计初始阶段，首先采用概念数据模型中的E-R模型，以业务需求为主，集中分析相关业务数据之间的直接联系，从用户的观点出发对信息进行建模。然后将E-R模型转换为面向数据系统、具有严格的形式化定义的逻辑数据模型，以便在计算机系统中实现。经过相关的建模分析，本系统的数据库在设计上分为：基础地理信息数据库、气象信息基础数据库、观测信息数据库、预报产品数据库、模型信息数据库、系统监控数据库、管理数据库等。

1.4 关键技术实现

1.4.1 气象条件贡献率评价体系和方法

基于负氧离子浓度与气象条件的相关关系，构建气象条件贡献率评价体系。采用相关分析法研究负氧离子浓度与气温、相对湿度、降水量、24小时变压、水平能见度和2分钟平均风速、风向等气象要素之间的关系，并利用逐步回归方法[12]按气象要素与负氧离子浓度的偏相关系数大小次序，将气象要素自变量逐个引入气象条件贡献率方程，对引入方程中的每个气象要素自变量的偏相关系数进行统计检验，效应显著的气象要素自变量留在回归方程内，因引入新气象要素自变量使方程中的原气象要素变量不显著时，将该气象要素自变量从方程中剔除，通过不断引入和剔除上述气象要素自变量，最后得到气象条件贡献率方程，从而得到气象条件对负氧离子浓度的权重赋值。

评价方法采用负氧离子浓度与空气清新等级对应规范，以负氧离子浓度值作为主要技术指标，等级划分为非常清新、清新、较清新、一般和不清新5个等级，如表1所示。

表1 负氧离子浓度与空气清新等级对应关系

1.4.2 “清新指数”预报模型建立方法

“清新指数”这一概念是基于福建省政府“清新福建”战略需求，在科学严谨的学术成果基础上提出的，通过负氧离子浓度的预报来实现清新指数的预报，在气象条件贡献率研究的基础上，基于气象条件对负氧离子浓度的权重赋值建立晴天、雨天清新指数预报模型。预报模型建立后，每天利用最临近的48小时的小时实况气象数据对回归方程进行一次循环订正，不断滚动更新模型参数，得到最终的动态预报模型，实现对清新指数的精准预报。

1.4.3 JavaEE技术

系统接口服务采用当今主流的JavaEE技术[13-14]，为搭建具有可伸缩性、灵活性、易维护性的系统提供良好的机制。JavaEE可以使用多种框架来使开发变得简单，目前比较常见的框架组合有SSH和SSM。本系统采用SSM框架，即Spring+Spring MVC+MyBatis，其中Spring依赖注入DI来管理各层的组件，使用面向切面编程AOP管理事物、日志、权限等；SpringMVC接收外部请求,进行分发和处理；Mybatis是基于jdbc的框架,主要用来操作数据库,并且将业务实体和数据表联系起来。支持JavaEE的应用服务器有IBM WebSphere Application Server、Oracle Weblogic Server、JBoss、Oracle Application Server等。

1.4.4 Web服务应用集成技术

Web服务作为分布式的计算技术，在Internet或者Intranet上通过标准的XML协议和信息格式来发布和访问商业应用服务[15-16]。使用Web服务，可以在Web站点放置可编程的元素，发布能满足特定功能的在线应用服务，其他组织可以通过Internet来访问并使用这种在线服务。

Web服务的逐渐成熟化为SOA以及业务应用集成提供了技术支持，最大的优势和特点就是拥有切实意义上的平台和语言的独立性。本系统将开放的业务功能封装为Web服务的方式，符合SOA架构，支持部署Web服务，对WS-Security标准提供支持[17]。并完全实现对UDDI、WSDL、SOAP等技术的支持，支持使用SOAP与其他系统及EAI平台实现互操作。

2 系统功能设计和应用

2.1 系统功能模块设计

2.1.1 数据预处理模块

提供负氧离子、气象监测要素异常值识别报警功能，并提供几种常用的缺失值插补方法，将数据插补成完整的数据。

2.1.2 数据分析模块

数据分析模块的功能包括对指定站点特定时间段内的负氧离子、气象要素监测值进行统计分析：

(1)实现对特定时间段(逐时、逐日、逐月、逐年)平均值、最大值、最小值的计算功能；以图表形式进行展示，图表的可视化选项包括折线图、柱状图、散点图等常用图型，以及对图表进行个性化编辑及输出。

(2)利用GIS相关算法技术[18]，自动生成全省各市县负氧离子浓度值、“清新指数”分布图。

(3)计算并输出气象要素对负氧离子浓度变化的贡献度情况。

2.1.3 综合信息展示模块

综合信息展示模块基于WebGIS技术[19-20]进行开发，功能包括展示气象要素与负氧离子监测值关联关系，发布与展示“清新指数”实况与预报产品，模块接入全省旅游气象服务平台进行系统权限管理和数据监控。

2.2 系统功能结构和应用

清新福建气象条件贡献率评价指标系统从5方面对系统进行了功能建设，包括：首页、一张图、数据分析、“清新指数”、系统管理。

2.2.1 首 页

系统平台采用省、市、县三级管理模式。用户进入登录模块，输入用户名、密码、验证码登录平台后即可进入首页(见图4)。首页以系统可视化视图展示全省“清新指数”分布情况。包含负氧离子监测信息、“清新指数”等级分布情况、监测站点设备运行情况。

图4 系统首页

在首页左上角展示全省站点负氧离子监测实况排名top3；页面左侧通过雷达图查看各气象要素对于负氧离子浓度的影响，展示气象要素对负离子浓度变化贡献关联度；页面左下角根据用户权限，展示监测设备的运行情况(正常、异常、离线)。在地图上展示负氧离子监测的实况(跟系统设置中的规则挂钩)及对应的清新等级。鼠标悬浮可查看到相应内容。首页右侧可对3A、4A、5A不同级别景区站点进行筛选。在首页滚动发布未来3小时*8的清新指数预报，并提供清新站详情3秒轮播信息。

2.2.2 一张图

本模块支持在地图上查询各监测站的详情信息、清新状况、气象实况信息和告警信息。用过去七天走势图来展示站点气象要素变化，以图表形式展示各站点负氧离子浓度实况监测记录，以数值形式展示各气象要素监测数据，包括气压、温度、雨量等(见图5)。在界面右侧展示站点信息列表，包含监测站点运行状态、清新状况等信息；监测站点列表包含实时监测清新状况、1小时均值和24小时均值。同时支持站点的地图测距功能和通过站点名称进行站点搜索，支持用户按距离查看清新站周边1～10公里自动站详情。

图5 一张图模块

2.2.3 数据分析

数据分析模块展示各站点设备运行情况、过去24小时负氧离子浓度变化走势图、各气象要素和负氧离子浓度关联度变化曲线分析图等。清新指数等级分支持色斑图或散点图展示，负氧离子浓度以仪表盘形式展现。关联度分析功能用柱状图展示一定范围内气象要素和负氧离子的关联度。以上功能均支持下载及导出功能。

2.2.4 清新指数

新指数模块为景区清新指数等级预报制作与发布模块，展示各景区详细信息及“清新指数”等级，提供景区过去15天的清新指数信息列表。系统平台可根据模型计算出各景区未来24小时的“清新指数”(逐3小时)提供给用户，将预报值、预报产品输出到景区LED显示屏及影视节目播报。

2.2.5 系统管理

系统管理模块主要是用户系统管理员对系统相关配置信息进行设置，包含站点管理、用户管理、角色管理等。配置管理模块包含“清新指数”对应负氧离子日峰值及小时峰值指标切换设置、“清新指数”等级与负氧离子浓度阈值设置、缺失值插补配置、短信通知配置4个系统相关配置。

3 平台应用效果分析

本系统在完成12个景区布点并稳定采集一年数据的基础上，分析负氧离子浓度与气象条件之间的关系，选取温度、湿度、能见度、风、雨量等气象要素，采用线性回归方法建立了清新指数晴天、雨天预测模型，完成“清新福建”旅游气象服务系统基本框架研发，利用一张图显示12个景区的实况监测，数据分析、等级预报，并通过福建综合频道《全省天气预报》节目、中国网海峡频道、中国天气网福建频道、福建气象服务网等媒体宣传展示(见图6)，利用“知天气”手机客户端24小时实时在线展现播出，通过在武夷山、太姥山、泰宁风景区等5A级景区入口处和游客中心布设LED显示大屏，实现景区清新指数和天气实况的实时发布。

图6 福建综合频道播出景区清新指数预报

“清新指数”产品制作发布与品牌宣传效果良好，以科学量化的数据支撑“清新福建—全福游，有全福”的品牌宣传，得到中国旅游研究院和中国气象局公共气象服务中心的多位专家、福建省地方政府领导和社会公众的认可。

4 结束语

“清新福建”是福建的旅游品牌发展战略，该文以智慧气象助力生态保护与旅游事业发展为目标，设计开发了清新福建气象条件贡献率评价指标系统。使用科学方法对观测数据进行处理，体现不同时间尺度内负氧离子浓度与各气象要素的关联程度和贡献率，建立了“清新指数”预报模型，实现了“清新指数”预报功能，推动“清新指数”旅游气象服务产品的标准化发布和业务化运行，为“清新福建”品牌的全面开发与推广、运营提供科学依据，助力福建省生态文明和现代化旅游事业的发展。

系统具有负氧离子浓度监测、数据分析、数据可视化展示、“清新指数”预报、系统管理等功能设计，数据类型多、数据量大、功能多，具有较高的效率性、稳定性、可靠性和可扩展性，具备硬件设备运行情况监测及异常状态报警等重要功能。系统的功能设定通俗易懂，UI视觉效果美观，操作简单，符合气象业务人员的使用习惯。自投入业务应用以来，系统运行稳定、状况良好，能够为景区管理员提供准确、及时、点对点的精细化气象服务，有效提升福建省旅游气象专业服务能力。