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1系統設計

1.1數值模式介紹

1.1.1MM5模式。MM5是美國賓夕法尼亞州立大學/國家大氣研究中心(PSU/NCAR)從20世紀80年代以來共同開發的第5代區域中尺度數值模式。和第4代模式MM4相比,在模式動力框架上最大的改進之處在于引入了非靜力平衡效應,從而使得模式具備了描寫較小空間尺度且發展強烈的天氣系統能力,對于局地擾動的生成和發展的描述能力超過MM4,并相應減少了為簡化處理而采用的約束條件。該模式是具有數值天氣預報業務系統功能和天氣過程機理研究功能的綜合系統。

1.1.2Graps模式。GRAPES(Global/RegionalAssmiilationandPrEdictionSystem)為全球/區域一體化數值預報系統。中國氣象局于2000年開始組織實施GRAPES研究開發計劃,旨在研究發展中國氣象局新一代數值預報系統。GRAPS研究開發計劃的內容包括:①變分資料同化系統,重點在于衛星與雷達資料的同化應用;②多尺度通用模式動力框架及物理過程;③新一代全球/區域數值天氣預報系統研究建立;④模塊化、并行化的數值預報系統程序軟件的研發。

1.1.3WRF模式。WRF(TheWeatherResearchandForecas-ting)模式是下一代中尺度數值天氣預報系統,它可用于實況預報和大氣研究,它由多重動力核心、一個三維數值同化系統和一個允許并行計算和系統擴展的軟件架構組成。WRF可應用于從幾米到幾千公里范圍的尺度上。

1.2JEE和JEE框架技術介紹JEE(JavaEnterpriseEdi-tion)是一種企業級應用的軟件架構,因為當今的信息系統需要整合多項應用技術、跨平臺訪問不同類型的數據庫、處理來自Internet的大量請求,并要及時做出響應等,這些復雜的應用需求需要一種技術體系來支撐,SUN公司開發的JEE就是這樣一種技術體系。JEE技術實現了以下的企業級應用需求:①并發支持;②事務支持;③交互支持;④集群支持;⑤安全支持;⑥Web支持;⑦分布式支持;⑧XML支持。JEE框架技術是為了更好的實現JEE多層系統架構而出現的中間件技術,通過應用JEE框架技術,可以迅速開發出符合JEE技術規范的企業級應用系統,并使得應用系統的維護更加方便和簡易。JEE系統架構中的各個層次都有許多框架產品來實現,但是框架技術的應用不是單一使用某一個框架產品,而是把各個層次的框架產品組合起來應用,如目前用得比較多的SSH框架組合,是由表現層的Struts[1]、業務邏輯層的Spring[2]以及數據層的Hibernate[3]組合起來的。

1.3系統邏輯結構和業務流程降水預報系統應用JEE框架技術實現了多層次、跨平臺和分布式的系統邏輯架構,通過調用各種數值模式的預報產品,并經過一系列后處理過程來實現對廣西農業種植區的降水預報,系統的邏輯結構如所示。系統業務執行流程為。①氣象信息數據庫存放著各類氣象觀測資料和各種模式所需的輸入數據,數值產品庫存放著各種數值模式的輸出產品。②數據存取模塊是JEE架構的數據層,它負責與所有數據庫的通信,以對象關系映射(O/RMapping)的方式實現對數據的存取操作。③數值模式服務器集群運行著上述提到的3種數值模式,它通過數據存取模塊與數據庫進行通信,從氣象信息數據庫中獲取輸入數據,最終把模式輸出產品存放到數值產品庫中。④數值產品后處理模塊從數據存取模塊中獲取數值產品庫的數據,經過一系列圖形和數據處理后形成一定格式的預報產品。⑤系統主控模塊接受這些預報產品,根據指定的業務邏輯把預報產品傳輸給基礎應用服務層。⑥基礎應用服務層是各類應用服務的承載,它把預報產品處理成各類應用服務可接收的輸入數據。⑦氣象預報業務系統接收基礎應用服務層預報產品的輸入,作為天氣分析的參考資料。⑧互聯網服務提供數值預報的互聯網信息服務,電信增值業務服務提供無線通信服務。⑨用戶可以通過手機或電腦來獲取最終的數值預報產品,這些預報產品以直觀的界面展現給用戶。

2系統實現

2.1SSH輕量級框架組合實現優異的系統架構()SSH框架組合是JEE輕量級系統架構[4]的一種典型的組合方式,該框架組合極大地提高了系統的性能和靈活性[5],下面分別介紹數據層框架Hibernate和業務邏輯層框架Spring的優勢和所起的作用,至于表現層框架Struts,可以參見參考文獻[1]。

2.1.1數據層框架Hibernate的應用。系統所用到的數據庫都是數據量龐大并且要頻繁對數據庫進行讀寫,如果應用傳統的JDBC以全程編碼的方式來訪問數據庫勢必加重系統的負擔,并且會降低系統的處理能力和響應速度,所以必須應用先進的數據持久化技術來實現對數據庫的高效讀寫。Hibernate通過O/RMapping的數據庫持久化技術,實現了從瞬時操作到數據持久操作的過渡,大大簡化了JDBC繁瑣的數據操作過程,同時,對于綜合數據庫連接池的優化也大大提高了性能的開銷。

2.1.2業務邏輯層Spring框架的應用。系統業務層要對外提供各種應用服務,這些服務形式差別很大,有的是互聯網方式、有的是WAP方式、有些是GIS方式,但是各類服務的基礎服務是相似的,為了實現代碼的復用和靈活擴展,并且在服務方式改變時只需修改需要變動的模塊,這就需要一種稱之為面向切面編程(AOP)的方式以實現具體業務的植入操作。Spring框架的主要優點在于面向切面的編程,它的AOP實現方式是從系統分離出方面(Aspect),方面可以看作是一種獨立的業務操作或模塊,它獨立于業務邏輯層的實現,可以在程序執行時織入到程序中運行。通過這種方式,任何方式的服務或應用都可以得到輕松的創建和擴展。

2.2數值模式資料獲取和執行流程數值模式的資料獲取和執行流程中各模塊初始配置和參數化對于最終的數值模擬結果至關重要[7],執行流程中各模塊環環相扣、關系緊密,因而在對每個模塊的初始化和參數配置上必須要考慮與相鄰模塊之間的配合以及整體上的配合。如所示,數值模式執行流程由以下各模塊組成:①模式區域設置[6];②初始條件和側邊界條件;③模式所模擬的地形和下墊面;④模式嵌套;⑤物理過程參數化;⑥三維數值同化。

2.2.1模式區域設置。把廣西各種植區按一定的原則劃分出幾個區域,劃分的原則主要根據地形、氣候特點、農作物類別等,系統對所劃分出的每個區域分別進行數值模擬,最后以區域為單位來輸出數值預報產品。在更為精細化的條件下,每個大的區域還可以劃分為若干個小的區域,甚至于再往下細分。區域劃分主要根據模式的精細度、具體的服務需求和系統的承載能力。

2.2.2初始條件和側邊界條件。大尺度資料為由美國環境預報中心(NCEP)和國家大氣研究中心(NCAR)提供的再分析數據集。這些數據集包括較早前推出的月平均再分析資料和日平均再分析資料,以及近幾年正式對外逐6h再分析資料集NNRP1和NNRP2。以這些資料作為各數值模式運行的初始環境場和側邊界條件。

2.2.3模式地形和下墊面。模式使用NCEP提供的最精細的全球30s地形資料及全球30sUSGS下墊面分類資料。

2.2.4模式嵌套。根據具體的業務需求和模擬精度可選不使用嵌套、使用一重嵌套、二重嵌套和三重嵌套。一般而言,使用嵌套可以提高數值輸出產品的準確度,但是又受制于系統的承載能力,這就需要綜合考慮各種因素以確定如何使用嵌套。

2.2.5物理過程參數化方案的選擇。物理過程參數化方案對于數值模式的模擬效果起著關鍵性的作用,大氣中的各種物理過程直接影響著大氣的運動狀態和成云致雨過程。基本的物理過程類別有:微物理過程、長波輻射、短波輻射、行星邊界層參數、積云參數、近地面層參數和陸面過程參數,每種物理過程都對應多種參數化方案,這就需要系統能夠根據不同的天氣條件設置不同的參數化方案[8],并且根據模擬結果來調整特定條件下的參數化方案。

2.2.6三維數值同化。三維數值同化的觀測資料來源于全廣西所有氣象觀測站和自動氣象觀測站的實況資料,筆者根據所模擬的區域對這些觀測資料進行選取和插值,再輸入到各模式的數值同化模塊中執行運算。

3結語

應用JEE技術建立起的農業種植區數值預報系統實現了數值預報從設計、運行到應用服務的一體化管理,提高了數值預報的應用能力和服務水平。系統關鍵點在于數值模式的設計和運行方案的選擇[9],這需要在實踐過程中不斷總結并探索出最佳的運行方案,以提高數值模式對真實大氣的模擬能力。