杨和平 张 强 罗 兵 陈 楠 邓 鑫 张志强 孙 超陈京华 赵煜飞 李小汝 郭 聪 陈 杰 李默予
（国家气象信息中心，北京 100081）
气象已成为与国家发展战略、社会经济发展以及人民日常生活密切关联的重要基础力量，气象保障服务已成为重大活动、突发气象灾害以及汛期会商服务等场景中必不可少的第一道防线支撑。准确、及时的高时空分辨率的卫星、多仰角的雷达以及闪电等大气探测产品均在1996年悉尼夏季奥运会及2008 年 北 京 夏 季 奥 运 会［1］、2008 年 汶 川 大 地震［2］、南方雪灾［3］、2010 年玉树地震［4］、2019年台风利奇马［5］、2021年河南极端暴雨［6］等重大事件保障及突发灾害事件中发挥重要作用。气象保障服务多以文件汇报和系统演示为主，气象历史背景、实况动态以及预报趋势等内容均为相对独立的系统，如MICAPS，SWAN 等，历史数据时空分析及新型观测数据及产品单独提供，多用于事件复盘等，无法及时提供相关信息；
不同单位的保障服务系统彼此独立，数据准确性、时效性以及可视化表达很难保持一致，干扰决策研判；
此外，各类气象服务系统均以气象类数据产品为主，难以实时、快速、高效获取相关社会经济、生态环保、自然资源等基础信息并可视化表达，无法为决策者提供气象影响分析的综合性决策支撑。
针对以上需求并结合信息技术发展趋势，面向重大活动、突发气象灾害以及汛期会商服务等气象保障服务对高时效、时空统一调度的需求，以系统、集约、集成的建设理念，基于中国气象局气象大数据云平台（天擎）数据资源及计算资源［7］，发布观测、预报、服务以及人工影响天气等业务系统中的卫星、雷达、实况融合、智能预报等气象产品服务。在数据存储中间环节，梳理结构化数据及非结构化数据的应用场景，研发传统结构化数据存储、地理信息空间存储、索引存储（Elasticsearch）、页面缓存存储等数据库混合集成应用框架，提供高效检索服务；
传输环节集成高低八位压缩及多域名浏览器并发传输技术，提升数据传输效率；
页面交互可视化环节，基于NPM（JavaScript语言的包管理工具）［8］、Vue组件、WebGL［9］可视化等前端开发技术，构建组件化封装［10］及应用服务模式，充分发挥服务端及客户端（浏览器）云计算［11］与边缘计算［12］的高度协同，建立信息集成度高、数字化、可视化、交互式于一体的信息支撑系统，实现科学指挥和统一协同调度，极大提高了决策效率。目前，气象综合指挥平台集成113种气象产品，发布并应用图层服务1106种，有效支撑2021年第十四届全国运动会、2022年北京冬奥会和冬残奥会等国家重大气象保障服务工作。
1.1 气象综合指挥平台业务定位
本平台围绕重大活动、突发气象灾害以及汛期会商服务等需求，针对现场局地小场景精细化气象信息服务特点，采用集约化、组件化、开放式设计，统一集成卫星产品、雷达产品、实况融合产品、小时预报产品等常规数据及产品，空间天气、风云高分辨率、秒级观测以及百米融合等观测数据及产品，实现各类信息资源快速响应、时空联动、动态加载、一站服务，为综合研判、决策和指挥提供保障服务支撑。
1.2 气象综合指挥平台业务需求
1.2.1 多源数据的集成需求
随着气象保障精细化服务需求的提升及气象观测的技术发展，新型相控阵雷达、高分辨率卫星观测、垂直观测以及临时加密气象观测已应用于重大活动气象保障服务。由于各类临时观测数据存在不能及时共享或仅提供数据下载服务等问题，难以及时应用到网格产品生产及综合影响决策分析服务。因此，亟需针对各类临时观测数据及新观测数据，构建快速接入、处理及服务流程，为各类专项气象保障服务中精细化融合网格产品生产及决策服务提供支撑应用。
1.2.2 业务平台的集约需求
全国各气象业务系统在保障服务中仍存在同类产品重复生产且标准不一致，如实况融合网格产品制作采用站点插值［13］、多源融合［14］、卫星、雷达反演［15］等多种方法，产品的分辨率、时效均不一致；
此外，高精度、高时效的融合［16］、雷达［17］以 及 卫 星［18］等精细化实况及预报产品［19］的服务，分散在各业务系统中，很难跨系统实现统一时空的指挥调度。因此，需要一套高度系统、集约及统一的气象综合指挥平台，集成各气象数字化产品，基于统一的时空实现可视化表达，发挥中国气象局气象产品的保障服务能效。
1.2.3 表达服务的规范需求
各气象保障服务系统可视化表达服务，尤其空间可视化表达，多以各单位各自发布的二维、三维基础地理信息服务支撑，在国省联动的突发灾害及事件气象保障服务中存在地图服务不一致。此外，为突出气象观测微量变化，气象服务的等值线图、色斑渲染图也存在色标、图注等表达不一致的情况。因此，需要一套标准的可视化服务支撑，面向国、省、市、县等气象业务单位提供规范服务支撑，为数据的规范可视化表达提供保障支撑。
1.3 指挥平台综合服务需求
在气象保障指挥服务过程中，天气及指挥决策具有高时效、高频次等特点，传统开发模式基于MVC（model-view-controller）框架，采用C／S 模式更新管理基础信息［20］，基于地图服务公司提供的开发包，利用B／S模式进行二次可视化开发［21］，当多个模块需要相同功能时，代码复用率低、冗余严重，造成各类模块的代码维护成本高，尤其对在B／S架构下的前端页面开发，由于加载无用代码，造成页面延时及用户体验差等问题。此外，如何融入现场实况转播、决策人员远程指挥的现场实时互动，如在人工影响天气保障指挥过程中，指挥与现场保障人员实时在线互动，均为气象综合指挥平台的必备功能。
针对以上气象保障服务指挥需求，本文从气象综合指挥平台总体设计、气象数据处理存储、组件化服务设计以及前端高效渲染等方面进行深入研究，首次基于统一时空调度可视化交互操作及中国气象局电视会商和云会商系统实时语音视屏互动等，面向重大活动、突发气象灾害以及汛期会商服务等场景提供综合气象保障服务支撑。
气象综合指挥平台总体设计包括数据层、存储层、组件层及应用层4部分（图1）。
图1 气象综合指挥平台总设计Fig.1 Design of Meteorological Integrated Command Platform
2.1 数据层与存储层
针对各类气象保障服务场景高时空分辨率气象观测数据及产品服务需求，基于气象大数据云平台（天擎）及保障过程中卫星、雷达、实况融合、预报以及新增观测设备等数据及产品的结构化与非结构化特点，气象综合指挥平台构建标准、简约的配置化数据接入模块，如临时数据快速配置接入、历史数据天擎接口接入等模块，发挥空间存储、大文件存储等存储优势，提升快速数据保障服务水平；
同时，根据数据及产品时效差异特点，统一时间维度，为数据检索及可视化服务等组件的发布，提供数据中台支撑。
2.2 组件层
面向多场景气象指挥保障的决策服务需求，构建并发布既可独立又可耦合的组件服务。气象综合指挥平台梳理各类数据产品如气温（小时气温、24 h变温等）、气压、湿度、风、降水（分钟降水、小时降水、累积降水等）、能见度等常规要素的图层、图例、图标和标准及规范的各类专业表达和散点图、热力图、等值线图等服务需求，按照点（站点等）、图像（卫星产品）以及网格（实况网格产品、雷达产品等）等产品文件类型，分别构建并发布标准化的要素及图层可视化组件服务，为前端可视化服务提供技术中台支撑。
2.3 应用层
围绕特定时空气象保障服务等需求，以轻计算、重连接，前台操作、后台分析为要求，建成基于组件化服务的综合集成、快速响应的气象综合指挥平台，提供专业协同、现场互动、国省联动统一指挥空间，实现统一时空坐标体系的综合信息分析研判，影响分析和风险分析的数字化辅助决策，指挥部、现场和分中心多方视频互动和实时信息同步。
气象综合指挥平台采用Web Server浏览器应用框架及中台设计理念，围绕前端可视化应用服务，针对数据存储、功能发布、场景应用等环节，采用混合存储、空间服务、组件发布及可视化服务等技术，为场景应用中数据的高效、一致及稳定提供保障。
3.1 气象多源数据加工存储
气象综合指挥平台中气象数据的加工存储是平台应用的基础支撑。气象综合指挥平台的气象数据调用基于气象大数据云平台，支持原始数据及产品的规范化存储并提供标准化接口服务［22］。随着气象保障服务需求日渐精细化，自动气象站已超过6万，气象要素近90个，站点数据时效达分钟级；
网格产品文件分辨率从0.1°到0.01°，甚至达到0.001°及0.0001°，文件大小从兆级达到百兆级［23］。面向前端服务应用过程中，传统表格存储已无法满足高效可视化需求，空间、大表格以及缓存等数据库存储技术逐步应用于前端可视化服务［24］。气象综合指挥平台在面向服务的中间层数据处理采取混合存储技术，实现面向前端服务的多源数据存储设计和管理。综合运用空间关系数据库、分布式文件存储技术、内存数据存储技术和本地文件存储技术等，在满足数据应用需求和存储要求情况下，实现数据存储效率最大化及存储成本最小化。具体流程见图2（常用的网站配置等信息均采用MySQL存储）。
图2 数据存储及服务流程Fig.2 Data storage and service process
3.1.1 空间存储
面向气象数据的空间服务需求，基于基础地理及气象站点等矢量数据和关系型业务数据的存储，提供数据查询和矢量瓦片服务。采用对象关系型数据库PostgreSQL中扩展存储管理空间数据的开源GIS数据库（Post GIS）［25］。对海量经纬度信息数据（如气象站点等）的存储过程中，气象综合指挥平台将站点经纬度信息转换为Geometry的Point类型，利用Post GIS的几何对象类型（Geometry）进行存储，其他属性字段保持和原数据结构一致；
创建Gis T 空间索引，在发布图层服务时，实现相关数据的高效空间化检索、展示和应用。
3.1.2 索引存储
面向气象数据空间服务的多表、多维度以及全量方式快速检索分析需求，基于关系型数据库（PostgreSQL 及PostGIS）的 数 据，利 用Elasticsearch建立分布式文件存储，气象综合指挥平台构建基于搜索引擎索引技术的高效数据检索分析功能［26］。气象综合指挥平台涵盖基础地理、自然资源、重点隐患、社会经济和各类气象实况、预报数据资源，基于搜索引擎框架（Lucene）采用Elasticsearch建立数据实时动态索引文件，打破关系型数据库检索的库、表、行以及列等检索流程，有效扩充模糊空间检索服务能力，其倒排索引技术更快、更高效。
3.1.3 内存存储
为减少底层存储服务压力，提升前端页面数据请求效率，数据请求及获取采用内存数据存储服务，在矢量瓦片等文件存储与服务过程中，如针对地理信息及气象网格产品文件的矢量瓦片，以K-V 键值的方式［27］将频繁请求的数据存储在内存。
3.1.4 集群存储
为高效支撑气象网格产品大文件在页面实时渲染交互，如点、线、面的值域、色域等自定义操作及分析统计等，采用格点分块存储及集群存储（Cassandra）以Google的gRPC 框架提供页面端查询分析服务［28］。针对GRIB，NetCDF 等格式的单数据文件较大（5 MB 及100 MB）、总体数据存储量大，气象综合指挥平台通过Kafka分布式消息队列解耦数据流程，提升数据处理中获取、解码及入库运行效率；
采用高低八位方式进行压缩传输［29］，前端页面采用多域名进行分布式请求等方法，为页面端请求效率提供保障。
3.2 组件发布及服务
气象综合指挥平台利用Vue开发框架，采用webpack打包，基于npm 进行发布。Vue（尤雨溪）作为Web 系统主流的三大框架（Angular（Google），React（Facebook）和Vue（尤雨溪））之一，拥有最广泛的中文开源社区［30］，核心思想是数据驱动的组件化系统，采用MVVM 架构描述数据与界面的关系，以组件对应MVVM 中的View Model，避免功能逻辑的混乱，广泛应用于PC 端、Web 服务与移动端App服务等应用开发［31］。组件的开发、发布与托管等流程是Vue框架下组件开发的基本操作，在各类Vue组件开发类书籍中均有介绍，本文主要介绍气象综合指挥平台组件开发中的业务流程技术实现。气象综合指挥平台设计的组件包括数据服务组件、图层可视化组件和逻辑控制组件。
3.2.1 气象数据表格组件
气象数据表格组件主要用于气象要素极值排序结果的表达，形式以表格为主，功能涵盖按时间、区域以及关键字等查询以及排序等，展示信息包括空间位置信息、站号信息、气象数据采集时间以及对应的要素值等。Vue.js基于element UI和ts的基础对表格进行简单封装，仅能对简单表格封装自定义，查询、排序功能不完善。开发过程中气象数据表格组件定义两个数组，结合应用Javascript的map（）函数，对数组的每一项运行给定函数，返回每次函数调用结果组成的数组，并传递到组件表格中进行初始化渲染，如果数组发生变化，那么表格组件数据也同步更新，实现数据更新以及数据重排操作。
3.2.2 气象数据可视化组件
气象数据可视化组件主要包括等值线、色斑热力图、网格值等渲染效果，涵盖对气象站点、气象要素、卫星雷达等图像产品及网格产品等气象数据的可视化表达。针对高分辨率图像及网格数据传输，气象要素表格可视化组件开发利用高低八位算法进行压缩，按需进行自定义切片，提升服务器端与浏览器端的传输效率，浏览器渲染综合使用Echarts和GeoServer［32］等技术进行封装，基于OGC（开放地理信息系统协会）的WMS协议规范进行图层服务的封装发布，形成可视化服务的服务中台，支持位置、屏幕可视范围及指定投影方式的转换，阈值过滤等配置方式的图层调用［33］。其中，图层属性信息发布为JSON 数据格式，将文件位置、经纬度范围、文件名称规范、数据时间规则等信息进行封装，以接口的方式提供服务。此外，气象综合指挥平台探索三维可视化组件的发布，以Map Box GL及ThreeJS［34］为基础，按照气象服务需求，修改ThreeJS三维体的投影变换矩阵，支撑Map BoxGL场景中三维对象的可视化表达。
3.2.3 交互操作组件
基于气象数据的强时空特性，气象保障服务需要在特定事件、区域以及要素间进行快速切换等交互操作。交互操作组件开发利用Web GIS和Mapbox等技术［35］，发布面向地理空间位置、多空间以及图层管理的控制组件。综合运用Map Box中事件监听等插件，封装监听用户在地图上鼠标点击生成点、线或多边形，利用折线和多边形生成空间图形（geometry），采用空间计算引擎计算距离和面积，统计并反馈相关区域内气象观测站点、格点产品等气象信息，用于前端页面Web GIS 地图上的显示；
利用Vue.js的树组件封装发布对不同图层气象产品的添加、删除及叠加顺序等操作的管理等；
在多气象要素独立分析应用中，采用页面端Vue.js中插槽机制［36］，增加关注区域的复制及分屏，各分屏的地图及图层可按需独立展示不同的数据；
在任意分屏中移动或缩放地图时，保持时空同步，保障同一区域不同气象产品的对比展示和分析。此外，三维交互过程中通过Ray March算法，根据当前视角与三维体的交叉运算，调整视线上各个点的alpah通道值，采用GLSL Shader作为开发语言，基于ThreeJS 的Box Geometry新视角［37］等功能进行封装并发布。
3.3 跨系统及云会商集成及应用
气象综合指挥平台除了利用组件集成技术以外，在人工影响天气保障服务中，综合运用WebSocket技术［38］，将人工影响天气系统的操作，如经纬度、气象要素等信息，直接通过WebSocket API实现浏览器和服务器握手，创建持久性的连接，并进行双向数据传输，实现跨系统的实时互动。此外，打通中国气象局会商及云会商服务，实现现场的实时互动及指挥，为指挥过程中的高频次、高时效互动提供保障。
气象综合指挥平台依托气象大数据云平台（天擎），集成观测业务、预报业务、服务业务、人工影响天气业务等多类系统及产品，在统一的时空维度上集成应用，在国家各类重大活动尤其是2022年北京冬奥会和冬残奥会开幕式和闭幕式中发挥重要作用。
4.1 气象数据集成成效
在2022年北京冬奥会和冬残奥会开闭幕式气象保障服务中，气象综合指挥平台集成了北京市气象局、河北省气象局、国家气象中心、国家卫星气象中心、国家气象信息中心、中国气象局气象探测中心、中国气象局公共气象服务中心、中国气象局人工影响天气中心等多个部门113种产品（表1），发布并应用1106种基础信息图层服务，涵盖常规观测、空间天气产品、风云四号气象卫星高分辨率数据、秒级百米融合等新型观测数据及产品，充分利用现有现代气象业务数字化成果，为实现挂图作战的气象综合指挥提供数据支撑。
表1 气象综合指挥平台产品集成清单Table 1 List of products integrated on the platform
4.2 气象综合指挥平台功能集约成效
在2022年北京冬奥会和冬残奥会气象保障服务中，气象综合指挥平台以北京、延庆、张家口三大赛区11个场馆为保障区域，集成卫星、雷达、常规气象观测和网格实况产品等多源实况产品，按照统一时间进行二维／三维的统一服务调配，发布历史背景分析、多源实况分析以及实况预报一体化等功能场景，为决策指挥供综合实况服务支撑（图3）。
图3 2022年北京冬奥会和冬残奥会会开幕式气象保障服务主界面Fig.3 Meteorological service interface for opening ceremony of 2022 Beijing Winter Olympic Games and Winter Paralympic Games
4.2.1 历史背景分析
聚焦2022年北京冬奥会开幕式保障期间的气候背景分析数据需求，集成最新研制的中国地面标准气候值（1991—2020年）、1951年以来小时降水和风观测序列、极大风、高温等极端气候事件数据产品，构建历史上的今天及历史背景气候信息服务，为研判开幕式当天最有可能发生的天气事件提供决策支撑。
4.2.2 多源实况对比
以2022年北京冬奥会和冬残奥会开幕式及场馆为中心，集成常规气象观测、雷达、卫星和网格实况等多源产品，按照统一时间轴提供分屏等多种产品对比分析和表达，为决策指挥提供综合实况服务支撑（图4）。
图4 2022年北京冬奥会及冬残奥气象保障多源实况对比Fig.4 Meteorological support on multi-source live comparison for 2022 Beijing Winter Olympic Games and Winter Paralympic Games
4.2.3 实况预报一体化分析
集成站点实况和预报对比、网格实况和预报对比、多种预报产品对比和质量检验等功能，提供气温、降水、风等与气象保障紧密相关气象要素的天气实况和预报一体化对比分析，为2022年北京冬奥会和冬残奥会的决策指挥提供天气预判支撑（图5）。
图5 2022年北京冬奥会及冬残奥气象保障实况预报一体化分析Fig.5 Meteorological support on integrated analysis of real-time prediction for 2022 Beijing Winter Olympic Games and Winter Paralympic Games
4.2.4 基础信息一张图
围绕2022年北京冬奥会和冬残奥会综合保障服务需求，提供包括基础地理信息、环境与生态、自然资源、社会与经济、气象基础信息5 大类数据资源，共计1106个图层服务，为决策指挥提供综合信息服务支撑（图6）。
图6 2022年北京冬奥会及冬残奥气象保障基础信息一张图Fig.6 Meteorological support on one map service for 2022 Beijing Winter Olympic Games and Winter Paralympic Games
4.3 综合指挥应用成效
气象综合指挥保障服务全过程是首次基于中国气象局电视会商和云会商系统，提供中国气象局冬奥气象服务指挥部（国家气象信息中心天镜厅）与各分会场、两地三赛区现场服务点、人工影响天气作业点等随时随地音视频连线和互动。尤其人工影响天气作业系统互动过程实现与现场直接云会商连线，实地操作与人工影响天气系统实时同步，指挥平台时空及气象要素的变化实时与人影系统的操作自动联动，充分发挥了中国气象局在气象应急保障中现代化综合服务水平，为冬奥气象服务综合决策指挥提供全面的数据分析服务和视频会商保障。
基于开放式框架、集约化开发理念，集成多源数据标准化接入及服务，构建面向服务的功能组件并发布，利用MapBox等WebGIS地图支撑及服务技术，构建数据及功能的组件服务，为特定时空的气象保障服务，提供直观、一致、高效的挂图作战工具——气象综合指挥平台。该平台具有如下功能：
1）多源数据产品的标准化集成及服务。气象综合指挥平台基于结构化（站点要素等信息）以及非结构化（图像、网格以及二进制等）气象数据，针对各类数据的时空关联性，利用混合存储（Elasticsearch，Cassandra，PostGIS等）数据库引擎，构建面向气象可视化服务需求的数据处理、存储及检索服务，并利用API接口封装技术发布服务，为各类气象保障服务系统的构建提供数据的二次开发支撑。
2）可视化表达的组件发布与服务。气象综合指挥平台利用node.js数据开发环境，基于气温、气压、湿度、风、降水等常规要素，以页面前端可视化高效表达为目标，利用图像压缩、切片、传输及可视化技术，发布组件化服务。针对非结构化数据，构建三维、色斑、等值线、网格值等流畅渲染效果组件，应用于雷达、卫星以及实况等产品的高效表达；
针对结构化数据，发布弹框、图标等自定义组件，应用于气象站点要素、POI地图表达，为各类气象保障服务系统的开发直接提供组件服务，极大程度降低开发及维护成本。
3）时空统一调度控制及服务。针对保障区域的时空特定性以及气象各类数据产品的时空关联性，以统一时间轴及地图服务为基础服务控制主体，通过数据接口服务及可视化组件服务，按照分钟、小时、日等维度对气象数据进行整合表达，并提供图层叠加管理、图层分屏操作等可视化效果，充分发挥气象数据产品在保障指挥过程中的价值，为决策者在保障指挥中提供更为直观的决策参考。
今后气象综合指挥平台将持续以集约化、组件化方式围绕数据服务、功能建设以及业务数字化等方面开展各项建设。在数据方面，发挥相控阵等新型观测数据优势，结合高程地理信息，对数据进行融合加工处理，并以接口式、组件化发布，持续丰富气象保障服务内涵；
在功能方面，围绕气候变化背景下，极端天气频发、极值屡破新高，特殊天气过程场景服务的保障需求不断变化的需求，按需快速构建定制化的专题保障服务，通过梳理共性及个性功能，发布共性复用率强、个性符合度高的功能组件服务，实现快速拼接组装式的专题定制服务。同时，随着各行业数字孪生［39］应用的发展，挖掘三维气象融合产品等气象产品数据价值，利用数字孪生的物理模型，集成多源数据（跨学科跨领域）、物理量、多尺度等仿真应用，构建三维、多维的数字孪生大气，为气象综合指挥平台的决策应用提供数字化支撑。