基于NCL的集合预报释用产品研发及集成显示

第４１卷第４期

　２０１９年８月 广　东　气　象ＧｕａｎｇｄｏｎｇＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ

　Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．４　Ａｕｇｕｓｔ ２０１９　

收稿日期：２０１８－１１－１０

基金项目：广东省气象局科学技术研究项目（２０１５Ｑ０８）；广东省气象局“气象信息大数据创新团队”（团队编号：２０１５０７）作者简介：侯灵（１９８６年生），女，工程师，主要从事气象数据质量控制及评估工作。Ｅ－ｍａｉｌ：５１３７２９３６９＠ｑｑ．ｃｏｍ通信作者：孙周军（１９７８年生），男，高工，主要从事气象信息传输工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｊｕｎ＿ｓｕｎ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ

侯灵，孙周军，李高洁．基于ＮＣＬ的集合预报释用产品研发及集成显示［Ｊ］．广东气象，２０１９，４１（４）：３８－４２．

基于ＮＣＬ的集合预报释用产品研发及集成显示

侯灵，孙周军，李高洁

（广东省气象探测数据中心，广东广州　５１０６４０）

摘　要：利用Ｃ语言快速解码欧洲中期天气预报中心下发的集合预报原始数据，并逐要素处理成ＮｅｔＣＤＦ格式进行存储使用；针对广东省天气气候特征，研发集合预报释用产品，利用ＮＣＬ完成ＮＣ格式的数据加工处理，生成相应的脚本库，并通过建立属性资源库、采用ＮＣＬ／Ｆｏｒｔｒａｎ接口及地图预设的方式，提高绘图脚本运行效率。通过控制文件定时作业运行ＮＣＬ脚本库，实现多预报时效、多层次、多种气象要素图形产品的定时集成显示。

关键词：应用气象；解码；ＮＣＬ编程语言；集合预报；释用产品；集成显示

中图分类号：Ｐ４９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－６１９０．２０１９．０４．０１０

ＮＣＡＲＣｏｍｍａｎｄＬａｎｇｕａｇｅ（简称ＮＣＬ）是专为气象数据使用、分析和可视化的一种编程语言，具有画图精美、对气象常用文件格式读取异常优化、囊括气象常用统计分析函数、程序简洁等特点，目前在气象行业中已得到较多应

用［１－２］。集合预报不但能给出预报结果还能一

定程度上表达出预报的不确定性，为预报员提供参考，正逐渐成为预报技术的一个重要发展趋势，也是国际上先进国家进一步提高天气预报水

平的有效途径［３］

。

伴随着集合预报的发展，国内一些学者已经开始了集合预报数值产品使用方法相关研

究［４－７］

。自２０１３年５月开始，国家气象局已开始下发ＥＣＭＷＦ集合预报数据［８］，此时集合预报

释用产品在广东省天气预报业务中应用还没有开展，预报员只能参考国家局下发的集合预报工具箱中的产品，但该软件图形产品有限，可定制性较差，对具有局地特征的天气分析不精细，且图形画面不够精美。本研究于２０１４年开始对ＥＣＭＷＦ集合预报原始数据进行解码，将其转换成ＮｅｔＣＤＦ（ｎｅｔｗｏｒｋｃｏｍｍｏｎｄａｔａｆｏｒｍ，ＮＣ）格式，开发了多种降水集合预报释用产品，通过ＮＣＬ建立集合预报释用产品脚本库，定时作业，并在业务内网集成展示，为预报员提供参考。

１　集合预报原始数据解码存储

ＮｅｔＣＤＦ不但是一种自描述的数据格式，而且可以针对数值预报的网格数据进行高效的存储、管理、获取和分发等操作，目前在气象行业中已广泛使用，利用ＮｅｔＣＤＦ存储数值预报数据也

成为一种发展趋势［９］

。

欧洲集合预报原始数据采用的是ｇｒｉｂ１编码方式，它是世界气象组织开发的一种用于交换和

存储规则分布数据的二进制文件格式［１０］

。ｇｒｉｂ１

记录中包含这个记录所存储数据的基本信息，如要素名称、层次、预报时间、格点数、经纬度及记录总长等，使用ｗｇｒｉｂ软件可以获得ｇｒｉｂ１格式文件的简短目录。

由于欧洲集合预报的原始数据文件没有按照要素、成员、层次等维度信息规律排列，解码前需要按照指定顺序将打乱的维度重新排序。考虑到数值预报原始数据单场单要素顺序排列的存储特点，本研究利用ｗｇｒｉｂ打印出的数据文件简短目录信息，定位每个“数据块”的起始位置，从而设计算法成块地将数据文件读出，然后按要素进行分类，不同的要素放在不同的文件中。按要素进行解码，读取对应的要素文件，并借助Ｃ语言中ｎｅｔｃｄｆ．ｈ头文件，将要素的经度、纬度、层次、成员、时效信息，来写入Ｎｅｔｃｄｆ文件，并形成

ＮｅｔＣＤＦ格式数据系统［１１］。

国家气象局每日分两次下发起始预报时次

为００：００和１２：００（世界时，下同）的集合预报原

始预报数据，每个起始预报时次有６

３个原始文件，经过要素剪裁、解码转存成ＮｅｔＣＤＦ格式的要

素文件共有１

２个，分别是位势高度、相对湿度、比湿、温度、经向风速、纬向风速、总云量、降水

量、海平面气压、

２ｍ气温、１０ｍ经向风速、１０ｍ纬向风速。前６个要素均有７层，分别为１０００、９２５、８５０、７００、５００、２００、１００ｈＰａ，后６个要素均只有地面层。所有要素的预报时效均为３６０ｈ，其中前７２ｈ预报时效间隔３ｈ、７２～２４０ｈ间隔６ｈ、２４０～３６０ｈ间隔１２ｈ。

经过３年实践证明，

该方法不但能够大幅度提高解码效率，更加能够提高程序的可复用性、

降低程序维护成本，实现Ｅ

ＣＭＷＦ集合预报原始数据的高效解码和有效存储。

２　集合预报释用产品研发

广东省地处大陆气团和海洋气团的交界处，天气气候异常复杂，一年四季气象灾害频发，春季低温阴雨、春夏季节暴雨和局地强对流、夏秋季节热带气旋、冬季寒潮等是造成人员伤亡和经

济损失的主要灾害性天气［

１２－１６］

。结合广东省天气气候特征，本研究利用Ｎ

ＣＬ对ＮｅｔＣＤＦ数据系统中的集合预报要素数据进行产品研发，生成适用于广东省不同时期的极端特征天气的图形产品，建立集合预报图形产品库。

按照释用产品场分布特征，产品可以分为集合平均场、集合离散度、天气要素概率分布、分位数、日最值、面条图、邮票图、单站预报８类产品。其中集合平均场是通过对某一预报时效所有集合成员预报的数据进行简单的数学平均得到的，本研究绘制了１５种地面及高空要素的集合平均场产品；集合离散度是模式输出的各成员预报的

标准差，本研究设计研发了２ｍ气温、

８５０ｈＰａ气温集合平均场及其离散度分布，用来衡量各成员预报中变量的不确定性；而为了预报天气事件发生的具体地点或格点位置，设计了１８个天气要素概率产品，来估计其发生的概率。此外，根据具体的天气预报业务需求，还设计了包含分位数、直方图、邮票图等在内的多种集合预报使用产品。本研究根据广东省不同季节的３种特征天气预报的需要，对部分研发产品的应用进行介绍。２．１　低温阴雨

春季低温阴雨是冷暖空气在华南上空持续对峙的结果，春季极地冷空气较弱，受欧亚阻塞高压影响，常常小股渗透南下，若此时西南风将源于孟加拉湾的暖湿气流频频东传，则容易在华南上空形成低温阴雨过程。气象上表征低温阴雨天气有两条标准：日平均气温≤１２℃，且连续３ｄ或以上；日平均气温≤１５℃，每天日照时数

≤２ｈ

，且连续７ｄ或以上。凡在每年的２月１日至４月３

０日期间出现的天气过程符合上述之一者，即统计为一次低温阴雨过程［１７］

。

由低温阴雨过程的成因可知，若要预报低温阴雨能否形成，则需要了解２００、５００、和１０００ｈＰａ等高面上各等值线的分布特征以确定天气形势，了解各预报时效地面２ｍ的气温分布情况确定冷空气移动情况，并根据８５０、９２５ｈＰａ水汽通量的集合平均场分布确定暖湿空气的运动及分布情况，为此，本研究设计了高层各等高面上等值线、２ｍ气温和８５０、９２５ｈＰａ水汽通量的集合平均场产品。

从低温阴雨的定义可知，日平均气温、日照时数是确定低温阴雨过程是否持续的主要气象条件，由于集合预报数值产品中没有日照时数要素，本研究研发了日平均气温和总云量的集合平均场分布特征如图１

所示。

图１　部分春季低温阴雨过程预报参考的日平均气温（ａ）（单位：℃）和总云量（ｂ）

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