针对部分气象要素的气象预报三维辅助系统设计

针对部分气象要素的气象预报三维辅助系统设计【摘要】随着三维可视化技术的日益成熟，该技术已被广泛应用于各行各业，但由于气象行业对数据的特殊应用方式等多种原因，致使气象数据及预报结果的显示目前仍主要以二维方式为主，兼顾极少部分的简单三维显示。

针对上述情况，本文从实际应用出发，拟以可扩展的方式针对部分气象要素充分结合预报员的实际应用方式，建立气象预报三维辅助系统，实现基于真实高程或数字遥感影像的风场，温度场三维显示及云要素的三维显示。

【关键字】三维气象The design of 3D weather forecast auxiliary system by partof meteorological elements[Abstract]With the 3D visualization technology is boomed, this technique has been widely used in all walks of life, But because of the special way of the meteorological data use, the mode of meteorological data and weather forecast result display is still mainly base on the technique of two-dimensional, and there is little of 3D mode. In view of the above situation, this article relies on the practical application, creates a 3D weather forecast auxiliary system by part of meteorological elements which can draw the wind field, temperature field and cloud by three-dimensional display based on the actual altitude or digital remote sensing images, and can be extended easily.[Key word]3D / three-dimensional meteorological weather0引言科学计算可视化技术凭借计算机的巨大处理能力及计算机图像、图形学基本算法以及可视化算法，把巨大数量的数据转换为静态或动态图像或图形呈现在人们的面前，并允许通过交互手段控制数据的抽取和画面的显示，使隐含于数据之中不可见的现象成为可见，为人们分析、理解数据、形成概念和找出规律提供了强有力的手段。

科学计算可视化将科学数据转变为图像，在气象方面的应用十分广泛和重要。

借助人的形象视觉思维能力，帮助人们在杂乱无章的数据中发现其中的规律，为科学发现、工程开发等提供依据。

数值天气预报产生的数据量越来越大，而预报人员希望快速、准确、逼真地可视化大规模数据，同时还要求交互地探索和分析。

现有的可视化算法和软件系统从处理规模、计算速度等方面很难达到有效的处理大规模数据，因此，针对数值天气预报的科学计算可视化研究面临大规模数据带来的挑战。

科学计算可视化的实质是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图像，在屏幕上显示出来并进行交互处理，其核心是三维数据场的可视化。

气象预报关系到亿万人民的生活，对灾害性天气的预报将会大大减少人民生命财产的损失。

气象预报的准确性依赖于大量数据的计算和对计算结果的分析。

科学计算可视化可将大量的气象数据转换为图象，在屏幕上显示成某一时刻的等值面、等温面、位涡、云层的位置及其强度、风力大小及方向等，从而使气象人员能对未来的天气作出准确的分析和预测。

另一方面，根据不同时期全球的气温分布、气压分步、雨量分布及风力风向等以图象形式表示出来，从而对全球的气象情况及其变化趋势进行研究和预测。

天气预报是建立在对大量的气象数据进行显示、分析的基础上的，但传统的天气图都是二维显示，不利于预报员对从地面到高空的大气参数进行较为直观、全面的观察和分析。

开发气象可视化系统，可以将观测及数值预报计算出来的大量气象数据进行有效的处理和三维图像显示，使气象预报工作者能够更直观、更深入理解大气演变信息，从而做出有效的天气预报。

开发气象可视化系统的目的就在于要将三维可视化技术应用于气象模式数据，实现气象模式数据的三维显示，为气象领域的气象预报工作者提供一个直观的模式数据可视化分析环境。

另外，由于天气分析预报工作的实时性，气象三维显示要求达到较好的三维显示效果与较快的交互显示速度，而当前可用于气象的三维显示软件大多是通用软件，应用系统大部分是在工作站上完成，高额的成本势必影响其应用范围。

那么，能否在微机上实现较好的三维显示效果与较快的交互显示速度，是人们一直致力解决的问题。

因此，对基于气象数据的三维显示算法进行改进，研制开发在微机上运行的气象三维可视化系统，具有重要的理论研究意义和实用价值。

但是针对目前气象预报业务的引用现状，为了增强系统产品的可用性，本文在此仅针对风场模型，温度场模型和云的三维显示进行讨论与设计。

1国内外现状简述我国目前气象部门应用最为广泛的系统的便是MICAPS（Meteorological Information Comprehensive Analysis And Process System）系统，如图1所示，该系统自1994年问世并全面投入我国气象行业以来，经历了3个版本的换代升级，目前以到3.2版本，该系统遵循气象行业规范，充分结合预报员的实际业务流程与操作规范，不断的从技术与可视化方面进行完善与美化，目前已基本囊括了行业中主要使用的所有数据处理与展示，仍是气象行业中主要的业务辅助软件。

尤其是3.0版本，该系统在界面展示方面做出了重大的飞跃，不但操作灵活，且展示界面美观。

不过尽管如此，该系统在气象数据的三维显示方面投入仍然较少，三维显示功能在该强大的系统里可以算是一个鸡肋的存在，如图2所示，该图只能起到示意的作用，无法对预报员的预报起到辅助作用。

因此，气象数据的三维显示与应用仍是一个十分值得研究与实践的方向。

图 1 MICAPS v3.0图 2 中尺度预报量的五维显示A VS/Express，A VS 公司的核心产品。

它分为开发版和可视化版，支持Windows95/NT、SGI、SUN、HP、DEC 和IBM 平台。

AVS 公司2000 年又开发出最新的适用于SGI 的Onyx2 Multi-Pipe 高性能工作站版本—MPU（Multi-Pipe Edition）。

A VS/Express 开发版是一个可在各种操作系统下开发可视化应用程序的平台，使用它可以快速建立具有交互式可视化和图形功能的科学和商业应用程序。

基于A VS/Express 开发的应用系统的优越之处就在于不仅能够为预报员提供观察数据发生演变过程的手段和数值分析工具，及时跟踪和评估重要天气情况；还能够为预报员提供一种检验方法，以检验数值天气预报的准确度。

可以将收集来的大量数据进行有效的处理和图形显示，使预报员能够明晰数据结构，并有效地利用这些气象数据，图3为A VS 实现的三维局地气象预报图。

除此之外，还具有对可视化数据进行分析的功能，既将数据变化的过程用图形、色彩、动画等方式表现出来，这正是与目前气象预报员使用的MICAPS 图形图像系统最主要的区别。

图 3 三维局地气象预报图2气象预报三维辅助系统设计方案针对国内外现役气象应用软件的特点，本文拟将MISCAPS的数据处理功能与A VS/Express的3D显示预报方式融合，针对数值预报产品中的风场，温度场进行地形拟合的三维显示，并将观测数据与遥感数据结合，模拟出实测云体情况。

系统的功能模块组成如图4所示。

图 4 系统总体设计图该系统拟采用C/S结构搭建，相对于服务器的应用方式而言，B/S结构的设计方式更能增加系统使用的灵活性，但考虑到该系统为三维显示，对显卡要求较高，目前的网络状况与浏览器性能不足以承担三维显示的巨大压力，故系统只能已C/S结构实现。

3系统功能描述1)资料数据库负责存储气象资料，主要包括实况观探测报文，数值预报风场资料，数值预报温度场资料，全球DEM数字高程数据及不同分辨率的遥感影像资料。

2)地理资料获取与处理模块负责从互联网下载或购买DEM资料与遥感影像资料，并对遥感影像资料进行经纬度配准。

3)气象资料处理模块已可扩展的API方式开发实现以为后续功能扩展预留接口。

目前该模块负责对经纬向风矢量进行合成处理，解译原始管探测报文并提出中高低层云量、云底高，云状等要素数据，分析气象卫星云图数据，提取云分布范围，云层厚度情况，通过与站点云信息的插值耦合，估算出云覆盖范围，云高，云厚与云状情况。

4)三维绘制模块针对场要素将其覆盖范围内的DEM数据作为其Z轴的高程数据，风场数据以栅格风矢量的方式绘制，温度场数据以温度渐变色的方式绘制。

云体绘制结合DEM 数据或城市遥感影像数据在“上空”等比例仿真绘制。

5)多要素三维混合显示模块类似于GIS中的图层概念，系统可根据用户需要，实现地形纹理、遥感图像、风场数据和温度场数据之间的任意混合显示，显示方式可以是逐层也可以是叠加。

同时可以实现以上述四种要素中的一种或几种叠加为“地面”的方式与云体数据混合显示。

6)运行控制模块为系统的综合管理模块，负责与用户的交互，插值的计算，数据获取的触发，系统日志的生成，系统状态的监控等各项功能，是整个系统的中枢与管理模块。

4关键技术与待突破的重难点问题1)气象数据的处理技术。

针对各类气象数据按照统一标准格式的方式分别进行解译，并在保存入气象数据库前进行质量控制，有关错误数据进行剔除。

此关键技术需要由专业气象编报、解报人员完成。

2)气象云图影像中的云边界提取技术。

卫星影像中目标物计算机提取技术一直处于计算机智能领域的研究阶段，尽管有很多成功提取的方法与算法，但目前任然没有很好，很成熟的被广泛认可的云提取技术，针对这种情况，本系统拟在计算机自动识别的基础上增加人工订正功能，可在对云范围精度有较高要求或对自动识别结果又怀疑的情况下实现人工抓取云区域，提取成功后云以面矢量的方式存入系统数据库。

3)离散点云数据插值算法分析技术。

插值是在离散数据之间补充一些数据，使这组离散数据能够符合某个连续函数。

插值分析是气象信息处理应用最为广泛的分析算法之一，在决策气象服务系统建设中也多次采用插值算法将离散点数据插值成连续的表面数据，然后进一步形成等值线或者色斑图。