实时气象资料库的特点和要求

第六节　信息处理

随着信息采集和信息传输的现代化，必然带来信息处理的现代化。当大量的气象信息快速地传到预报员的面前时，如何快速、准确地对它们进行整理、综合、再加工成理想的分析预报工具，是预报员关心的问题。当前的做法主要是运用现代大气科学、应用数学的成果通过计算机技术对各种信息进行处理。从天气预报业务流程看，处理过程首先是建立资料库，把采集到的信息进行检验、分类、编辑、储存、管理和检索；然后把绘图报自动填写到天气图中并进行客观分析，绘制等值线；把卫星、雷达等资料数字化，进行图像处理；接着对这些产品进行再加工，如对多通道信息进行综合同化，在客观分析的基础上计算物理量，绘制各种物理图形，在数字化的卫星、雷达图像中自动分析云、风和天气现象等。为天气预报提供及时、定量、客观、形象的分析工具。现分述如下。

一、气象资料库

气象资料库（又称气象数据库）是个泛称。通常包括实时气象资料库和历史气象资料库两类。而每一类可分为观测资料库、图形库、图像库等等。它是气象信息处理最基本的环节。在天气预报业务系统中，其任务是对气象信息进行集合、加工、储存和检索，保证信息共享，为分析预报提供快速、可靠的气象数据。

在天气预报业务的计算机系统中，气象资料库是一个相对独立的子系统。规模大的有几台专用计算机，规模小的可与其它子系统共用一台计算机。它通常包括数据库和数据库管理系统两部分。

数据库是存储在一起的气象信息的集合，数据都规格化和结构化。因此，理想的数据库除了集合了完整、适用的信息外，还要选择合适的数据模型和数据结构。管理系统是用户访问数据库的接口，它接收、分析并解释用户给出的请求（命令），按用户要求选择相应的处理程序去对数据库中的数据进行处理，包括检索，提取、存储、更新等。因此，管理系统很强调兼容性，可移植性和分布式、多功能的性能。下面主要介绍实时气象资料库。

1．特点和要求

根据气象信息的特点和处理的要求，数据库一般应适应和满足以下要求：

（1）系统环境复杂。它是网络环境下，由多个用户在不同机型不同操作系统下使用的数据库。

（2）报类多，数据量大。数据库收集和建库的报类，按地域部门有国内报、国外报、军队报、地方报。按报类性质分有观测报、探测报、警报报、预报报、分析报、图像报、产品报等。

（3）实时性强。各类报都是通过通讯线路直接传输到计算机网络系统上的，这些报经加工处理后都存入数据库中，并根据需要实时的发送给用户使用。报的传输与加工处理都必须在规定时间内完成。要求数据库处理速度快，响应时间迅速，有很强的实时性。

（4）容错能力强。各类气象报在传输过程中难免发生错误，数据库系统应能识别这些错误并进行纠正。若不能及时纠正的也要做妥善处理，不能因某种报文错误造成停机或影响实时处理。

（5）可靠性高。实时气象数据库，一旦投入业务使用就要24小时连续运行，如果出现故障导致停机，就会影响数据的采集，破坏数据库中的数据，用户就无法使用数据库，整个业务系统就无法正常工作。因此，要求实时气象数据库要有很高的可靠性和可维护性。

（6）良好的服务功能。数据库除了收集信息、保存数据之外，还要为用户提供查询检索功能，用户与数据库接口处理功能。

以上可见数据库信息量大、用户多、实时性强，访问频繁。计算机等硬件设备必须满足运算速度快，磁盘容量大，可靠性高，输入、输出功能强的要求。

2．基本内容

数据库的内容，按业务范围来定，通常区域气象中心以上的业务部分大致包括以下内容（子库）。

（1）地面绘图报库；（2）高空绘图报库；（3）数值预报格点报库；（4）航危报库；（5）临近站地面、高空观测记录库；（6）雷达探测资料库；（7）卫星探测资料库；（8）图形图像产品库；（9）预报产品库。

3．数据模型

数据库是模拟天气预报中某个环节活动或某项工作的信息集合。这个集合包含了信息流的一部分或全部。这种模拟是通过数据模型来进行的，也是通过数据模型来组织数据库的。因此，数据模型是用来创建数据库，维护数据库的工具。目前数据模型大体可分为三类：

（1）网格数据模型；（2）层次数据模型；（3）关系数据模型。

网格数据模型是指按网格结构组织的数据模型；层人数据模型是指数据的基本结构是树型；关系数据模型是指用二维表来表示实体集合属性间关系及实体集合之间联系的数据模型。实时天气资料数据库中的各种气象信息概括起来可分为两大类，一类是外界通过网络传输进来的观探测气象数据和经加工处理的格点气象数据，另一类是业务系统内部加工处理产生的气象产品数据，这些气象数据相互之间有较强的独立性和明确的属性特征，通过这种独立性和属性特征来建立它们的实体集合及内部关系和相互联系。因此，用二维表完全可以表示气象数据库实体集合属性之间的关系及实体集合之间的联系。在国内外的气象数据库中，用关系数据模型较多。

4．数据结构

数据是用来描述现实世界中事物特征的。一个事物的特征是多方面的，所以一般说来，描述一个事物的“数据”应由多个数据元所组成，数据结构是指数据或数据元之间的相互关系和约束，有时也指按某种关系结合起来的所有数据的全体。一个好的数据组织结构不仅有利于存贮空间的充分利用，提高设备的利用率，更重要的是还能使数据处理有较好的性能和实用性。

资料库要利用数据库技术来组织数据，实际上就是要以数据库的观点来设计一个有效的数据结构，使得该结构能够：

（1）准确地反映它所描述的对象，即事物及其相互间存在的某种自然联系；

（2）条理清晰，便于存取；

（3）结构的次序不因存、删数据或数据元而改变；

（4）尽量以少量的存贮空间存放较多的数据。

数据结构从其内容来看，可分为逻辑结构和物理结构。

逻辑结构是指组成结构的各数据之间的相互逻辑关系，是理论上的东西反映在纸面上的。这种关系的表达称为数据模式，在逻辑结构设计中要说明数据元的格式、类型、取值范围和同其他数据的联系。

物理结构是指数据的逻辑在物理的存储器上的映象，是具体的存贮结构。在物理结构设计中要指定各数据元及其联系在存贮空间中如何存放，这一般要考虑到机器字的大小、指令的动作、计算机能加工的数据格式、操作系统提供的存取方法等。

5．管理系统

数据库管理系统是处理所有数据库存取和各种管理控制的软件。它是数据率系统的核心和枢纽。要研究设计一个好的数据库系统，必须有一个好的数据库管理系统。实时气象信息数据库的数据库管理系统有两种选择，一是自行设计专用数据库管理系统，二是使用商品化的数据库管理系统。自行设计数据库管理系统，从技术上讲要有较丰富的数据库理论知识和实践经验，同时对操作系统有较深的理解；从时间上讲要有几年时间才能够搞成较完善实用的数据库管理系统；因此，大都选用商品化的通用数据库管理系统。如ORA—CLE，DB₂，UNIFY，RDB，DBASE等。选择时的要点是：

（1）兼容性。与其它系统的数据库有较好的兼容性。

（2）可移植性。具有很宽范围的硬体和操作系统，应能共享不同计算机，不同操作系统，不同网络系统，不同数据库管理系统中的信息资源，进行统一的运算处理。

（3）分布式功能。可以通过以太网和异步通讯与多种机器连接，实现分布式处理。

（4）多功能性。用户无需编程即可高效地完成应用开发。

二、图形处理

天气分析预报业务的重要特征之一是使用大量图表来表示天气的各种现象。这些图形应包括对现象的静态与动态分析、局部分析的放大显示、空间结构分析等。但传统的天气图只是以二维分析表现天气现象三维结构的一种工具，只有计算机图形显示才能充分反映立体、动态、连续、多层次的状况。可以预料，数以万计的历史天气图，堆积如山的传真图将逐步由气象图形自动处理，显示系统来代替。而且，根据分析预报的需要，实时的和历史的天气图表，都可以处理成为立体的、动态的天气图形。1991年7月9日我国东部地区的850百帕水气分布三维图，从中形象地看到华东特大暴雨时水气的分布。1990年19号台风风场的立体图形。

这个图形是怎么做出来的呢？首先要把气象原始资料信息插到直角坐标的屏幕网格上，处理成作为图形的资料，作图才能实现。

在平面图上，某一点连续移动的轨迹构成一条曲线。在一个空间中，一条曲线绕着固定轴旋转构成一个曲面，这是众所周知的。计算机屏幕显示的图形也基于这一原理。它把一些基本点汇集在适当位置，由点的移动勾画出字母、数字和图形。每一种图形的网格都是由许多像素组成，当一个像素被激励时，屏幕上就产生一个可见光圆点，屏幕图形就是通过有选择的激励某些像素，形成所需要的图像。

三、自动填图和分析绘制天气图

自动填图和自动分析绘制天气图是通过计算机和绘图仪按照气象电报内容在天气图上自动填写各个台站的天气实况和分析绘制各种等值线。它改变了长期以来填、绘图用手工操作的方式，解放了气象人员的劳动力，提高了工作时效和图面质量，使预报人员能够集体更多精力监视天气的变化。因此，这些技术在业务工作的使用为天气预报业务自动化、客观化和预报服务工作的提高创造了良好的条件。

自动填图、绘图的设备通常包括微型计算机、智能绘图仪、通信接口。绘制简单的天气图也有直接使用计算机的打印机打印，不需配置昂贵的绘图仪。在专门设计的软件支持下，气象电报经过通信接口和信号处理进入微机，计算机对气象信息进行识别、选择、定位和译码，然后驱动填图仪或打印机在天气图上填写天气符号，天气图填好后计算机又对绘制等值线等的天气要素进行计算分析，再把分析结果通过绘图仪或打印机图形输出。

自动填图的软件系统，首先是对每张天气图进行选站。因为不同时次、不同种类的天气图图纸型号是不一样的，所以各类天气图上所包括的气象台站也不相同，对每张天气图都对应着需要填写的一批气象台站，这些气象台站的地区代号和台站代号以及它的天气图上的坐标位置都要预先约定好并在计算机中存贮起来。计算机把气象台报报文中气象台站号和本张天气图所需要的气象台站号进行对照比较，如果不是填写本张天气图所需的台站，就把该站的气象要素数据暂时存贮下来；如果是填写本张天气图所需要的台站，就控制绘图仪将绘图笔准确地移动到天气图底图该站所在的坐标位置上，然后控制绘图笔填写该站的气象要素数据或绘制这些数据所对应的特定天气称号。这种边接收气象电报边填图的工作方式称为实时填图工作方式。自动填图设备通常还可以把接收到的气象电报内容存贮起来暂不填图，待需要时再从计算机中调用这些内容进行填图，即所谓脱机填图。实时填图时，本张天气图上不需要的那些台站的数据也可以存贮起来，以备它用。此外，当计算机接收高速传输的气象要素数据时，实时填图的速度受到绘图仪工作速度的限制，也需要把来不及填图的内容暂时存贮下来。

2．自动分析绘制天气图

这种技术目前各级气象中心已普遍使用，一般绘制以下天气图：

（1）常规天气图。包括高空图的等高线、等温线、地面图的等压线、等变压线及天气区。

（2）剖面图。包括一般气象要素及计算的物理量的时间、空间剖面图。

（3）风场（矢量图）和流线图。

（4）雨量图、各种物理量图。

（5）各种数值预报产品格点资料的等值线。

（6）单站探空资料的有关分布曲线。

四、图像处理

在气象业务工作中，图像处理主要是指通过计算机用数字化的方法对卫星云图、雷达回波图等的图像进行深加工，使它们为天气预报提供更好的信息。其优点是：

（1）出图快。卫星云图发图后，通常15分钟即可接收、处理、打印完毕。比黑白云图照片快出图一小时。雷达回波图更快，一幅图一般5～8分钟处理、打印完毕，比回波照片快一个多小时。这一点对分析预报，特别是短时预报无疑是很有价值的。

（2）分辨率高。云图照片和雷达回波照片通常只能粗略地区分层次，彩色和数字图像则可分出8、16、32个层次，最多可达256层。

（3）可进行定量分析。数字化图像不但对亮度进行量化处理，而且便于定量分析计算，这一点比云图、回波照片有了突破性发展，这也是数字化图像的主要特点和优点。

（4）可进行连续分析。云图、回波图像储存在计算机内，可调出进行动画式的连续显示，提高了对天气演变分析能力。

（5）可进行三维分析。云图、回波数字化资料经过处理可得到天气的立体图型，对天气得到更具体直观的认识。

因此，近年来，对卫星、雷达数字化图像处理和分析应用，成为世界各国气象工作者研究的热点和气象业务部门现代化的重要内容。各国都在积极开发业务化的图像处理系统，著名的美国威斯康星大学的McIDAS（处理同步卫星图像和气象资料的人机对话资料存取系统）自1970年问世以来，现已发展到第四代，成为处理各种资料的通用系统。我国自1980年研制成功接收美国第三代业务极轨卫星数字化资料接收设备，1981年研制了卫星云图增强显示装置和微处理机假彩色密度分制仪，1983年引进美国的“人一机对话”系统后，卫星、雷达图像处理技术在国内发展很快，目前，省、军级以上气象部门大都有适合自己业务使用的图像处理系统。一些数字化资料如雷达回波数字化拼图等，已在广大台站使用。

1．图像数字化处理的基本原理

图像处理是用一定方法从原始图像中提取信息，有照像的、光学的、数字的方法。数字处理就是把测得的模拟信号通过计算机处理成数字信号，处理以后又把数字数据恢复为连续信号显示。处理步骤可概括如下：传感器发射的电磁波照射到大气水滴和地面景物后反射回来，或被动接受到的辐射能经过接收系统的光电效应形成原始图像，原始图像传送到计算机进行数字化处理，最后又恢复为连续图像并显示在屏幕上或打印在纸上。

数字图像处理是整个处理工作的最后一步。这一步包括两部分工作，第一部分是图像定量恢复以校正降质和去除噪音，图像配准以便进行重叠和嵌拼成图，图像特征的主观增强以便人们判释；第二部分是从图像中捉取信息，把图像分割成不同区划进行特征分析。

因此，数字图像处理需要建立一个系统，以满足进行图像处理、数据管理、运算分析以及分析者与系统之间对话等功能。其实图像分析经常是一种探索过程，因此，分析者应当包括在图像处理系统之中，他是一个能把图像中的信息同他处理数据的经验融合在一起的专家，通过人机对话解决人或机器都难以单独解决的图像分析问题。

2．数字化图像处理的基本内容

近年来，数字化图像处理内容日新月异，发展很快，最基本的包括：图像配准、图像增强、图像特征显示和分析计算等。

（1）图像配准

在许多图像的分析应用中，经常需要对于不同传感器在同一时间获得的同一天气的图像或者不同时间对同一传感器获得的图像进行比较分析，这就需要进行图像配准以产生一组空间对准的图像。做法大致有两种：一是相对配准，即选择多图像中一个图像作参数，其它图像以它为准进行配准；一是绝对配准，指定一个控制网格，所有图像都以此进行配准。

（2）图像增强

图像增强的目的是为了在图像信息提取和分析中给分析者提供更直观、更具体的图像。一般通过弄清楚图像中感兴趣部分的特征，或者利用适合人类视觉系统的图像显示来完成。

（3）图像特征显示

特征显示是根据天气分析的需要，采用动画、多图像显示、放大、开窗、模拟三维立体图像等计算机功能，突出天气的一些主要部分。

（4）数值分析、计算

为了对云图、回波图能够定量地分析计算，对第一次处理的图像经过进一步处理，可以得到常用的一些经过分析、计算的图形、图像。

五、自动分析图像

自动分析图像，是在人机对话的条件下，通过计算机对卫星、雷达等数字化图进行深加工，得到预报所需的分析工具和分析结果。

自动分析图像，主要包括对云图、风场、雷暴和降水量的分析。通过数字化处理，能够对这几种天气情形进行综合性分析，从而比较全面地看到它们在各方面的状况。