刘 寅，周红根，乔 贺，徐 进，张道远

(1.中国气象局交通气象重点开放实验室，南京 210009；2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；3.中国气象局大气探测重点开放实验室，成都 610225；4.江苏省气象探测中心，南京 210009)

0 引言

近地层通量观测分为3类项目：必须观测项目、由国务院气象主管机构指定观测项目和由省级气象主管机构指定观测项目。其中，必须观测项目包括多层空气温度和湿度、多层风向与风速、降水、气压、多层地温、净辐射、光合有效辐射、地表热通量、红外地温、单层或多层三维脉动风速与风向、单层或多层水汽与二氧化碳和脉动浓度；由国务院气象主管机构指定观测项目包括多层三维脉动风速和风向、多层水汽与二氧化碳浓度、下垫面植被状况、下垫面土壤水分、向上与向下总辐射、向上与向下长波辐射、海洋浪高、海水温度和盐度；由省级气象主管机构指定观测项目包括详细下垫面状况和根据服务需要增加的观测项目[3，4]。

近地层通量观测仪器由3类仪器组成：必备仪器、由国务院气象主管机构指定观测仪器和由省级气象主管机构指定的仪器。其中，必备仪器包括三维超声风温仪、红外H2O/CO2分析仪、空气温度湿度传感器、风速传感器，风向传感器、四分量辐射传感器、光合有效辐射传感器、气压传感器和红外地表温度传感器；由国务院气象主管机构指定观测仪器包括铂电阻地温传感器、土壤水分传感器和土壤热通量传感器、下垫面植被状况观测仪器、土壤水分传感器、海洋浪高传感器、海水温度和盐度传感器；由省级气象主管机构指定的仪器包括根据服务需要增加的观测仪器[5，6]。

中国气象局在2007年12月印发了《近地层通量观测业务规范(试行)》(气发[2007]484号)，该规范主要为国家气候观象台近地层通量观测系统建设和业务运行提供标准，对通量观测场地、观测人员、仪器布局、仪器安装维护、数据管理和仪器标定等方面做了规定，同时规定了部分初级产品算法，并增加了必要的相关知识介绍，为通量系统建设人员和观测人员提供了统一的参考标准[7，8]。近年，江苏省陆续在南京、苏州、无锡、常州、泰州和淮安等地建成了11套近地层通量观测系统，并且有若干地市局正在规划建设当地的近地层通量观测系统，但目前仍然是各市局负责各自当地的近地层通量观测，数据管理比较松散，数据质量和数据价值亟需挖掘，扁平化信息流程有待完善。因此，基于中国气象局的规范，应尽快建立全省统一的近地层通量观测综合业务系统。该业务系统应覆盖数据采集、运行状态监控、数据质量控制、数据分析显示和仪器巡检维修等功能，从而为气候与气候变化分析、数值天气预报、气象信息、气象服务和生态研究等提供重要的技术支撑。

1 功能设计

1.1 系统架构

系统包括网络中心站和客户端软件：网络中心站是通量观测数据的集中处理和展示中心，可依托于气象内网以网站形式实时运行；客户端软件不依赖于网络，分别安装在每个站点的独立计算机上，主要处理单机上的事务，体积小，运行效率高。根据通量观测数据的采集特点和项目要求，系统分为5层，依次为接口层、数据层、监控层、通讯层、业务层(图1)。系统的数据传输流程如图2所示。

图2 数据传输流程

1.2 数据采集(子站客户端)

各个通量观测站点的客户端负责实时数据采集，通过计算机与数据采集系统进行通信，各个台站推送原始数据到中心站，中心站将接收到的数据经质量检查和标准报文格式转换存放到统一的数据文件中。

采集软件由厂家提供，内置于采集器中，主要功能包括：1)接受和响应业务软件对参数的设置和系统时钟的调整(时钟也可在采集器上直接调整，但必须保证采集器和计算机时钟一致)；2)实时和定时采集各传感器的输出信号，经计算、处理形成气象要素值；3)存储、显示和传输各气象要素值；4)运行状态监控；5)支持采集器的数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能；6)易于安装、设置、操作，可通过各通讯接口、GPRS、电台等通讯方式对数据进行实时查看和短时间实时数据曲线趋势查看，也可指定时间间隔、数据条数进行人工/自动下载数据。

数据存储与传输方面的要求：1)从设备采集的数据以两种方式存储，一种是文件形式，保存在本地目录，可以根据用户的配置生成多份数据文件；另一种是数据库形式，按设定的时间间隔定时将本地目录下的数据文件远程入库。2)数据文件包括每日备份数据文件、入库文件和报文。3)系统具有FTP上传功能，FTP上传频率可配置。FTP上传成功或失败都应有日志记录，并提供FTP日志查询功能。4)可配置数据入库方式，通过直接从各个观测站入库或将入库文件以FTP方式上传至中心站，由中心站软件入库。网络中断时保存在本地，网络连通时继续上传。5)系统可以生成规定格式的报文，报文通过FTP方式上传。6)能够根据采集计算机的世界时或北京时自动设定数据文件和报文的时间。7)文件格式参考规范《通量观测系统数据文件格式》。

配置管理与监控方面的要求：1)监控与中心站的通信状态，当通信异常时能够在界面上以图标形式给予提示；2)提供站点信息与系统参数的配置，包括：站号、站名、文件生成目录(备份目录、日志目录、报文生成目录、入库数据上传目录等信息)、中心站IP地址、数据库信息、观测站的经纬度、海拔信息。

1.3 统计方法 采用SPSS 13.0统计软件分析，所有结果以（）表示，采用单因素方差分析（oneway ANOVA）检验其差异性。P＜0.05为差异有统计学意义。

1.3 运行状态监控

江苏省近地层通量观测综合业务系统对各个地市传输至平台的数据通过状态方式实行实时不间断监控，提前预知可能存在的故障风险，对已出现的异常情况进行预警报警；状态数据可视化，可做统计、导出、归档，保证数据持续、稳定、安全运行。

运行状态监控主要包括以下方面功能：1)通信状态监控：实时监测各个观测站点的通信状态；2)数据到报监控：实时监测传输的数据是否按时到达中心平台，对数据的到达状态实时监控，不同实测通过不同颜色标记数据是否到达；3)数据阈值监控：实时监控各个观测站上传的数据；4)仪器运行监控：实时监控各个观测站仪器运行情况；5)监控日志记录：对监控到的异常情况能够以日志形式记录，并提供监控日志查询功能。若监控过程中出现通信状态异常、数据未到达、数据超出阈值或仪器异常等情况，能够通过短信、声音、弹窗通知等方式告知值班人员。

1.4 数据质量控制

数据质量控制是通过对实时采集的观测数据进行质量检查，按设定的规则对异常数据进行判断。

数据质量控制功能主要包含以下几方面功能：1)要求系统提供完善的数据质量控制体系，具有数据自动校准、自动订正的计算模型；2)系统能够在后台自动定时地将各站观测数据按设定的校准公式对原始数据进行校准；3)系统自动校准后能够对未自动订正的数据自动完成各个要素不同时间段缺测值和负值的自动筛选，并对筛选数据作标识；4)对自动订正后的数据(原始数据不需要修改)可以进行进一步的人工订正，在订正时以曲线图和数据列表的形式展示数据，方便用户观察到异常数据，用户直接在数据列表或图表上对异常数据进行标识，数据人工订正自动更新至数据库；5)在订正人员订正数据并提交之后，由审核人员进行进一步审核，以曲线图和数据列表的形式展示数据，审核人员可直接在图表上看到订正人员的订正记录，当审核人员发现订正结果不准确时可直接修改订正人员的订正结果并提交，也可将不准确的订正记录退回给订正人员重新订正；6)当数据质量控制过程结束后，可将该时间段内的数据重新进行统计，系统会重新计算该时间段内的小时、日、月均值，以及历史极值；7)设立动态限值库，标注每个要素、每月的最高限值，为管理人员提供限值修改界面，有默认的初始值，当管理人员修改阈值后，历史数据需要重新筛选并进行预警；8)根据动态限值库的限值和异常值判定公式，对各个要素的监测值进行自动筛选，并作标识(标识颜色)；9)每日在后台定时生成质控信息文件并自动保存，可以供用户随时调阅查看数据修改前后的记录；10)提供开放接口，在系统开发过程中可以随时根据最新要求和专家意见加入新的质量控制方法；11)质控数据查询下载，按观测要素、时间段查询各站观测数据和质控后的数据，即将数据库的数据以Excel形式导出。

1.5 数据分析显示

该模块主要包含以下几个方面：1)空间分布。以GIS地图显示站点最新数据，观测要素的颜色标示可配置；展示观测要素列表，能够直接选择观测要素查看该要素各站观测数据；提供图层选择，包括行政区域、数据、站名等图层；当站点数据未及时上传时以特殊颜色标示该站；地图上的数据可展示各站最新数据，也可选择某一时刻的各站数据进行展示。2)站点信息。显示各个站点基本信息，包括站名、经纬度、站点仪器型号列表、仪器序列号和各仪器的运行状态信息。3)站点现场采集照片。展示各站点采集的图片，图片可手动录入或删减。4)视频链接地址。各观测站有视频链接地址，可查看站点周边的环境，在浏览器中打开视频链接，将自动播放视频内容。5)数据显示。页面自动定时刷新以保持显示最新的实时数据。6)值班信息展示。展示各个站点每日的值班情况。7)图表展示。能够将各站推送过来的数据生成曲线图、直方图等，显示要素、坐标轴名称、曲线所属坐标轴以及实时显示时间段；当观测值超出设定阈值时文本框显示红色。8)历史数据对比。能够以时间段、站点、仪器型号、要素等条件查询子站选定观测要素的历史曲线变化，在同一个图表中能够根据多种要素进行对比；提供单站点多要素对比和多站点单要素对比，对比结果以图片格式下载。9)异常告警。系统需要具有自身故障诊断和报警提醒功能，当平台监测到有站点通信异常、数据或报文未及时上传、数据异常时在业务管理系统上有异常通知；一般提示性的信息通过弹出信息窗口，以文字和声音提醒；对于重要信息，则通过手机短信方式报警，平台软件可以提取值班员表中的手机号码并对相应号码发送短信。

1.6 仪器巡检维修

现场值守人员负责对现场仪器运行状态进行监视、管理和维护，通过对系统运行日志的分析可以提前发现并排除可能发生的潜在故障。维护期内提供技术人员进行现场监控服务，了解设备状态，跟踪设备以及设备管理的实施情况和改进方向，有效地进行设备管理工作。观测仪器管理主要包括仪器巡检、仪器故障上报和仪器维修等。

仪器巡检是对仪器进行定期巡检，检查仪器及仪器运转状态是否正常，可分为3方面：1)月度巡检。每月对各系统及仪器进行安全系统检查并对检查过程中发现的故障及安全隐患进行上报处理。2)季度巡检。每季度由维护团队对所有仪器进行安全评估和风险分析，提交安全状况评估报告，分析存在的安全隐患情况并提出整改方案和建议。3)年度检查。每年由维护团队组织相关的专家(含硬件和软件)对所有仪器进行安全检查，并对下一年可能存在的问题进行风险预测，对每个仪器的状态出具使用报告。

仪器故障上报是指仪器巡检人员选件之后录入相关的巡检结果，包含巡检人、检查情况、巡检的设备、设备是否出现故障、检查仪器的故障原因和现场照片等信息。如果在设备检查中发现问题，巡检人员在上报巡检结果的同时，可以通知维修人员及时维修。报告单录入后能够在管理系统上通知中心查看。该系统能够按照日期、设备型号以及故障状态查询设备故障历史报告单的完整信息，包括报告单基本信息、仪器故障信息、中心站处理意见和故障解决方法。

仪器维修是指检修人员根据上报的情况进行维修检查，若仪器没有异常情况则通知巡检人员，同时上报检修记录；若设备有异常情况，则进行仪器维修，待维修人员维修设备后，再将相关情况录入维修单。

1.7 管理后台

章节1.1～1.6阐述的是该系统中最重要的业务核心模块，其他配置类和辅助类的功能则统一归置于管理后台模块。管理后台主要面向省级和市级管理员，虽然和普通用户的交互较少，但是对于用户体验而言至关重要。

管理后台主要分为以下几个方面：1)站点信息。配置站点的基本信息包括站点的站名、经纬度、海拔，查看观测仪器(仪器名称、观测仪器名、观测要素)。2)观测仪器。对仪器基础数据进行维护(仪器型号、仪器名称、观测要素、所在站点、厂商、仪器状态)。3)值班信息。提供添加与管理功能，针对台站管理人员，按国家局规定的要求添加值班项目，提供值班记录信息录入功能，录入信息包括：站点、开始结束时间、运行状态、维修维护、天气现象和值班员。4)人工订正审核。由基础的订正员发起数据订正审批操作，由后台管理人员审核，审核通过的订正才能修改数据，并进行重新计算。5)异常消息通知。当系统监测到有站点通信异常、数据或报文未及时上传、数据异常时在管理系统上显示异常通知。6)仪器故障维修通知。当中心站用户接收到各个观测站的仪器故障报告时能够在管理系统中填写处理意见，中心站用户填写处理意见后以弹窗方式告知值班人员。7)报文制作。由于各个厂家通量观测数据的格式不一致，前期需要根据各个通量观测站点的实际观测资料格式分别制作子站客户端，在本地进行原始资料处理并生成规定格式的报文，然后通过气象局内网以FTP方式推送至省探测中心的中心站。中心站需要具有报文解析功能，可以将各子站推送来的报文统一入库。8)知识库。存储通量观测方面名词解释和某些诊断量的计算公式，包括知识采集、知识存储、下载预览和知识获取等功能。9)远程管理。可查看各站运行参数信息，包括各个观测站的采集频率、上传频率以及采集软件的采集、上传运行状态，能控制各个观测站软件的采集和上传运行。能远程校准各个观测站计算机和设备的时钟等。10)系统日志。包括日志记录和日志查询等功能。11)其他配置。包括要素配置、界限值配置和各站设备自定义方式配置等功能。12)系统管理。包括用户管理和角色管理等功能。

2 系统实现

该系统的研制完全按照软件工程的方法和过程实施，研制过程主要包括需求分析、概要设计、详细设计与编码调试、测试与系统集成、全系统联调、业务试运行和验收等多个阶段，遵循稳定性、安全性、可维护性、易操作性、可扩展性、开放性和先进性等设计原则，开发了基于Vue框架语言的用户界面，叠加了GIS地理信息技术，采用了基于Echarts的图表展现和基于Spring Boot的后台业务架构，并构建了基于Mysql的关系型数据存储和基于RabbitMQ的消息队列服务。

该系统的主界面采取主流的大数据风格，简洁明了，在实际的业务大屏上显示效果很好。该系统目前已经投入业务应用，运行流畅稳定。

为了兼顾业务大屏的显示效果和实际操作的便利性，该系统的管理后台采取简洁的黑白系设计。通过点击管理后台菜单，可以直接切换到管理后台；当处于管理后台时，可以通过点击顶端的返回按钮直接切换到主页界面。在实际使用过程中，一线业务人员反馈模块切换流畅，简单操作。

3 结束语

文章针对江苏省已有的近地层通量观测系统存在的问题，以及未来建设近地层通量观测新系统的需要，基于中国气象局的规范，建立了一套包含数据采集、运行状态监控、数据质量控制、数据分析显示以及仪器巡检维修等功能的近地层通量观测综合业务系统，该系统达到了“十三五”气象事业发展规划中“加强垂直探测能力，提高信息化水平”的要求，并为气候与气候变化分析、数值天气预报、气象信息、气象服务和生态研究等提供了重要的技术支撑。

下一步工作是该系统的推广应用，同时需要根据一线业务人员的使用反馈持续优化改进该系统，以实现业务流程的有效覆盖，形成统筹、集约、高效的管理体系。