引言

我国是世界上受气象灾害影响最严重的国家之一，且气象灾害种类多，包括台风、暴雨、大风、冰雹、寒潮、暴雪、大雾等，气象灾害造成的人员伤亡和直接经济损失占我国自然灾害的70%以上(章国材，2006)。因此，加强极端异常灾害事件成因机理研究，对增强我国防灾减灾能力具有重要的理论意义与应用价值(张庆云等，2008)，其中灾害性天气个例分析是研究极端异常灾害事件成因机理的重要环节，国内已建成了一些针对灾害性天气个例的系统平台，如基于WEB网页形式建立的常州市灾害性天气查询系统(董芹等，2009)、基于GIS技术建立的广东灾害性天气历史个例库系统(黄成南等，2013)、基于WEBGIS技术建立的灾害性天气个例库智能分析系统(焦圣明等，2017)等。这些系统均针对本地历史个例进行整理与归档，多独立于常规气象业务系统，其后台数据大多以图片形式保存，系统的可移植性和灵活性较差。为了解决这一问题，并给工作一线的预报员提供实时天气预报与历史个例应用一体化业务平台，河北省气象台基于MICAPS3.2系统，自主研发了灾害性天气个例库与预报训练系统，实现了历史灾害性天气个例的检索与训练等功能(孙卓等，2017)。随着灾害性天气预报预警业务需求不断精细化，实时预报业务系统由MICAPS3升级到MICAPS4后，其业务资料种类更多、时空分辨率更高，实时资料的存储共享方式也有了根本性改变，原先基于MICAPS3.2的灾害性天气个例库与预报训练系统，已无法满足灾害性天气个例分析更加精细化的需求。基于此，河北省气象台研发团队重新自主设计开发出基于MICAPS4的灾害性天气个例检索与训练系统(以下简称个例库系统)，该系统不仅集成了MICAPS4更先进的技术解决方案和更高级的功能设计，且进行了功能升级与改造；另外，MICAPS4客户端的设计架构、二次开发方式以及服务器端的数据保存与提取方式，相比MICAPS3.2也有了根本性改变。该系统围绕灾害性天气个例构建的检索、分析、训练及个例收集管理等一系列功能，一定程度上可为灾害性、高影响天气深入研究与应用提供更便捷的操作及更完整的基础资料，其整体架构及设计思路更切合实时预报业务场景。由于MICAPS4系统已成为全国气象预报业务中不可或缺的操作平台，其数据资料也是预报员在实时天气预报、科研、学习中广泛应用的数据资料。因此，个例库系统也明显提高了其可操作性和可移植性。本文从系统的架构设计、基本功能、推广应用等方面对该系统进行了介绍。

1 个例库系统的架构设计

个例库系统设计的核心思路是模拟实时预报场景，使预报员能更便捷地研究分析历史灾害性天气个例。具体而言，系统数据层，设计建立了历史灾害性天气个例数据库与资料存储共享服务器，以MICAPS4分布式存储为数据源，整理并保存了历史个例的基本信息以及个例相关的数据资料，形成了历史个例及其资料统一的存储引用标准，提供了个例检索与资料应用的数据环境；系统基础层，设计为MICAPS4客户端系统和服务器端系统，通过客户端的二次开发框架与接口和服务器端的查询服务子系统进行系统集成；系统应用层，作为预报员的操作终端，设计并研发了灾害性天气个例检索、灾害性天气个例训练、灾害性天气个例管理3个功能模块。其系统架构见图 1。

下文将针对灾害性天气个例数据库的设计思路、个例库系统与MICAPS4客户端系统的集成方式以及基于MICAPS4服务器端的资料提取方式作具体说明。

1.1 灾害性天气个例数据库的设计

灾害性天气个例数据库，将灾害性天气个例按照灾害类型分类，根据各类灾害性天气的不同特点(郭善云等，2012；陈雷等，2015；汪小康等，2019；)设置不同的描述字段，包括发生时间、影响区域、影响系统、强度等，使预报员能便捷地检索、分析历史个例。

灾害性天气个例数据库可支持两类个例数据组织方式，一种是以24 h (08—08时，北京时)为单位保存个例，这种方式符合预报员逐24 h制作天气预报的业务需求。数据库中以个例的开始时间作为主键，个例入库以及资料存储结构标准、规范，便于历史个例客观化入库标准的建立和个例相关资料的应用，但个例库中保存的个例可能会存在冗余与重复。另一种是以天气过程为单位保存个例，这种方式灾害性天气个例存储的集约化程度高，但个例数据库结构和资料存储方式的复杂度也会较高，需要将个例数据库设计成两个表，一个表用来保存灾害性天气过程的描述信息，另一个表用来保存过程中逐日的描述信息，两个表使用过程编号作为主键进行关联。

由于省、市级灾害性天气个例影响范围较小、持续时间相对较短，所以省、市级灾害性天气个例数据库以24 h为单位保存灾害性天气个例。国家级气象部门或区域预报中心关注的灾害性天气个例持续时间长、影响范围大，且存在多个天气过程同时出现的情况，所以天气个例以过程为单位保存。

1.2 个例库系统与MICAPS4客户端系统的集成方式

MICAPS4客户端对多数据源实现无缝链接支持，支持各类气象资料高效、高质量图形化展示(高嵩等，2017)，基于“框架即服务”的思想，提供了稳定的二次开发框架与便捷的二次开发接口，支持开发人员在MICAPS4客户端框架的基础上进行应用开发(曹莉等，2018；韩丰和沃伟峰，2018；贺雅楠等, 2018a, 2018b)。

为了使个例库系统集成MICAPS4先进的功能设计，提高系统应用推广能力，个例库系统以模块化开发方式集成到MICAPS4客户端系统，参照其设计规则，研发了灾害性天气个例检索、灾害性天气个例训练与灾害性天气个例管理3个高级功能工具模块。系统模块文件夹放置在MICAPS4安装目录的Modules文件夹下。模块程序集及相应的配置文件放置于模块文件夹下。其中，模块名称与其上一级文件夹名称保持一致(图 2)；同时，在模块配置文件中添加模块加载语句，将模块加载到MICAPS4系统客户端中。

1.3 个例库系统基于MICAPS4服务器端系统的资料提取方式

MICAPS4服务器端系统实现了全部气象实时数据由文件到数据库、由集中式系统到分布式系统的迁移，显示出更高的稳定性和优越的读写性能，同时其资料种类更丰富(王若曈等，2015；2018)。因此，将个例库系统与MICAPS4服务器端系统进行集成，从服务器端提取个例相关的数据资料，能更好地保证资料的一致性和完整性，满足预报员对历史个例多样化科研和应用的需求，同时提高了系统的可移植性，便于系统推广应用，其提取的数据资料包括如下两类：

(1) 个例相关MICAPS资料的提取。MICAPS4服务器端系统将数据资料进行了标准化，包括资料命名标准化、资料格式标准化、存储结构标准化、查询检索方式标准化。个例库系统通过MICAPS4服务器端的查询服务器子系统，提取个例相关资料保存在资料存储共享服务器中。

(2) 灾害性天气个例客观化描述信息的提取。MICAPS4服务器端系统的实况资料由CIMISS获取，同时其选用的Cassandra是一个基于键-值的分布式数据库，利用统一的查询服务器子系统可快速获取个例相关实况资料(王若曈等，2018)。个例库系统从MICAPS4服务器端系统提取个例的客观化描述信息(包括暴雨站数、极值等)，保存在灾害性天气个例数据库中。

2 个例库系统基本功能的实现

个例库系统包含3个功能模块，即灾害性天气个例检索模块、灾害性天气个例训练模块、灾害性天气个例管理模块。分别对这3个模块的基本功能介绍如下：

2.1 灾害性天气个例检索模块功能

灾害性天气个例检索模块的设计思路是使预报员快速检索相关的灾害性天气个例，调阅个例相关的MICAPS资料以及过程总结、学术论文等学习资料，进行灾害性天气个例的研究与分析，其灾害性天气个例检索及分析界面见图 3。

2.1.1 基本功能

(1) 条件检索。将灾害性天气个例按照灾害类型分类，设计不同的检索条件，帮助预报员快速检索相关的天气个例。检索系统可以组合选取多个检索条件，检索得到相似个例，也可按照类别检索灾害性天气个例，如低涡系统影响的个例、所有发生在6月份的个例等。检索结果在个例列表中展示，个例列表可按照升序或降序自由排序。

(2) 个例相关资料调阅。调阅选中历史个例的相关资料，其中包括MICAPS资料、过程总结、会商PPT以及相关文献等。通过定义综合图的方式调阅个例相关的MICAPS资料，一方面符合预报员的使用习惯，另一方面方便对资料调阅进行扩展。系统中保存个例开始时间前3 d到后2 d的MICAPS资料。由于MICAPS4客户端默认打开资料目录中最后一个资料，这样对于资料的使用并不便捷。因此，设计了资料搜索算法，获取临近个例日期08时的实况资料(yymmdd08.000)以及临近个例日期前一天20时12 h时效的模式资料(yymmdd20.012)，从而方便个例相关MICAPS资料的查看。资料搜索算法为

$\min _{\text {fileList} } \{\text { Double (filename)-Double (casedate-period) }\}$

其中：fileList为文件列表；filename为文件列表中的文件名；casedate为个例的开始时间；period为资料的时效。

(3) 资料交互分析。集成MICAPS4客户端的图层控制、图层设置、交互分析等工具，以及其他高级功能模块。个例库系统可以调用这些工具，提高系统的性能。其中，时间轴工具可以帮助预报员快速检索个例相关的资料。打开个例的MICAPS资料，点击时间轴工具，时间轴工具会根据主界面中MICAPS资料的时间信息自动定位，从而快速翻阅各个时间段的历史资料，也可以使用个例库中保存的资料制作动画。

2.2 灾害性天气个例训练模块功能

历史灾害性天气个例一个重要的应用场景是帮助预报员建立预报思路，训练预报员制作准确、及时的天气预报。另外，帮助预报员在天气预报职业技能竞赛中进行历史个例天气预报的训练与学习。基于此，个例库系统设计了灾害性天气个例训练模块。该模块对个例的MICAPS资料进行了预处理，将资料的时间用虚拟时间替换，在此基础上实现了训练个例的选择、资料调阅、答题、自动评分等功能，其灾害性天气个例训练与自动评分界面见图 4。

2.2.1 个例训练资料的预处理

为了使用历史个例对预报员进行训练，需要对个例训练资料进行预处理，具体做法是将个例资料的文件名以及文件内容中对于真实时间的描述信息用虚拟时间替代，从而适应盲训要求。

2.2.2 基本功能

(1) 个例选择及资料调阅。将经过预处理的个例资料保存在以个例发生时间命名的文件夹中，系统在个例列表中将个例发生的真实时间隐去。模拟实时天气预报业务场景，以综合图的方式调阅个例相关的MICAPS资料，自由翻看前后时次、上下层次的资料，进行交互分析。

(2) 答题及自动评分。参考全国气象行业天气预报技能竞赛中历史个例天气预报的考试方式，在答题界面中可以进行精细化要素预报、灾害性天气预报以及强对流临近预报，同时参考竞赛的评分方式进行自动评分。其中，考试站点可以根据需要进行配置。

(3) 答案查看。系统可支持两种方式查看答案，一种为列表形式，将个例的答案以表格形式展示；另一种方式为图形展示，将个例的答案包装成数据文件，在MICAPS4主界面中进行展示。另外，可以查看个例发生的真实日期，在灾害性天气个例检索模块中对个例作进一步学习和研究。

2.3 灾害性天气个例管理模块功能

灾害性天气个例检索模块以及训练模块围绕历史灾害性天气个例的研究与应用，实现了丰富的功能。为了提高系统的可扩展性，收集与管理历史个例及相关资料，设计了灾害性天气个例管理模块，实现了检索个例、添加个例、资料拷贝、编辑个例、删除个例等功能，其收集与编辑界面见图 5。

2.3.1 基本功能

(1) 检索个例。检索MICAPS4个例库中保存的个例，确定要添加的个例是否包含在系统中。如果个例尚未保存在系统中，进行个例的添加操作。

(2) 收集个例。确定个例的日期，将个例的客观化描述信息以及相关资料自动整理入库，保存在灾害性天气个例数据库中。个例的收集有2种方式，可以由预报员在日常业务中人工完成；也可以制定一套客观化的入库标准，由程序自动完成，个例入库后，再由预报员统一进行审核以及人工标定。

(3) 编辑个例。预报员根据个例相关资料进行研判，标定个例的影响区域、影响系统等信息。另外，预报员发现系统中保存的个例有错误或不符合入库标准，也可对个例进行删除。

3 个例库系统的建设与推广应用

根据京津冀地区频发的灾害性天气类型，河北省个例库系统将个例分为9类，保存个例总计1379个。其中，暴雨个例179个，雷暴大风个例79个，冰雹个例148个，暴雪个例55个，大雾个例387个，高温个例136个，大风个例91个，寒潮个例86个，霾个例218个。保存个例相关资料约10T，其中包括高空、地面、物理量、卫星、ECMWF、ECMWF细网格等MICAPS资料，以及过程总结、相关文献等学习资料。

目前，河北省个例库系统根据预报员长时间的业务实践经验总结，制定了一套客观化的个例收集标准，具体见表 1。

个例库系统除在河北省、市气象台及相关业务单位应用之外，也推广到了北京市气象台、天津市气象台、河南省气象台、中国气象局干部培训学院河北分院。该系统较好地满足了预报员对于灾害性天气个例及历史资料多场景的研究和应用需求，并帮助预报员更便捷地分析、对比、总结、研究历史天气个例。在灾害性天气预报预警业务、科研(柴东红等，2017；申莉莉等，2018)、客观预报方法与模型的建立(赵中军等，2012)以及预报员培养等方面得到广泛应用，具有良好的可移植性和应用推广价值。该系统基于MICAPS开发，并随着MICAPS版本的更新不断进行功能优化与完善，使系统应用切合实时预报场景。

个例库系统建设除了满足历史个例及资料的使用需求以外，还具有如下意义：

(1) 历史灾害性天气个例及其资料的积累与传承。目前，气象观测资料与数值预报资料的时空分辨率显著提高，数据总量爆发式增长。个例库系统从海量的气象资料中筛选与历史灾害性天气个例相关的数据资料进行存储与共享，一方面保存了历史气象资料中最具有研究价值的资料，另一方面可以明显减轻历史资料巨大的存储压力。

(2) 拓展MICAPS系统功能。MICAPS系统的建设目标主要是面向实时预报业务，在历史个例及历史资料使用方面的功能设计相对较少。个例库系统集成MICAPS系统开发，同时也拓展了MICAPS系统的功能，使其满足了预报员对于历史个例与历史资料的应用需求。

4 未来发展展望

本文介绍了个例库系统的设计思路、基本功能、应用场景及意义。系统与MICAPS4客户端和服务器端进行集成，针对历史灾害性天气个例及历史数据的应用与研究，设计了检索、分析、训练与收集管理等功能，可应用于预报预警业务、科研、预报员培养等方面。该系统切合实时预报场景，具有良好的可移植性与应用推广价值；同时，解决了历史灾害性天气个例及资料的积累与保存问题，拓展了MICAPS系统在历史个例及资料使用方面的功能。

未来，个例库系统将随着MICAPS版本的更新进行升级改造，使其功能不断优化，也使历史个例的研究与学习更切合实时预报场景，并建立一个实时天气预报与历史个例应用一体化的业务平台；另外，个例库系统中保存的历史灾害性天气个例及其资料具有很高的应用研究价值，这些资料既可应用于相似个例的提取、基于深度学习技术等人工智能方法的客观预报模型建立等方面，还可将客观智能方法集成到个例库系统中，将其打造成智慧型系统，为灾害性天气预报预警提供支撑。