随着社会经济的高速发展，台风、海洋气象预报服务的需求与日俱增，对预报服务的精细化需求也越来越高^[1-3]。由于海洋气象预报的特殊性，可供其使用的常规观测数据相对较少，因此，对于模式预报产品、卫星数据的依赖程度较高，需要对该类数据进行深层次应用。与此同时，现代化气象预报业务对海洋气象预报提出了更高的要求，传统的海区预报将被精细化海洋气象要素预报所取代，需要预报业务平台提供精细化网格预报制作能力。除此之外，随着台风预报水平及台风预报业务的不断发展，对于客观预报产品的应用、预报服务产品制作也提出了更高要求，需要预报平台提供高效、精准的数据支撑。

目前，国家级和省级气象部门均发展了多种业务平台以支撑日常的台风、海洋气象预报服务业务，以国家级预报业务为例，国家气象中心分别开发了基于人机交互气象信息处理和天气预报制作系统MICAPS3.1(Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System Version 3.1)的台风预报业务平台、基于MICAPS3.2的海洋气象预报业务平台、基于ArcGIS的海洋气象格点分析和产品制作平台等^[4-6]。随着台风、海洋气象预报业务的需求及气象观测和预报类数据的时空分辨率的不断提升^[7-10]，台风、海洋气象预报业务分散在多个平台中的状况需要功能提升，对精细化智能网格预报及服务提出更高要求，同时台风及海洋气象预报服务流程中需要互相结合，亟需开发能将台风及海洋气象预报业务整合在一起，面向台风和海洋气象业务的数据采集、转换、预报、分析、产品制作、发布等功能为一体的业务平台，满足对海洋气象观测数据与高分辨率数据的高效显示、精细化智能网格预报制作的台风及海洋气象一体化预报平台。

MICAPS4^[11]已作为我国气象预报业务中的基础平台，在兼容传统MICAPS平台客户端功能的基础上，利用大数据技术与面向服务的架构设计及高效渲染引擎，满足了现代化预报业务对海量气象数据的高效显示和分析的要求^[12-16]。与此同时，MI-CAPS4提供了较为灵活的可扩展应用框架和二次开发接口，便于针对特定资料显示和功能模块进行深度定制开发^[17-19]。同时为了最大化地复用原有预报业务平台中的功能模块与算法，台风及海洋气象一体化预报平台以MICAPS4为基础框架，结合台风、海洋气象新型观测数据以及台风、海洋气象预报业务流程需求，开发面向台风及海洋气象预报的专业版本。

台风及海洋气象一体化预报平台主要是针对台风和海洋气象业务的预报预警服务的专业平台，集台风、海洋气象数据显示、常规台风、海洋气象预报及服务产品制作以及精细化智能网格预报制作和产品发布等功能为一体的业务应用系统，并将通过不断发展逐步满足台风、海洋气象预报需求。

台风及海洋气象一体化预报平台采用面向服务(service-oriented architecture，SOA)和多层的体系结构，这种框架结构属于开放式、松耦合的服务结构，按照台风、海洋气象的相关标准或协议进行分层开发，使系统更加灵活，易于重用，以达到快速扩展满足平台应用中的多样化、多变性的需求。该平台由数据层、应用组件层、业务服务层组成，层与层之间为松耦合的方式。图 1为台风及海洋气象一体化预报平台总体框架。

图1

图1 台风及海洋气象一体化预报平台总体框架 Fig.1 The framework of Typhoon and Marine Meteorological Integrated Operational System

底层为数据层，该层与多源异构数据源结合，对上层应用透明，使系统能快速扩展不同的数据来源，为整个平台提供更多的数据接入，并降低上层应用的设计复杂度。该层包含数据库、文件系统及数据预处理和采集程序，主要包括对台风实时库(包括根据台风报文动态生成的台风数据等)、海洋产品库(为平台加工制作产品，包括通过要素合成算法进行预处理形成的有效波高、海雾(能见度)、天气现象、风等分析产品，近海、远海预报分析产品等)、气象信息库(从CIMISS(China Integrated Meteorological Information Sharing System，全国综合气象信息共享系统)分布式数据环境直接获取数据，包括海洋气象观测、高空、地面等实况数据、模式产品、卫星雷达数据等)、MICAPS4产品(通过从CIMISS获取数据加工成MICAPS4格式的产品)等共享数据进行管理和维护，收集和转换处理台风、海洋气象数据，并接入对台风、海洋气象模式产品进行精细化加工的预处理程序，达到为应用组件层和业务服务层提供数据服务的目的。

应用组件层是平台的中间层，处于数据层与业务服务层之间，负责数据交换和接口的逻辑实现，将分散、异构的应用和信息资源进行聚合，通过统一的访问入口，实现资源和应用的无缝接入与集成，包含基础组件和功能组件。其中，基础组件是MICA-PS4内核框架中的组件，包括图形引擎、基础管理、插件管理、服务管理、GIS(Geographical Information System，地理信息系统)组件等底层服务；功能组件是台风及海洋气象一体化预报平台基于MICAPS4核心框架进行扩展和改进的部分，包括数据解析、数据分析、交互工具、产品制作、产品发布等基础功能，通过接口服务(渲染样式、数据绑定、模型数据、用户界面、交互接口、产品制作、产品发布、配置管理、数据库访问等)为业务服务层提供应用支持。

业务服务层面向用户接口展示、用户请求接受以及数据返回，涵盖业务所有功能，用于显示和接收数据，提供交互式操作的界面。包括台风及海洋气象数据检索及显示、精细化格点编辑、路径制作、产品制作、产品发布等应用，通过交互操作实现台风、海洋气象业务预报功能。

为了使台风及海洋气象一体化预报平台兼顾后续的系统维护与升级，采用动态可配置设计原则，建立完善的系统配置参数支持结构扩充，同时运用数据管理、可视化、分布式计算等信息技术，使系统具有快速高效、安全可靠的特性，保障预报业务的稳定运行。

台风及海洋气象一体化预报平台加强对台风实况路径数据、海洋气象观测数据、模式产品、常规观测数据的应用和分析，在应用服务器端对台风、海洋气象数据进行转换处理，分别存储到台风实时库、海洋产品库，通过预处理，形成台风及海洋气象中间产品，供客户端使用。在客户端，利用服务器端处理的数据，结合台风、海洋气象预报流程，实现台风及海洋气象数据显示、常规台风及海洋气象预报和服务产品制作、精细化智能网格预报制作及产品发布等功能。

台风实时数据的收集与解释程序使用Perl语言开发，部署于LINUX服务器。该程序将全球各预报中心(中国、日本、美国、英国等)发布的各时次有关台风的综合预报报文、客观预报报文等拼接为完整的台风数据文件。可快速实现不同报文的质量控制，通过解释转换，提取出与台风位置、强度等要素相对应的数字信息与描述信息，将数据写入数据库。

海洋气象数据包括沿岸及海岛自动站、船舶自动站、浮标自动站等观测数据、模式产品、卫星及雷达数据等，采用多数据源方式收集和管理，支持数据库、CIMISS数据及本地气象数据的采集接入，实现数据多源获取，集成分析数据结果，并对数据进行相应的转换分别管理。

后台预处理程序依托现有高分辨率海洋气象数值模式产品，对所需气象预报要素(有效波高、海雾(能见度)、天气现象、风)进行区域截取、时空降尺度、算法合成以及数据格式转换处理，生成精细化格点编辑所需的精细化格点预报要素背景场。

台风路径检索需要根据预报中心、台风编号、时间(年)以及类别(序号、国际编号、国内编号)查询并显示完整的台风路径实况信息，还需要支持多预报中心的台风叠加显示，因此，需要对台风信息进行结构设计以支持灵活的检索需求。平台使用轻量级关系型数据库MySQL储存实时路径信息，便于数据维护与快速检索。

台风实况路径由各个时次的台风实况点信息组成，每个台风实况点信息包含台风位置、强度(风速及气压)、风圈半径等。为了使台风路径显示体现出更多信息，对路径中台风符号设置不同的颜色与形状，直观地表现出台风强度等级，同时对不同预报中心预报路径也以不同颜色、不同形式表现。

该平台可显示任意预报中心的台风路径，将每个实况点的台风信息及相应的预报路径展现，并可将MICAPS4格式的观测数据与预报格点数据及卫星数据进行叠加显示，以利于台风定位。

提供台风实况定位和预报的交互工具及路径预报制作与修改工具，根据台风移动速度和移动方向确定未来指定预报时效的台风位置。在台风预报制作中，自动提供路径预报；提供便捷修改工具，可计算距离并显示移向、移速；可实现对台风路径增、删、改等操作。在台风路径预报制作中，集成成熟的客观预报方法，如集合订正法、短时临近预报方法等^[20]，为初始预报位置提供参考依据，有助于提高预报员的工作效率。

该平台提供海洋气象实况观测数据、模式产品、卫星数据等检索显示，其中海洋气象实况数据包括全球船舶和浮标气象要素、全球海洋气象深水温度、盐度、沿海自动站观测等，提供海洋气象实况观测数据按时间检索(利用时间轴)的显示，对其中包含要素比较多的数据如船舶浮标观测提供要素筛选功能，可进行六要素、九要素过滤显示或不过滤显示，同时还提供海洋气象观测数据的分布式数据库检索显示。

该平台支持高分辨率模式产品显示，提供多种样式的格点数据表现形式。利用MICAPS4基础框架、渲染引擎和统一内存组织方式，根据海洋气象数据的表现形式和业务需求，对海洋气象数据作进一步应用，可进行海洋气象要素的颜色自动分级、调色板快速切换，支持各种海洋气象数据叠加显示，支持格点数据自动抽稀，采用并行化处理等技术提高显示效率。

该平台支持从MICAPS4数据环境检索Himawari-8气象卫星资料，该数据网络传输时间较长，因此，采用内存缓存技术提高该类数据的加载效率。

图 2为海洋气象船舶数据显示示例，该平台可提供多种海洋气象观测资料的监测显示。

图2

图2 2017年6月18日18：00(世界时，下同)船舶浮标要素实况 Fig.2 Ship buoy elements at 1800 UTC 18 Jun 2017

格点编辑订正工具是海洋气象精细化预报业务中的重要工具，支持预报员对初始格点预报产品进行编辑订正。

针对海洋气象预报业务中的天气现象、能见度、风、有效波高等要素提供了单点编辑、区域编辑、全场编辑等多种编辑订正功能，实现对格点场中选定区域或整场进行渐变、过滤、科学计算、调整、插值、平移等操作，并实现对订正结果进行关联要素一致性检验。格点编辑订正工具如图 3所示。

图3

图3 台风及海洋气象格点编辑工具 Fig.3 Typhoon and marine grid edit tools

台风及海洋气象一体化预报平台可制作台风报文、台风快讯、台风短信、台风传真图、台风路径概率预报图、大风预报图、降水预报图等台风预报服务产品。其中，台风报文类产品还包括定位报、起编报、登陆报、停编报、卫星指导报等。平台还可根据模板自动生成台风预警信息，并提供交互编辑修改功能。此外，采用图形和文字相结合的方式，根据当前台风生成的数量动态生成相对应的传真图表现形式以完成台风传真图制作。图 4以2016年9月26日06：00台风鲇鱼(1617)为例展示台风预报服务产品制作工具。

图4

图4 台风预报服务产品制作工具 Fig.4 Typhoon forecast service product making tools

海洋气象预报服务产品包括常规预报服务产品和精细化智能网格预报产品。台风及海洋气象预报一体化平台自动生成的文字和图形预报服务产品可直接供网站使用，生成的精细化智能网格预报中间产品可供海洋气象服务再加工使用。海洋气象预报服务产品模块可根据不同的图形类型提供相应的制作工具，方便用户快捷生成包括北太平洋海平面形势分析及预报图、北太平洋500 hPa形势分析及预报图等产品。除此之外，平台可加工制作包括近海、远海海区的海雾、海浪、大风等要素在内的精细化网格预报产品，最终生成海上分析预报产品。

图 5展示了北太平洋海平面形势分析预报制作界面，该图形化产品可直接通过网站发布。

图5

图5 2016年10月10日00:00北太平洋海平面形势分析图 Fig.5 Analysis chart of sea level situation in the North Pacific at 0000 UTC 10 Oct 2016

台风及海洋气象预报一体化平台提供从精细化网格产品到常规文字、图片产品的一体化的制作工具。平台可将格点编辑订正后的海洋气象网格预报产品自动加工成文字和图形化的预报服务产品，通过网站发布供特定用户使用。图 6展示了海洋气象预报预警产品的制作工具。

图6

图6 海洋气象预报产品制作工具 Fig.6 Production tools for marine meteorological forecasting products

产品发布是将常规海洋气象预报服务产品、精细化智能网格预报产品、台风预报服务产品以用户指定的方式发布，同时提供各种产品的发布状态反馈。

台风及海洋气象预报一体化平台构建的台风数据库是中央气象台台风预报制作的存储核心，通过对GTS(Global Telecommunication System，全球气象通信系统)接收到的各预报中心制作的台风预报报文的解析、格式转换等入库预处理，实现了美国、日本、英国等多个预报中心台风路径预报信息的集中存储。

数据库需要为客户端平台生成完整的台风路径并进行可视化显示，可根据台风编号以及预报中心识别相应的台风路径。在数据库的表结构设计中，充分考虑了台风预报业务需求，形成台风从生成、编号直到结束全过程的数据记录，兼顾全球各预报中心台风信息应用。台风数据记录每个实况点的信息，包括台风名称、编号、预报中心、位置、强度、预报路径等信息，对台风预报业务构成完整的数据支撑。数据入库预处理为台风预报制作过程中所需的相似路径识别、时间识别提供应用支持。

台风路径概率预报图是台风路径预报中最常见的一种表现形式，由台风预报路径不同预报时效70%概率圆组成，表征台风中心在该预报时效内有70%可能性出现在概率圆内，不同预报时效概率圆半径大小由中央气象台近几年相应预报时效台风路径预报平均误差统计获得^[21-22]。台风概率预报图是对台风路径单一线条预报方式的补充，能更好表达台风路径预报的不确定性。

台风路径概率预报图制作功能，在设计原则上强调减少用户操作、提高效率，以满足业务的时效性和实用性要求。在预报路径的概率区域边界曲线制作上采用公切线算法，求得台风概率圆控制点，形成初始曲线，并进行过滤拐角特征点、剔除不合理点等处理，采用贝赛尔平滑算法形成最终曲线。在自动处理基础上，为预报员提供概率预报线人工交互修改功能，对修正结果自动进行平滑处理。此外，对概率预报图标注采用参数可配置化设置，增加位置的记忆能力，使前后预报时刻的制图风格保持一致性。

海洋气象智能网格预报业务流程是预报员在数值预报格点场数据生成海洋气象要素(天气现象、能见度、风向风速、有效波高等)背景场基础上结合主观预报经验，通过台风及海洋气象一体化预报平台对背景场格点预报产品进行格点编辑订正，最终将其应用于海洋气象精细化预报业务。格点编辑工具提供了丰富的功能，实现数值预报产品到预报产品的转化，可降低工作强度、提升业务效率。

精细化格点订正具有处理数据量巨大、运算量大的特点，在为预报员提供丰富、快捷、顺畅的格点数据编辑订正功能的基础上，实现指定要素在相关区域上进行渐变、过滤、科学计算、调整、插值、平移等操作，利用平台提供的要素关联一致性检验等一系列功能完成格点编辑。该操作流程对平台在有限计算资源下的运行效率提出了极高的要求，为此，在平台组件设计上，首先充分发挥MICAPS4基础框架提供的计算资源管理优势和内存模型管理机制的优势，采取切片处理及并行化处理，以提高格点编辑订正效率；其次，利用MICAPS4基础框架中的高效渲染引擎，实现格点数据的点、等值线、区域填色、栅格填色等方式显示，为预报员提供丰富的可视化效果和灵活、快捷的交互功能；最后通过建立海洋气象关联要素一致性规则，对订正后数据进行关联要素一致性检验，避免出现关联要素可能出现预报不一致的现象。

海洋气象预报服务产品包括常规海洋气象预报服务产品和精细化智能网格预报产品，涵盖了北太平洋监测分析及预报产品，还包括近海、远海海区预报产品以及责任海区的海洋气象预报预警产品，产品具有多种类、多表现形式的特点。平台采用参数化配置和模板管理定制产品，依照业务流程完成海洋气象产品的定制，可通过交互操作一键启动，完成海洋气象预报服务产品的加工制作。

北太平洋分析预报产品可通过专门定制模块进行参数化配置，以多种格式制作，生成产品可直接在业务中应用。

精细化智能网格海洋气象预报产品需要风向风力、天气现象、能见度、有效波高等多种要素集成处理，预报时效长，覆盖范围广，涵盖了我国近海18个、远海21个、沿岸34个共计73个责任海区，因此，精细化智能网格预报产品加工制作须面对巨大的运算压力。为提升海洋气象预报产品制作效率，通过采用多线程、并行运算等技术，充分挖掘现有运算资源潜力；在软件设计上采用多时效处理、多区域转换、多要素生成同时制作，在算法上进一步优化海区预报产品生成技术。上述优化设计使精细化智能网格预报产品加工制作速度大大提升，以海区预报产品制作为例，在普通个人计算机上产品生成时间从原来使用粗网格数据需耗时超过10 min，提高到目前使用细网格数据耗时不超过2 min。

台风及海洋气象一体化预报平台于2016年6月完成主体框架和主要功能，在中央气象台台风及海洋气象预报业务中进行部署应用。本着边开发、边应用的基本理念，持续跟踪业务需求变化，不断更新完善平台的功能，使台风、海洋气象预警预报及服务业务的工作效率大大提高。

在台风预报预警方面，台风路径报文、传真图、台风路径概率预报图、降水预报图、大风预报图、台风快讯等预报服务产品通过GTS、网站、FTP(file transfer protocol，文件传输协议)等方式供用户使用。2017年7月台风频发，且多台风共存、路径复杂情况下，台风及海洋气象一体化预报平台以其快速、高效的优势，在台风预报、预警服务中发挥重要作用。图 7为台风路径概率预报图示例。

图7

图7 2016年9月25日06:00台风鲇鱼(1617)路径概率预报图 Fig.7 Probabilistic forecast chart of Typhoon Megi at 0600 UTC 25 Sep 2016

在海洋气象预报预警方面，台风及海洋气象一体化预报平台可生成海上大风和海雾、海浪等预报预警服务产品。通过对多种海洋气象观测数据进行整理，监测海洋气象实况数据变化；提供北太平洋预警预报产品的快速制作工具；通过精细化格点订正工具，集成要素分析及合成算法，生成海洋气象预报预警产品分发使用。目前产品已通过GTS、网站、FTP等方式提供特定用户使用。

台风及海洋气象一体化预报平台目前已具备中央气象台对台风、海洋气象业务初始需要的功能，并作为中央气象台的台风、海洋气象预报预警业务的主要平台投入业务使用。该平台具有以下特点：

1) 采用面向服务架构(SOA)和多层的体系结构，遵循先进的设计理念，使平台具备高效、安全、稳定、易扩展、易维护等特性。

2) 台风、海洋气象业务有共通部分，也有各自不同的业务流程，平台分别与台风、海洋气象业务流程有效结合，可快速制作预报服务产品。

3) 台风路径的检索和海洋气象资料的检索方便快捷，提供多种灵活多样的显示方式。台风、海洋气象预报服务产品丰富，能够基本满足台风预报预警及海洋气象常规服务需求。

4) 格点编辑订正在海洋气象精细化业务中加以利用，协助预报员对模式预报进行偏差订正。基于格点编辑的海洋气象智能网格预报产品制作，集成成熟的客观分析技术，采用多线程、分区、并行等技术，加快海区预报产品生成处理速度。

台风及海洋气象一体化预报平台目前针对中央气象台的台风、海洋气象业务研制开发，在未来的业务发展中，需要结合各沿海城市的需求，将台风、海洋气象预警、台风路径预报方法、风雨预报、海洋气象精细化客观预报方法等更好地融合到平台中；同时加强台风、海洋气象数据的环境建设，扩展基于CIMISS环境的采集能力，扩展数据接入种类和数据量，提供数据本地转存策略及规范，便于数据维护及管理；搭建台风集合预报数据库、历史数据库，提供台风集合预报路径的查询检索，实现台风历史数据的检索显示，实现台风路径的误差统计分析，同时将海上大风精细化主观预报产品检验评估结合到平台中，为提高台风预报预警性能提供分析工具。