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1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1數(shù)值模式介紹

1.1.1MM5模式。MM5是美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)/國(guó)家大氣研究中心(PSU/NCAR)從20世紀(jì)80年代以來(lái)共同開(kāi)發(fā)的第5代區(qū)域中尺度數(shù)值模式。和第4代模式MM4相比,在模式動(dòng)力框架上最大的改進(jìn)之處在于引入了非靜力平衡效應(yīng),從而使得模式具備了描寫(xiě)較小空間尺度且發(fā)展強(qiáng)烈的天氣系統(tǒng)能力,對(duì)于局地?cái)_動(dòng)的生成和發(fā)展的描述能力超過(guò)MM4,并相應(yīng)減少了為簡(jiǎn)化處理而采用的約束條件。該模式是具有數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能和天氣過(guò)程機(jī)理研究功能的綜合系統(tǒng)。

1.1.2Graps模式。GRAPES(Global/RegionalAssmiilationandPrEdictionSystem)為全球/區(qū)域一體化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。中國(guó)氣象局于2000年開(kāi)始組織實(shí)施GRAPES研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃,旨在研究發(fā)展中國(guó)氣象局新一代數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。GRAPS研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃的內(nèi)容包括:①變分資料同化系統(tǒng),重點(diǎn)在于衛(wèi)星與雷達(dá)資料的同化應(yīng)用;②多尺度通用模式動(dòng)力框架及物理過(guò)程;③新一代全球/區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究建立;④模塊化、并行化的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)程序軟件的研發(fā)。

1.1.3WRF模式。WRF(TheWeatherResearchandForecas-ting)模式是下一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng),它可用于實(shí)況預(yù)報(bào)和大氣研究,它由多重動(dòng)力核心、一個(gè)三維數(shù)值同化系統(tǒng)和一個(gè)允許并行計(jì)算和系統(tǒng)擴(kuò)展的軟件架構(gòu)組成。WRF可應(yīng)用于從幾米到幾千公里范圍的尺度上。

1.2JEE和JEE框架技術(shù)介紹JEE(JavaEnterpriseEdi-tion)是一種企業(yè)級(jí)應(yīng)用的軟件架構(gòu),因?yàn)楫?dāng)今的信息系統(tǒng)需要整合多項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)、跨平臺(tái)訪問(wèn)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)庫(kù)、處理來(lái)自Internet的大量請(qǐng)求,并要及時(shí)做出響應(yīng)等,這些復(fù)雜的應(yīng)用需求需要一種技術(shù)體系來(lái)支撐,SUN公司開(kāi)發(fā)的JEE就是這樣一種技術(shù)體系。JEE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以下的企業(yè)級(jí)應(yīng)用需求:①并發(fā)支持;②事務(wù)支持;③交互支持;④集群支持;⑤安全支持;⑥Web支持;⑦分布式支持;⑧XML支持。JEE框架技術(shù)是為了更好的實(shí)現(xiàn)JEE多層系統(tǒng)架構(gòu)而出現(xiàn)的中間件技術(shù),通過(guò)應(yīng)用JEE框架技術(shù),可以迅速開(kāi)發(fā)出符合JEE技術(shù)規(guī)范的企業(yè)級(jí)應(yīng)用系統(tǒng),并使得應(yīng)用系統(tǒng)的維護(hù)更加方便和簡(jiǎn)易。JEE系統(tǒng)架構(gòu)中的各個(gè)層次都有許多框架產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn),但是框架技術(shù)的應(yīng)用不是單一使用某一個(gè)框架產(chǎn)品,而是把各個(gè)層次的框架產(chǎn)品組合起來(lái)應(yīng)用,如目前用得比較多的SSH框架組合,是由表現(xiàn)層的Struts[1]、業(yè)務(wù)邏輯層的Spring[2]以及數(shù)據(jù)層的Hibernate[3]組合起來(lái)的。

1.3系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程降水預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用JEE框架技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多層次、跨平臺(tái)和分布式的系統(tǒng)邏輯架構(gòu),通過(guò)調(diào)用各種數(shù)值模式的預(yù)報(bào)產(chǎn)品,并經(jīng)過(guò)一系列后處理過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)廣西農(nóng)業(yè)種植區(qū)的降水預(yù)報(bào),系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如所示。系統(tǒng)業(yè)務(wù)執(zhí)行流程為。①氣象信息數(shù)據(jù)庫(kù)存放著各類(lèi)氣象觀測(cè)資料和各種模式所需的輸入數(shù)據(jù),數(shù)值產(chǎn)品庫(kù)存放著各種數(shù)值模式的輸出產(chǎn)品。②數(shù)據(jù)存取模塊是JEE架構(gòu)的數(shù)據(jù)層,它負(fù)責(zé)與所有數(shù)據(jù)庫(kù)的通信,以對(duì)象關(guān)系映射(O/RMapping)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取操作。③數(shù)值模式服務(wù)器集群運(yùn)行著上述提到的3種數(shù)值模式,它通過(guò)數(shù)據(jù)存取模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信,從氣象信息數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取輸入數(shù)據(jù),最終把模式輸出產(chǎn)品存放到數(shù)值產(chǎn)品庫(kù)中。④數(shù)值產(chǎn)品后處理模塊從數(shù)據(jù)存取模塊中獲取數(shù)值產(chǎn)品庫(kù)的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)一系列圖形和數(shù)據(jù)處理后形成一定格式的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。⑤系統(tǒng)主控模塊接受這些預(yù)報(bào)產(chǎn)品,根據(jù)指定的業(yè)務(wù)邏輯把預(yù)報(bào)產(chǎn)品傳輸給基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)層。⑥基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)層是各類(lèi)應(yīng)用服務(wù)的承載,它把預(yù)報(bào)產(chǎn)品處理成各類(lèi)應(yīng)用服務(wù)可接收的輸入數(shù)據(jù)。⑦氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)接收基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)層預(yù)報(bào)產(chǎn)品的輸入,作為天氣分析的參考資料。⑧互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供數(shù)值預(yù)報(bào)的互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù),電信增值業(yè)務(wù)服務(wù)提供無(wú)線通信服務(wù)。⑨用戶可以通過(guò)手機(jī)或電腦來(lái)獲取最終的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,這些預(yù)報(bào)產(chǎn)品以直觀的界面展現(xiàn)給用戶。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1SSH輕量級(jí)框架組合實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的系統(tǒng)架構(gòu)()SSH框架組合是JEE輕量級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)[4]的一種典型的組合方式,該框架組合極大地提高了系統(tǒng)的性能和靈活性[5],下面分別介紹數(shù)據(jù)層框架Hibernate和業(yè)務(wù)邏輯層框架Spring的優(yōu)勢(shì)和所起的作用,至于表現(xiàn)層框架Struts,可以參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

2.1.1數(shù)據(jù)層框架Hibernate的應(yīng)用。系統(tǒng)所用到的數(shù)據(jù)庫(kù)都是數(shù)據(jù)量龐大并且要頻繁對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫(xiě),如果應(yīng)用傳統(tǒng)的JDBC以全程編碼的方式來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)勢(shì)必加重系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),并且會(huì)降低系統(tǒng)的處理能力和響應(yīng)速度,所以必須應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)持久化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的高效讀寫(xiě)。Hibernate通過(guò)O/RMapping的數(shù)據(jù)庫(kù)持久化技術(shù),實(shí)現(xiàn)了從瞬時(shí)操作到數(shù)據(jù)持久操作的過(guò)渡,大大簡(jiǎn)化了JDBC繁瑣的數(shù)據(jù)操作過(guò)程,同時(shí),對(duì)于綜合數(shù)據(jù)庫(kù)連接池的優(yōu)化也大大提高了性能的開(kāi)銷(xiāo)。

2.1.2業(yè)務(wù)邏輯層Spring框架的應(yīng)用。系統(tǒng)業(yè)務(wù)層要對(duì)外提供各種應(yīng)用服務(wù),這些服務(wù)形式差別很大,有的是互聯(lián)網(wǎng)方式、有的是WAP方式、有些是GIS方式,但是各類(lèi)服務(wù)的基礎(chǔ)服務(wù)是相似的,為了實(shí)現(xiàn)代碼的復(fù)用和靈活擴(kuò)展,并且在服務(wù)方式改變時(shí)只需修改需要變動(dòng)的模塊,這就需要一種稱(chēng)之為面向切面編程(AOP)的方式以實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)的植入操作。Spring框架的主要優(yōu)點(diǎn)在于面向切面的編程,它的AOP實(shí)現(xiàn)方式是從系統(tǒng)分離出方面(Aspect),方面可以看作是一種獨(dú)立的業(yè)務(wù)操作或模塊,它獨(dú)立于業(yè)務(wù)邏輯層的實(shí)現(xiàn),可以在程序執(zhí)行時(shí)織入到程序中運(yùn)行。通過(guò)這種方式,任何方式的服務(wù)或應(yīng)用都可以得到輕松的創(chuàng)建和擴(kuò)展。

2.2數(shù)值模式資料獲取和執(zhí)行流程數(shù)值模式的資料獲取和執(zhí)行流程中各模塊初始配置和參數(shù)化對(duì)于最終的數(shù)值模擬結(jié)果至關(guān)重要[7],執(zhí)行流程中各模塊環(huán)環(huán)相扣、關(guān)系緊密,因而在對(duì)每個(gè)模塊的初始化和參數(shù)配置上必須要考慮與相鄰模塊之間的配合以及整體上的配合。如所示,數(shù)值模式執(zhí)行流程由以下各模塊組成:①模式區(qū)域設(shè)置[6];②初始條件和側(cè)邊界條件;③模式所模擬的地形和下墊面;④模式嵌套;⑤物理過(guò)程參數(shù)化;⑥三維數(shù)值同化。

2.2.1模式區(qū)域設(shè)置。把廣西各種植區(qū)按一定的原則劃分出幾個(gè)區(qū)域,劃分的原則主要根據(jù)地形、氣候特點(diǎn)、農(nóng)作物類(lèi)別等,系統(tǒng)對(duì)所劃分出的每個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行數(shù)值模擬,最后以區(qū)域?yàn)閱挝粊?lái)輸出數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。在更為精細(xì)化的條件下,每個(gè)大的區(qū)域還可以劃分為若干個(gè)小的區(qū)域,甚至于再往下細(xì)分。區(qū)域劃分主要根據(jù)模式的精細(xì)度、具體的服務(wù)需求和系統(tǒng)的承載能力。

2.2.2初始條件和側(cè)邊界條件。大尺度資料為由美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和國(guó)家大氣研究中心(NCAR)提供的再分析數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)集包括較早前推出的月平均再分析資料和日平均再分析資料,以及近幾年正式對(duì)外逐6h再分析資料集NNRP1和NNRP2。以這些資料作為各數(shù)值模式運(yùn)行的初始環(huán)境場(chǎng)和側(cè)邊界條件。

2.2.3模式地形和下墊面。模式使用NCEP提供的最精細(xì)的全球30s地形資料及全球30sUSGS下墊面分類(lèi)資料。

2.2.4模式嵌套。根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求和模擬精度可選不使用嵌套、使用一重嵌套、二重嵌套和三重嵌套。一般而言,使用嵌套可以提高數(shù)值輸出產(chǎn)品的準(zhǔn)確度,但是又受制于系統(tǒng)的承載能力,這就需要綜合考慮各種因素以確定如何使用嵌套。

2.2.5物理過(guò)程參數(shù)化方案的選擇。物理過(guò)程參數(shù)化方案對(duì)于數(shù)值模式的模擬效果起著關(guān)鍵性的作用,大氣中的各種物理過(guò)程直接影響著大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和成云致雨過(guò)程?；镜奈锢磉^(guò)程類(lèi)別有:微物理過(guò)程、長(zhǎng)波輻射、短波輻射、行星邊界層參數(shù)、積云參數(shù)、近地面層參數(shù)和陸面過(guò)程參數(shù),每種物理過(guò)程都對(duì)應(yīng)多種參數(shù)化方案,這就需要系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的天氣條件設(shè)置不同的參數(shù)化方案[8],并且根據(jù)模擬結(jié)果來(lái)調(diào)整特定條件下的參數(shù)化方案。

2.2.6三維數(shù)值同化。三維數(shù)值同化的觀測(cè)資料來(lái)源于全廣西所有氣象觀測(cè)站和自動(dòng)氣象觀測(cè)站的實(shí)況資料,筆者根據(jù)所模擬的區(qū)域?qū)@些觀測(cè)資料進(jìn)行選取和插值,再輸入到各模式的數(shù)值同化模塊中執(zhí)行運(yùn)算。

3結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用JEE技術(shù)建立起的農(nóng)業(yè)種植區(qū)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)值預(yù)報(bào)從設(shè)計(jì)、運(yùn)行到應(yīng)用服務(wù)的一體化管理,提高了數(shù)值預(yù)報(bào)的應(yīng)用能力和服務(wù)水平。系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)在于數(shù)值模式的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方案的選擇[9],這需要在實(shí)踐過(guò)程中不斷總結(jié)并探索出最佳的運(yùn)行方案,以提高數(shù)值模式對(duì)真實(shí)大氣的模擬能力。