农业种植区数值体系分析

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1系统设计

1.1数值模式介绍

1.1.1MM5模式。MM5是美国宾夕法尼亚州立大学/国家大气研究中心(PSU/NCAR)从20世纪80年代以来共同开发的第5代区域中尺度数值模式。和第4代模式MM4相比,在模式动力框架上最大的改进之处在于引入了非静力平衡效应,从而使得模式具备了描写较小空间尺度且发展强烈的天气系统能力,对于局地扰动的生成和发展的描述能力超过MM4,并相应减少了为简化处理而采用的约束条件。该模式是具有数值天气预报业务系统功能和天气过程机理研究功能的综合系统。

1.1.2Graps模式。GRAPES(Global/RegionalAssmiilationandPrEdictionSystem)为全球/区域一体化数值预报系统。中国气象局于2000年开始组织实施GRAPES研究开发计划,旨在研究发展中国气象局新一代数值预报系统。GRAPS研究开发计划的内容包括:①变分资料同化系统,重点在于卫星与雷达资料的同化应用;②多尺度通用模式动力框架及物理过程;③新一代全球/区域数值天气预报系统研究建立;④模块化、并行化的数值预报系统程序软件的研发。

1.1.3WRF模式。WRF(TheWeatherResearchandForecas-ting)模式是下一代中尺度数值天气预报系统,它可用于实况预报和大气研究,它由多重动力核心、一个三维数值同化系统和一个允许并行计算和系统扩展的软件架构组成。WRF可应用于从几米到几千公里范围的尺度上。

1.2JEE和JEE框架技术介绍JEE(JavaEnterpriseEdi-tion)是一种企业级应用的软件架构,因为当今的信息系统需要整合多项应用技术、跨平台访问不同类型的数据库、处理来自Internet的大量请求,并要及时做出响应等,这些复杂的应用需求需要一种技术体系来支撑,SUN公司开发的JEE就是这样一种技术体系。JEE技术实现了以下的企业级应用需求:①并发支持;②事务支持;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框架技术是为了更好的实现JEE多层系统架构而出现的中间件技术,通过应用JEE框架技术,可以迅速开发出符合JEE技术规范的企业级应用系统,并使得应用系统的维护更加方便和简易。JEE系统架构中的各个层次都有许多框架产品来实现,但是框架技术的应用不是单一使用某一个框架产品,而是把各个层次的框架产品组合起来应用,如目前用得比较多的SSH框架组合,是由表现层的Struts[1]、业务逻辑层的Spring[2]以及数据层的Hibernate[3]组合起来的。

1.3系统逻辑结构和业务流程降水预报系统应用JEE框架技术实现了多层次、跨平台和分布式的系统逻辑架构,通过调用各种数值模式的预报产品,并经过一系列后处理过程来实现对广西农业种植区的降水预报,系统的逻辑结构如所示。系统业务执行流程为。①气象信息数据库存放着各类气象观测资料和各种模式所需的输入数据,数值产品库存放着各种数值模式的输出产品。②数据存取模块是JEE架构的数据层,它负责与所有数据库的通信,以对象关系映射(O/RMapping)的方式实现对数据的存取操作。③数值模式服务器集群运行着上述提到的3种数值模式,它通过数据存取模块与数据库进行通信,从气象信息数据库中获取输入数据,最终把模式输出产品存放到数值产品库中。④数值产品后处理模块从数据存取模块中获取数值产品库的数据,经过一系列图形和数据处理后形成一定格式的预报产品。⑤系统主控模块接受这些预报产品,根据指定的业务逻辑把预报产品传输给基础应用服务层。⑥基础应用服务层是各类应用服务的承载,它把预报产品处理成各类应用服务可接收的输入数据。⑦气象预报业务系统接收基础应用服务层预报产品的输入,作为天气分析的参考资料。⑧互联网服务提供数值预报的互联网信息服务,电信增值业务服务提供无线通信服务。⑨用户可以通过手机或电脑来获取最终的数值预报产品,这些预报产品以直观的界面展现给用户。

2系统实现

2.1SSH轻量级框架组合实现优异的系统架构()SSH框架组合是JEE轻量级系统架构[4]的一种典型的组合方式,该框架组合极大地提高了系统的性能和灵活性[5],下面分别介绍数据层框架Hibernate和业务逻辑层框架Spring的优势和所起的作用,至于表现层框架Struts,可以参见参考文献[1]。

2.1.1数据层框架Hibernate的应用。系统所用到的数据库都是数据量庞大并且要频繁对数据库进行读写,如果应用传统的JDBC以全程编码的方式来访问数据库势必加重系统的负担,并且会降低系统的处理能力和响应速度,所以必须应用先进的数据持久化技术来实现对数据库的高效读写。Hibernate通过O/RMapping的数据库持久化技术,实现了从瞬时操作到数据持久操作的过渡,大大简化了JDBC繁琐的数据操作过程,同时,对于综合数据库连接池的优化也大大提高了性能的开销。

2.1.2业务逻辑层Spring框架的应用。系统业务层要对外提供各种应用服务,这些服务形式差别很大,有的是互联网方式、有的是WAP方式、有些是GIS方式,但是各类服务的基础服务是相似的,为了实现代码的复用和灵活扩展,并且在服务方式改变时只需修改需要变动的模块,这就需要一种称之为面向切面编程(AOP)的方式以实现具体业务的植入操作。Spring框架的主要优点在于面向切面的编程,它的AOP实现方式是从系统分离出方面(Aspect),方面可以看作是一种独立的业务操作或模块,它独立于业务逻辑层的实现,可以在程序执行时织入到程序中运行。通过这种方式,任何方式的服务或应用都可以得到轻松的创建和扩展。

2.2数值模式资料获取和执行流程数值模式的资料获取和执行流程中各模块初始配置和参数化对于最终的数值模拟结果至关重要[7],执行流程中各模块环环相扣、关系紧密,因而在对每个模块的初始化和参数配置上必须要考虑与相邻模块之间的配合以及整体上的配合。如所示,数值模式执行流程由以下各模块组成:①模式区域设置[6];②初始条件和侧边界条件;③模式所模拟的地形和下垫面;④模式嵌套;⑤物理过程参数化;⑥三维数值同化。

2.2.1模式区域设置。把广西各种植区按一定的原则划分出几个区域,划分的原则主要根据地形、气候特点、农作物类别等,系统对所划分出的每个区域分别进行数值模拟,最后以区域为单位来输出数值预报产品。在更为精细化的条件下,每个大的区域还可以划分为若干个小的区域,甚至于再往下细分。区域划分主要根据模式的精细度、具体的服务需求和系统的承载能力。

2.2.2初始条件和侧边界条件。大尺度资料为由美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)提供的再分析数据集。这些数据集包括较早前推出的月平均再分析资料和日平均再分析资料,以及近几年正式对外逐6h再分析资料集NNRP1和NNRP2。以这些资料作为各数值模式运行的初始环境场和侧边界条件。

2.2.3模式地形和下垫面。模式使用NCEP提供的最精细的全球30s地形资料及全球30sUSGS下垫面分类资料。

2.2.4模式嵌套。根据具体的业务需求和模拟精度可选不使用嵌套、使用一重嵌套、二重嵌套和三重嵌套。一般而言,使用嵌套可以提高数值输出产品的准确度,但是又受制于系统的承载能力,这就需要综合考虑各种因素以确定如何使用嵌套。

2.2.5物理过程参数化方案的选择。物理过程参数化方案对于数值模式的模拟效果起着关键性的作用,大气中的各种物理过程直接影响着大气的运动状态和成云致雨过程。基本的物理过程类别有:微物理过程、长波辐射、短波辐射、行星边界层参数、积云参数、近地面层参数和陆面过程参数,每种物理过程都对应多种参数化方案,这就需要系统能够根据不同的天气条件设置不同的参数化方案[8],并且根据模拟结果来调整特定条件下的参数化方案。

2.2.6三维数值同化。三维数值同化的观测资料来源于全广西所有气象观测站和自动气象观测站的实况资料,笔者根据所模拟的区域对这些观测资料进行选取和插值,再输入到各模式的数值同化模块中执行运算。

3结语

应用JEE技术建立起的农业种植区数值预报系统实现了数值预报从设计、运行到应用服务的一体化管理,提高了数值预报的应用能力和服务水平。系统关键点在于数值模式的设计和运行方案的选择[9],这需要在实践过程中不断总结并探索出最佳的运行方案,以提高数值模式对真实大气的模拟能力。