農(nóng)業(yè)種植區(qū)數(shù)值體系分析

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1系統(tǒng)設(shè)計

1.1數(shù)值模式介紹

1.1.1MM5模式。MM5是美國賓夕法尼亞州立大學/國家大氣研究中心(PSU/NCAR)從20世紀80年代以來共同開發(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,在模式動力框架上最大的改進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較小空間尺度且發(fā)展強烈的天氣系統(tǒng)能力,對于局地擾動的生成和發(fā)展的描述能力超過MM4,并相應(yīng)減少了為簡化處理而采用的約束條件。該模式是具有數(shù)值天氣預報業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能和天氣過程機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)值預報系統(tǒng)。中國氣象局于2000年開始組織實施GRAPES研究開發(fā)計劃,旨在研究發(fā)展中國氣象局新一代數(shù)值預報系統(tǒng)。GRAPS研究開發(fā)計劃的內(nèi)容包括:①變分資料同化系統(tǒng),重點在于衛(wèi)星與雷達資料的同化應(yīng)用;②多尺度通用模式動力框架及物理過程;③新一代全球/區(qū)域數(shù)值天氣預報系統(tǒng)研究建立;④模塊化、并行化的數(shù)值預報系統(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)值天氣預報系統(tǒng),它可用于實況預報和大氣研究,它由多重動力核心、一個三維數(shù)值同化系統(tǒng)和一個允許并行計算和系統(tǒng)擴展的軟件架構(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)級應(yīng)用的軟件架構(gòu),因為當今的信息系統(tǒng)需要整合多項應(yīng)用技術(shù)、跨平臺訪問不同類型的數(shù)據(jù)庫、處理來自Internet的大量請求,并要及時做出響應(yīng)等,這些復雜的應(yīng)用需求需要一種技術(shù)體系來支撐,SUN公司開發(fā)的JEE就是這樣一種技術(shù)體系。JEE技術(shù)實現(xiàn)了以下的企業(yè)級應(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)是為了更好的實現(xiàn)JEE多層系統(tǒng)架構(gòu)而出現(xiàn)的中間件技術(shù),通過應(yīng)用JEE框架技術(shù),可以迅速開發(fā)出符合JEE技術(shù)規(guī)范的企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng),并使得應(yīng)用系統(tǒng)的維護更加方便和簡易。JEE系統(tǒng)架構(gòu)中的各個層次都有許多框架產(chǎn)品來實現(xiàn),但是框架技術(shù)的應(yīng)用不是單一使用某一個框架產(chǎn)品,而是把各個層次的框架產(chǎn)品組合起來應(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]組合起來的。

1.3系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程降水預報系統(tǒng)應(yīng)用JEE框架技術(shù)實現(xiàn)了多層次、跨平臺和分布式的系統(tǒng)邏輯架構(gòu),通過調(diào)用各種數(shù)值模式的預報產(chǎn)品,并經(jīng)過一系列后處理過程來實現(xiàn)對廣西農(nóng)業(yè)種植區(qū)的降水預報,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)庫存放著各類氣象觀測資料和各種模式所需的輸入數(shù)據(jù),數(shù)值產(chǎn)品庫存放著各種數(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,它負責與所有數(shù)據(jù)庫的通信,以對象關(guān)系映射(O/RMapping)的方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存取操作。③數(shù)值模式服務(wù)器集群運行著上述提到的3種數(shù)值模式,它通過數(shù)據(jù)存取模塊與數(shù)據(jù)庫進行通信,從氣象信息數(shù)據(jù)庫中獲取輸入數(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)品庫的數(shù)據(jù),經(jīng)過一系列圖形和數(shù)據(jù)處理后形成一定格式的預報產(chǎn)品。⑤系統(tǒng)主控模塊接受這些預報產(chǎn)品,根據(jù)指定的業(yè)務(wù)邏輯把預報產(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)層是各類應(yīng)用服務(wù)的承載,它把預報產(chǎn)品處理成各類應(yīng)用服務(wù)可接收的輸入數(shù)據(jù)。⑦氣象預報業(yè)務(wù)系統(tǒng)接收基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)層預報產(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)值預報的互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù),電信增值業(yè)務(wù)服務(wù)提供無線通信服務(wù)。⑨用戶可以通過手機或電腦來獲取最終的數(shù)值預報產(chǎn)品,這些預報產(chǎn)品以直觀的界面展現(xiàn)給用戶。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1SSH輕量級框架組合實現(xiàn)優(yōu)異的系統(tǒng)架構(gòu)()SSH框架組合是JEE輕量級系統(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)勢和所起的作用,至于表現(xiàn)層框架Struts,可以參見參考文獻[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)庫都是數(shù)據(jù)量龐大并且要頻繁對數(shù)據(jù)庫進行讀寫,如果應(yīng)用傳統(tǒng)的JDBC以全程編碼的方式來訪問數(shù)據(jù)庫勢必加重系統(tǒng)的負擔,并且會降低系統(tǒng)的處理能力和響應(yīng)速度,所以必須應(yīng)用先進的數(shù)據(jù)持久化技術(shù)來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的高效讀寫。Hibernate通過O/RMapping的數(shù)據(jù)庫持久化技術(shù),實現(xiàn)了從瞬時操作到數(shù)據(jù)持久操作的過渡,大大簡化了JDBC繁瑣的數(shù)據(jù)操作過程,同時,對于綜合數(shù)據(jù)庫連接池的優(yōu)化也大大提高了性能的開銷。

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,但是各類服務(wù)的基礎(chǔ)服務(wù)是相似的,為了實現(xiàn)代碼的復用和靈活擴展,并且在服務(wù)方式改變時只需修改需要變動的模塊,這就需要一種稱之為面向切面編程(AOP)的方式以實現(xiàn)具體業(yè)務(wù)的植入操作。Spring框架的主要優(yōu)點在于面向切面的編程,它的AOP實現(xiàn)方式是從系統(tǒng)分離出方面(Aspect),方面可以看作是一種獨立的業(yè)務(wù)操作或模塊,它獨立于業(yè)務(wù)邏輯層的實現(xiàn),可以在程序執(zhí)行時織入到程序中運行。通過這種方式,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,因而在對每個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區(qū)域,劃分的原則主要根據(jù)地形、氣候特點、農(nóng)作物類別等,系統(tǒng)對所劃分出的每個區(qū)域分別進行數(shù)值模擬,最后以區(qū)域為單位來輸出數(shù)值預報產(chǎn)品。在更為精細化的條件下,每個大的區(qū)域還可以劃分為若干個小的區(qū)域,甚至于再往下細分。區(qū)域劃分主要根據(jù)模式的精細度、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環(huán)境預報中心(NCEP)和國家大氣研究中心(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)值模式運行的初始環(huán)境場和側(cè)邊界條件。

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

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物理過程參數(shù)化方案的選擇。物理過程參數(shù)化方案對于數(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程直接影響著大氣的運動狀態(tài)和成云致雨過程。基本的物理過程類別有:微物理過程、長波輻射、短波輻射、行星邊界層參數(shù)、積云參數(shù)、近地面層參數(shù)和陸面過程參數(shù),每種物理過程都對應(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)值同化的觀測資料來源于全廣西所有氣象觀測站和自動氣象觀測站的實況資料,筆者根據(jù)所模擬的區(qū)域?qū)@些觀測資料進行選取和插值,再輸入到各模式的數(shù)值同化模塊中執(zhí)行運算。

3結(jié)語

應(yīng)用JEE技術(shù)建立起的農(nóng)業(yè)種植區(qū)數(shù)值預報系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)值預報從設(shè)計、運行到應(yīng)用服務(wù)的一體化管理,提高了數(shù)值預報的應(yīng)用能力和服務(wù)水平。系統(tǒng)關(guān)鍵點在于數(shù)值模式的設(shè)計和運行方案的選擇[9],這需要在實踐過程中不斷總結(jié)并探索出最佳的運行方案,以提高數(shù)值模式對真實大氣的模擬能力。