我国气象信息系统构成研究Word下载.docx

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2气象网络系统5

3气象局域网络系统6

三、计算环境8

1.天气与气候模式计算8

2.计算资源社会共享与服务8

3.区域级省级高性能计算扫L系统9

4.中国气象局大院业务计算机安全防护体系9

四、数据管理与服务10

1、气象资料处理技术10

2、气象资料存储管理11

参考文献12

一、通信系统

1.气象通信系统分层逻辑结构

气象通信是气象业务运转的基础和重要保障，是开展天气预报和气象服务的先决条件。

它的特点是网络组织高度分散，信息资料传输高度集中，信息量大，质量、时效要求高。

其主要的如图1-1气象通信系统分层逻辑结构。

1）表现层是通信系统的管理入口，主要为业务管理、维护和运行监视人员提供人机交互界面，满足系统管理、维护和运行监视的需求。

2）应用逻辑层是通信系统的核心，是数树文集和分发功能及传输业务逻辑的实现层，主要提供各种传输协议接口、实现数据交换控制、传输处理及作业调度等。

3）数据存储层为数据交换提供存储服务，主要有文件库和数据库两种存储方式，其中文件库主要存放各种气象资料以及相关的传输和交换策略文件，数据库保存主要数据收发和传输处理过程中的中间

状态。

4）基础设施层是通信系统的运行环境，包括通信网络、计算机硬件、存储介质等硬件环境，以及操作系统、集群管理系统、数据库管理软件等软件支撑环境。

图1-1气象通信系统分层逻辑结构

2.国内气象通信系统布局

上行气象信息是全国基层气象台站（包括全国区域气象中心、省级、地市级以及县级气象台站、向国家气象信息中心传输的各种观测资料、加工产品以及其他的有关信息，其基本流程是逐级汇集和上传。

下行气象信息是上级业务单位向下级业务单位传输和播发的气象数据和产品。

在国家级，国家气象信息中心主要通过卫星广播系统（PCVSAT、DVB-S等）向全国各省、地市、县气象台站逐级播发信息。

除气象资料的上行和下行传输外，各级气象部「J通过省内宽带网与全国气象宽带网进行气象信息的双向传输和共享。

另外，与部门外用户进行气象数据的交换和共享也是国内气象通信系统的重要功能。

其主要是通过同城线路实现各级气象部门与水利、地震、民航等部门的气象数据收发业务如图1.2-1所示。

图1.2-1国内通信系统通信示意图

1）国家级国内通信系统

国家级国内通信系统是国内通信系统的国家级枢纽，承担国内气象资料和产品的收集，以及国内、国外气象资料和产品的分发服务。

主要特点是以文件为单位进行数据传输和交换，支持丁CP/IP协议，具备数据文件收集、分发、交换控制和缺收补调功能，以及文件级、公报级和报告级（站级）气象资料的传输监视和传输质量统计功能。

2）省级通信系统

国内各省通过省内通信网、通信线路收集辖区观测站的观测资料、产品及辖区台站的预报等，通过卫星气象数据广播系统接收北京主站广播的数据；

同时，通过地面宽带线路将省内各类观测资料和产品传输到国家气象信息中心，通过省内线路为所辖气象台站提供数据服务。

另外，各省还通过同城线路收集预定的资料数据，向同城用户提供气象观测资料和产品。

3）地市和县级通信系统

国内各省的县级和地市级气象局基本都建有小型局域网，县（市）局的局域网通过VPN和地面专线与省局或市气象局网络直接互连。

市局通过2M数字电路或VPN与省局进行网络连接。

另外，市级气象局还安装有连接卫星广域网的双向站，可以直接将资料发送到北京主站。

通信系统主要由数据接收、数据发送、数据编码及业务监控软件构成，网络协议统一采用TCP/IP协议，数据传输采用FTP协议。

4）台站通信系统

台站通信系统的功能是按照气象资料传输业务要求对观测数据进行编码和封装，通过通信线路上传到上级通信中心。

对于有人值守的观测站，台站与市局一般通过数据专线（2M）、VPN等实现连接。

5）高校通信系统

高校建立气象通信系统的目的在于从国家和省局获取实时气象资料用于教学和科研工作。

一般来说，高校的气象通信系统按照地市或县级标准建设，拥有小型局域网并通过VPN和地面专线与省局网络直接互连。

另外还安装有连接卫星广域网的单向站，可以直接从北京主站接受资料。

通信系统主要由数据接收、数据编码及业务蓝控软件

构成，网络协议统一采用TCP/IP协议，数据传输采用FTP协议。

二、网络系统

1.计算机网络

将多个独立的计算机通过通信线路、通信业鱼和倒坚丝性在一定的地理范围内互联起来的集合体。

独立：

是指每台计算机都能够独立运行。

互联：

指互相连接的计算机能够互相交换信息，达到资源共享的目的。

2气象网络系统

气象网络系统是气象信息传输和气象资源共享的基础平台，由横向和纵向网络系统组成。

横向网络系统包括各级气象部门局域网络、行业间互联网络等本地网络，纵向网络系统为连接国家级、省级、地市级和县站级四级气象部门的网络系统，主要表现形式为广域网络和利用互联网形成的专用虚拟网络系统等。

另外，在国家级，除了本地横向网络和连接各级气象部门的纵向网络外，还通过专线和互联网等形式建立国际通信网络。

3气象局域网络系统

气象部门局域网络经历了由小范围孤岛局域网到骨干集中互连的不同阶段，曾经采用的组网方式包括FDDI、以太网等方式，目前已发展为以千兆／万兆以太网络为核心。

1）早期的国家级气象局域网络系统

国家气象中心从1990年初开始在业务系统中全面采用局域网技术，而在此之前，用于气象模式运算的M-160,M-170计算机采用的是信道互连方式。

1990年初，随着CYBER和VAX系统的引进，分别建设了CDCNET网（开放）、LCN网（专网）OEC-NET网（专网）。

2）国家级高速气象局域网络系统

1996年，国家气象中心新的高速业务主干局域网开始建设、采用了光纤分布式数据接口（采用多模光纤作为传输媒介的高性能光纤令牌环局域网），在FDDItrunk上配置了VLAN，网络主干可达每秒400万个包的线性路由性能。

中国气象局骨干网络系统采用层次化的千兆以太交换网络结构（交换局域网），各主要业务单位或业务系统以千兆位级速率连接到骨干网络的核心交换层，由核心交换层实现数据的转发，其他的路由功能由分层网络交换设备完成。

除此之外该系统还承担着与外部互联网系统、统、全国气象宽带网络系统、务。

全国卫星气象通信系GTS等的网络连接任

3）省级气象局域网络系统

日前省级气象部门的局域网络已经实现了核心层／分布层和接入层的部署模式。

其中，北京、山西、辽宁等省（区、市）采用双核心的网络设备，而天津、河北、内蒙等省（区、市）采用单核心的网络设备。

省级气象部门局域网能够通过VLAN的划分，较合理的规划其不同部门的业务欧口办公区。

4．气象城域及广域网络系统

从20世纪90年代开始，随着9210工程的实施，全国卫星通信网络系统全面建设完成，但随着大气探测手段的进步，产生的资料量增加，资料种类更多且对传输的时效要求也更加严格。

所以全国卫星通信网络系统所能提供的带宽己十分有限，无法满足雷达观测、自动站观测等资料·

的上行传输要求.因此，2003年中国气象局开始统一建设国家级气象宽带网络主干系统，逐步完成了SDH系统和MPLSVPN系统实现了各省级系统和国家级系统的地面宽带互联.

1）全国气象宽带网络主干50日系统

SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体系），是按不同速度的数位信号的传输提供相应等级的信息结构，包括复用方法和映射方法，以及相关的同步方法组成的一个技术体制。

解决了由于入户媒质的带宽限制而跟不上骨干网和用户业务需求的发展，导致产生了用户与核心网之间的接入”瓶颈”的问题，同时提高了传输网上大量带宽的利用率。

2005年12月，全国气象宽带网主干SDH系统建设完成。

全国气象宽带网络主干SDH系统是气象部门建设的第一个跨国家和省级的地面宽带网络和系统，采用二级结构：

以国家级节点为中央节点的一级星形结构和以省会城市为中央结点的二级结构，覆盖全国30个省级和4个计划单列市的气象部门如图2.4-1所示。

图2.4-1国家气象带网络主干SDH系统结构示意图

2）全国气象宽带网络主干MPLSVPN系统

MPLS-VPN是指采用MPLS技术在骨干的宽带lP网络上构建企业lP专网，实现跨地域、安全、高速、可靠的数据、语音、图像多业务通信，并结合差别服务、流量工程等相关技术，将公众网可靠的性能、良好的扩展性、丰富的功能与专用网的安全、灵活、高效结合在一起，为用户提供高质量的服务。

3）省级气象广域网络系统

我国省级气象部门的省内宽带网建设起步较早，目前多数省份的覆盖省会城市和地（市）的省内宽带网络系统己经建成。

省级系统基于宽带网络系统开展了数据传输、电视会商及IP电话等多项业，己经进行到业务化运行状杯但是己经建成的省内宽带网络基本上是单线路和单设备运行，不具备设备级和线路级备份手段。

三、计算环境

气象计算是高性能计算最重要的领域之一，高性能计算机系统购置投资巨人，维护费用成本惊人，具有昂贵和稀缺的特点，属国家高端战略资源。

气象部闭国家级和地方上的高性能计算机系统能力近年来有了快速发展，同时在系统资源管理水平、天气气候模式计算支撑服务能力上有了较大提升，在系统性能测试、资源整合协同共享等方面取得了有益成果。

1.天气与气候模式计算

气象计算需要海量计算资源支撑。

与其他领域相比，高性能计算机在气象领域的应用最为成熟。

气象科学领域的最主要一类计算应用程序为气象模式，气象模式通过求解描述大气状况的一组数学物理方程式来计算大气的物理量和要素场（如温度、风向和风速及湿度）将如何改变，从而由目前的天气状态推演出对未来天气现象的描述。

气象模式，无论用于短期天气预报还是长期气候预测，都离不开强大高性能计算资源的支持，以保障数值天气预报系统的时效性。

2.计算资源社会共享与服务

北京高性能计算机应用中心（国家气象信息中心）是我国组建的第一个利用自主研制的高性能计算机、面向社会开放的计算机应用中心。

2000年7月成立以来已有80余用户在系统上开户，计算资源共享服务的用户遍及中国气象局、中国科学院、中国医科院、中国石化集团和北大、清华、中科大、复旦等教育部有关院校，为气象、石油、药物、基因研究、力学、化工冶金等领域大型应用课题的用户提供了急需的计算平台，解决了原来在国内无法计算的难题，取得了一些具有国内领先、国际先进的成果。

主力计算机系统神威l的系统可用率达90%以上，平均使用率达50％左右，发挥了良好的社会经济效益。

图3.2-1全国数据模式发展及运行平台概况表

3.计算机软件系统页面

系统由管理、计算和存储三个部分组成，共有两套全局内网和一套外网分别是：

旧A计算网络、千兆以太管理网络和千兆光纤接入网络。

计算网络由一台324口旧A交换机连接所有计算、管理和存储设备；

管理网络由5台48口千兆以太网交换机连接所有的计算、管理和存储设备；

接入网络由1台光纤交换机连接管理、登录和元数据设备直接与中国气象局局域网连接。

神威4000A主要的软件环境包括管理和监测软件，由基于B/S架构的系统管理、监控子系统和SWGFS文件系统等组成。

其软件界面系统如下图3.2-1所示。

图3.3-1计算机软件界面系统

4.中国气象局大院业务计算机安全防护体系

2001年，气象局大院内所有单位统一部署了赛门铁克公司的诺顿企业版防病毒软件，由控制中心统一进行安装、维护、更新的集中管理。

2008年，对国家气象中心、国家气象信息中心和国家气中心（简称三大中心）正式实施了计算机网络准入控制。

采用准入控制技术能够主动监控网络中终端的安全状态和管理状态，将不安全的终端从业务网中隔离出去。

2009年，升级安全防护系统，采用SymanteCEndpointProtectionVll（SPEll）软件。

系统包括两台前端高可用架构的安全防护策略服务器，一主一备两台准入控制服务器，以及数据库服务器和存储，如图3.4-1所示。

四、数据管理与服务

1、气象资料处理技术

气象资料，业务的每个环节都需要相应的关键技术支持，数据编码和数据压缩技术主要用于数据传输过程；

质量控制、均一性检验和订正技术是气象数据产品加工的基础；

资料融合（同化）和格点化技术是两种重要的数据产品加工方法；

可视化技术是重要的数据分析方法。

1）数据编码

为了便于数据交换和使用，各种气象观（探）测资料和预报产品均按照WMO规定的编码格式在通信线路和网络上传输。

2）数据压缩

为保证信息的完整性，气象数据主要采用无损压缩数据算法进行压缩。

日u什man编码、算术编码、LZW编码、RLE编码、BW丁变换算法是应用比较广泛的通用无损数据压缩算法。

常见的压缩软件如ZI尸、RAR、BZI尸2等都基于以上核心算法开发。

3）资料质量控制

传统的质量控制主要根据气象学、天气学、气候学原理，以气象要素的时间、空间变化规律和各要素间相互联系的规律为线索，分析气象资料是否合理。

其方法包括：

范围检查、极值检查、内部一致性检查、空间一致性检查、气象学公式检查、统计学检查、均一性检查，这些方法被普遍应用到地面气象资料的质量控制中。

随着观测自动化技术的发展，产生了大量的自动观测资料，目前针对地面自动站观测资料发展了许多质量控制技术。

我国地面观测资料实行气象台站、省级、国家级资料·

部门的只级质量控制业务系统，各级质量控制软件融合了自动控制技术和交互式技术，允许在必要时对特殊资料进行详细的人工分析判断与修正。

如图4.1-1所示

图4.1-1我国质量控制系统

2、气象资料存储管理

数据库是存储在计算机系统内的一个通用化的、综合性的、有结构的、可共享的数据集合，且具有较高的数据独立性、安全性和完整性。

数据库的创建、运行和维护是在数据库管理系统（OBMS）控制下实现的，并可以多种方式为各类用户提供服务。

1）数据库体系结构

根据服务对象的不同，气象资料数据库系统可以分为公用数据库和荤用数据库，公用数据库又一可分为基础数据库和专题数据库。

公用数据库是指面向多类用户提供信息共享服务、支撑多种业务开展的数据库。

公用数据库由中国气象局在统一的顶层设计下，采取集约化模式建设，分为基础数据库和专题数据库。

专题数据库是在国家级基础数据库系统的基础上，基于统一的系统架构与标准，面向不同应用领域而基于基础数据库抽取的一个子集，一般仅用于为各专题研究提供数据共享服务。

2）数据库业务流程

气象信息管理和共享业务流程以数据库为核心进行，包括观测资料的自动收集、加工处理、存档和服务等。

实时资料业务以快速收集和分发数据为目标，对数据的处理以格式转换、要素解码、初步质量检查为圭；

非实时资料以观测资料的长期积累、质量控制、数据产品制作为主。

图4.2-1数据库存储流程图

参考文献

[1]秦大河，孙鸿烈，孙枢等，2005—2020年中国气象事业发展战略，地球科学进展，2005，20.

[2]周秀骥，吴国雄，郑国光等，中国气象科学技术发展战略研究，地球科学进展,2005，20.

[3]夏普明，冯建民，胡文东，宁夏气象局学术论文分析与科技人才发展对策研究，科学学与科学技术管理，2006，27.