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关键词:防灾减灾;气象服务;农业农村农民;探讨
引言
农业、农村和农民问题始终是关系我国经济和社会发展全局的重大问题。特别是农业生产受天气、气候影响较大,各类气象灾害对广大农民生命财产安全和农村社会稳定构成了严重威胁。根据中国气象局统计,我国每年因各种气象灾害造成的农作物受灾面积达5000万公顷,受重大气象灾害影响的人口达4亿人次,造成的经济损失平均达2000多亿元人民币,相当于国内生产总值的1%-3%,因气象灾害造成的人员伤亡80%在农村。因此,了解当前农村气象服务状况,提出改善农村气象服务的应对措施,对于防御和减轻气象灾害,充分发挥气象服务在建设社会主义新农村中的作用,具有重大的现实意义。这里通过分析当前农村气象服务所存在的问题,并由此提出了做好农村气象服务的对策和建议。
1.当前农村气象服务存在的主要问题
1.1气象服务产品满足不了农村的需求。气象服务产品单一,没有针对农村实际需求的预报产品,如名特优农作物经济作物生育期采摘期的气象保障服务、新品种引种的气候论证、养殖业发展的气象服务、适应特色农业发展的农业气候区划等等在农村均还得不到;农业气象灾害、突发性气象灾害预报农民很需要,但不能及时得到;农民要求低温冻害、高温干旱、台风暴雨等各种气象预测预报产品要更及时、更准确、时效性要更长,并尽可能的定点、定时、定量。
1.2气象服务信息的快速传输渠道还没建立。目前农村获取气象信息的主要渠道有广播电视、手机短信、气象声讯电话、互联网等。但从调查的情况来看,农民主动从这些媒体获取气象信息仍然是少数,气象知识在农村普及率极其低。更是农民舍不得花钱拨打气象声讯电话和定制手机气象短信。农民喜爱的原始的有线广播大喇叭在农村已消失,受经济问题和文化问题制约因特网在农村普及,除电视外其他音频视频媒体在农村也没有。目前许多地方在乡镇配了兼职气象协理员,在村里配了兼职气象信息员,这些人只是兼职的,待遇和地位问题未得到合理的解决,更主要是对这些人员的气象应用培训管理也没到位,而且毕竟人少还撑不起气象信息传播的重担。特别是台风暴雨、寒潮等重大气象灾害的预报还是到各级政府层层传递到农村,灌输到农村,但很难迅速到底到边。更遭的是雷电、冰雹、局地突发性暴雨的发生发展往往只有几分钟几小时,这些突发性灾害的监测预报就不可在几分钟内传递给每位村民了。
1.3宣传教育缺位,农民缺乏气象科学知识。一方面气象科学知识没有纳入到农民培训的范畴,气象主管机构因为管理体系和人力财力的关系,也没有深入到农村搞宣传教育工作,使得能懂一些气象科学知识的人较少。另一方面是农村人员中文化素质高的人都外出打工或经商去,还有经济条件好的能人,不断迁居到城市去了。留守在农村的人员主要是老、幼、妇等。文化素质偏低的原因,农民解读不了气象信息,影响了气象信息的科学利用。还有从事气象工作的人员平时到农村调查研究少,不了解农村和农业生产,不了解得农村的客观需要,在气象服务信息中提出针对性强的指导意见少,影响气象信息在农村发挥的作用。
1.4农村防雷意识淡薄,防雷装置几乎空白。在农村农民受教育程度不高,再受迷信思想深远影响,农民常把雷电解释为“天公发怒”,把受雷击理解成是天意,没有基本的防雷知识,在雷雨来临时,往往跑到没防雷装置的凉亭、简易棚、大树下等最易受雷击的地方躲雨,而遭雷击伤亡。在农村农民建房为了节省投入,也没意识装设防雷装置了。农村防雷减灾的管理工作还不到位,由于政府投入人力、财力有限,建设主管部门和气象主管部门还深入不到农村的防雷管理,规范的防雷技术服务还未延伸到农村。
2.针对农村气象服务存在的问题,应采取的对策和建议
2.1气象部门要深化气象业务技术体制改革和加强气象人才队伍建设,不断提高各类气象服务产品的质量和增加服务产品的数量。气象部门要改变传统预报产品,提供适合农村需求的预报产品不是一件轻易的事,涉及到气象部门现行的体制、机制、资源配置、气象业务服务机构职责分工、内部人员结构等很多方面,需要对整个气象运行系统进行改革和调整。要解决这些复杂的问题,那就是要坚定不移地深化气象业务技术体制改革,培养和引进相关人才努力加强气象人才队伍建设。
2.2建立与完善农村综合气象监测预报系统。加快农村加密自动气象站网建设,以实现对中小尺度灾害性天气及局地小气候的监测预警。增加与农村关系密切的农业气象、生态气象、大气成分、雷电等观测项目,提高遥感遥测技术在农村气象监测的应用水平,为农村气象服务提供必要的监测技术手段。制定针对特色农业进行农业气象、重大病虫害气象、生态气象、大气成分等方面的观测,为现代农业气象服务研究提供基础监测数据。建设或完善雷电监测网并加强雷电监测预警的科学研究。
利用多种气象科技手段,建立乡镇短时、短期和中期气象预报业务系统,以乡镇预报业务带动和完善农村气象预报预测系统建设。发展包含天气、气候、生态与农业气象、大气成分、人工影响天气、雷电等内容的农村预报预测系统。通过完善与发展农村气象气象服务系统,制作更多的符合“三农”气象服务需求种、养业各个环节的气象保障预报服务、新品种引种的气候论证、特色农业发展的农业气候区划、农业气象灾害预警等产品,构建现代农村综合气象监测预报系统。
2.3采取多种手段完善农村气象信息传播渠道。地方广播电视部门要建立重要天气信息绿色通道。像以往抗台气象信息一样,及时插播农村种养业的关键期预报、突发性的强对流大风、暴雨、雷电等预报。同时气象部门积极建立好高效的信息快速分发流程,实现重要气象信息第一时间到达农村,有效指导农业生产及防御和减轻农村气象灾害的影响。
在农村建设气象预警专用系统,可采用手机短信、气象警报接收机和无线气象信息电子显示屏相结合的方式,布设24小时待机的受控高音喇叭音频播出设备,确保信息的及时和接收。
利用手机短信和固定电话来传播气象信息是最便捷、服务面是最广的。因此,要大力发展农村手机短信订制用户和固定电话包月用户,同时相关信息产业部门也要适当降低收费标准,让更多农民能用得起这些信息。
2.4建立农村气象科普教育体系。气象主管部门要进行多方调研,编写适合农村特点的、通俗易懂的气象预报运用、气候资源利用、种养业气象服务指标、避雷防雷技术等乡土教材。
启动气象信息“进村入(下转215页)(上接214页)户”工程,通过广播、电视、报纸、互联网、专题资料、墙报、手机短信、气象声讯电话、现场咨询活动等手段不断加强气象科普知识的宣传;在有关涉农培训基地开设气象科技知识课程,定期地举办农村气象技术培训班,传授经济实用的农村适用技术,培养乡土气象专家,从而努力提高农民群众科学利用气象信息的水平。把气象知识编写到中小学校地方教材中,给学生发送气象科普知识,组织气象专家到学校作科普讲座,组织学生参观气象科普基地、参观气象部门,做到科普宣传从娃娃抓起。
2.5加大农村防雷减灾管理力度。做好农村科学防雷宣传教育工作外,把农村防雷减灾纳入到规范管理中,在农房建设许可中把好防雷设计关和施工关,建立农村建设项目的防雷设计审核和施工监督制度。对农村的防雷状况进行定期普查,公布普查结果。特别是对农村企业、公共建筑、学校的防雷隐患,要分类指导,督促整改到位。
2.6充分发挥政府在农村气象服务中的主导作用。从维护社会公共安全的高度,各级政府要完善管理机制,支持气象部门为农村服务而进行的业务体制改革、人才队伍建设、现代化装备建设,协调气象、建设、信息产业、广播电视等部门,规范农村防灾减灾防工作。制定农村气象防灾应急预案,投入资金完善农村气象信息传播渠道、气象观测网建设,投入资金完善农村基础设施、公共场所的防雷措施和规范农村防雷减灾管理。
各级政府要重视气候资源的应用开发,推广太阳能的利用,进行风能资源、光温资源等的调查,做好特色农业气候区划评价和成果推广、落实气象科普宣传、对农民进行气象科技知识培训等工作。
要落实各乡镇气象分管领导,真正落实专职兼职气象协理员,建立农村兼职气象服务队伍。确实解决这些人兼职人员的待遇地位问题。
3.结语
加强和完善农村气象服务是一项社会综合工程,也是今后一个时期气象服务工作的重点、难点和焦点,做好这项工作,取决于广大农民防灾减灾趋利避害的自觉程度,取决于气象部门科研开发和服务的主动性,取决于相关部门的相互配合,取决于各级政府在农村气象服务中的主导作用。
参考文献:
论文摘要选择适当的气象条件喷施农药，在生产实践中尤为重要。指出在喷施农药时，要把握适宜的气温、选择适宜的湿度、避免降水天气施药、巧借风力和合理利用光照。
植物病虫害和杂草的丛生、消长与气象条件有密切关系。采用农药防除病、虫及杂草，是植物保护的有力武器，是保障农业高产稳产的重要手段。而在选用农药种类、使用方法、避免对作物、人、畜的危害和发挥施药后的效果等方面，都必须考虑气象条件的影响。如同一种农药，在某种天气条件下可以提高药效；而在另一条件下，不但药效降低，而且药效期也会缩短。因而，选择适当的气象条件喷施农药，在生产实践中显得非常重要。
1把握适宜的气温
气温的高低直接影响药效的稳定性，在一定温度范围内，较高的气温会增强药剂的渗透力，加快毒杀速度，有利于提高药效；但气温超过一定范围后，药效反而会降低。一般来说，当气温在20~30℃范围内用药，其效果比气温在20℃以下的天气条件下使用效果要好；但当气温超过35℃时，由于高温会促进药物分解而降低药效的持久性，同时在喷施药液时，喷出的雾滴水分在高温下也易挥发，导致局部药液浓度加大，加之作物新陈代谢旺盛，故易引起药害发生，且易引起人身中毒事故。因此，在晴天施药，最好选择在上午11时以前和下午4时以后进行，避免在中午高温条件下施药。
2选择适宜的湿度
湿度对农药的影响主要体现在对农药剂型的影响上。对大多数乳剂农药而言，由于湿度大，会相对降低其浓度，加大药液流失，从而降低药效；但对有的撒施粉剂农药则有利于药粉与作物茎叶的粘附，能提高药效。通常粉剂农药宜在晨昏植株露水未干时进行喷撒，以利药粉粘附在叶片上而不被风抖落；喷雾宜选晴天无露水时进行，以免稀释药液，降低药效；喷粉、喷雾后遇到降水，常会冲失药剂或冲淡浓度，需要重新喷药。空气潮湿会使药剂挥发能力减弱；土壤的干湿，对药效也有一定的影响，一般较湿的土壤能更好地吸附杀虫剂，增加药物与虫体接触机会，从而提高防效。
3避免降水天气用药
下雨天喷施农药，药剂易被雨水冲刷而流失，导致药效降低甚至失效无效。为了延长药效期，最好选择晴天或雨过天晴时喷施农药。但如果雨季正逢害虫防治适期，不能过多推延喷药时间的情况下，也可采取以下措施，提高防效。
（1）在农药中加入适量的黏附剂和辅助剂。如洗衣粉、木薯粉浆水等，以增加农药的黏附力。
（2）选用内吸性强的农药。如乐果、杀虫双、稻瘟净等，此类药施药后4h无雨，则有80%以上农药有效成分被作物吸收；4h以后再下雨则对药效影响不大。
（3）选择速效性农药（如速灭威），在喷药后短时间内就产生药效。
（4）选择粉剂农药。尤其是在大雾、露水重的情况下，喷施粉剂农药最为有利。特别是可湿性粉剂，能溶解于露水而加快毒杀速度。
（5）选择超低容量喷雾器喷药。由于浓度高，雾滴细，易被作物吸收，可减少流失。
4巧借风力
喷药宜选择无风天气，有风会给操作带来麻烦，很难保证药物喷撒到需要的部位。如果施用剧毒性农药，更应注意风向及风速的变化，以免产生药害，发生人、畜中毒事故。大风能促进药剂的挥发和散失，造成药剂浪费，同时易导致药液四处乱飞，增加空气污染，导致人畜农药中毒事故。因此，大风天气时不宜喷施，以静风或微风条件下施药较好。在一天的早晨或傍晚，由于逆温层的存在，气层静稳，是喷药的最佳时机。同时，还可利用风向喷施农药，操作人员应顺风前行或背风倒退，这样才使药剂准确地喷洒到位，且对人体安全。
5合理利用光照
强烈的光照能加快药剂的挥发与分解，使药效期缩短且在强光下，作物新陈代谢旺盛，气孔张开，农药容易对作物产生药害，甚至烧伤叶片，影响植物的光合作用。因此，在炎热的中午不宜施用农药。另外很多昆虫如地老虎、稻苞虫、卷叶螟幼虫等都有昼伏夜出的特性，只有当它们处于采食状态时，才有受药的可能性，故强光照下不利于喷施防治此类害虫的农药，宜选择在阴天或晴天傍晚施药。
总之，影响农田施药效果好坏的因素是多方面的，主要表现在病虫的生理特性和农药的理化特性方面。施药时除要做到“对症、适时、恰当、安全”外，还要考虑天气与施药之间的关系，根据各类药剂和防治器械的性能，决定合适的施药方式。
明代茅元仪《武备志》中收录了《测天赋》、《玉帝亲机》二书，收集了许多有关天气的经验性认识，其中的天气谚语集中体现了古代劳动人民的智慧。这些谚语来自生活实践，因难免受封建迷信思想的影响，不少谚语有不科学之处。到了明末，我国的气象事业有了一定的发展。但人们对于气象的认识较为分散，而且也局限于知识分子阶层，没有普及到群众中去。《天经或问》作为第一本天文科普读物，以一问一答的形式，像百性普及相关知识，其中也涉及到气象知识，通俗易懂，是中国气象学的启蒙之作。
二、《天经或问》中的气象学知识
《天经或问》共有四卷。卷一共有22图：昊天一气浑沦变化图，黄赤道南北极图，三轮六合八觚之图等；卷二有问答17条，各有标题：天体，地体，黄赤道，南北极，子午规，地平规，太阳，太阴，日食，交食，朔望弦晦等；卷三有问答25条，各有标题：岁差，经星名位，恒星多寡，大星位分，太阳出入赤道度分，经星东移，觜宿古今测异，七曜各丽天，恒星天等；卷四有问答27条，各有标题：分野，年月，历法，霄霞，风云雨露雾霜，雪霰，雹，雷电，霾，慧孛，虹，日月晕，日月重见，风雨徵等。游艺结合中西科技成果，撰成通俗读物《天经或问》一书，很有独特见解，被收入《四库全书》，并流传日本，多次翻印发行。《四库全书》总纂纪昀评述这部书：凡天地气象、日月星辰之运行，月盈日蚀的道理，以及风云、雷电、雨露、霜雾、云霓的变化，都设有问答，明其所以然，条理清晰，通俗易懂；至于星占应验之术，则摒弃不谈。
（一）各类天气现象
“问：雹，冷物也，何以不降于寒而降于暑也？或谓蜥蜴所喷，或谓龙鳞所藏？是乎？否乎？曰：气之三际：中为冷际，下为地温，上近火热，极冷之处乃在冷际之中。二时之雨，三冬之雪，盖至冷之初际，即已变化下零矣。冬月气升，其力甚缓，非大地同云不能扶势，故云足甚广；二时之云足亦阔，云生缓迟，即雨舒徐，皆变于冷之初际也。夏月郁积浓厚，决绝上腾，力专势迟，故云足促狭···沟浍旋盈，盖因其专锐，故能径至于冷之深际。气升愈厚，腾上愈速，人冷愈深，变合愈骤，结体愈大矣。升入极冷之际，骤凝为雹。雹体大小，又因入冷之深浅、云气之厚薄也。雹中沙土，更多于雪；雹体中虚，以其激结之骤，包气于中也。若夫蜥蜴龙鳞之说，则樵木市语也。”在该书中，游艺在对雹进行解释时很明显的受到了西方“三际说”的影响。在明末清初之际，有一些西方传教士对“三际说”作了简要介绍，如利玛窦的《乾坤体仪》将大气分为“暖域、冷域、热域”，熊三拔的《泰西水法》将大气分为“温际、冷际、热际”等，但均未对“三际说”作更为深入的分析。作为最早将西方中世纪气象知识与理论介绍到中国的气象学专著，《空际格致》对大气分层学说进行了相对全面地阐述。依据《空际格致》“，气厚分有上中下三域：上域近火，近火常热；下域近水土，水土常为太阳所射，足以发暖，故气亦暖；中域上远于天，下远于地，则寒。”高一志将大气分为上域、中域和下域，三域的特点分别是热、寒、暖。此处所说的下域，和我们今天气象学里面的对流层极为相似。高一志还提到了下域“暖”形成的原因“，下域近水土，水土常为太阳所射，足以发暖”，太阳辐射中的一部分被地面所吸收，所以高一志认为被吸收的太阳辐射足以使下域“发暖”。“上域近火，近火常热”，高一志的“上域”和现在的“热层”相类似，由于太阳辐射中的强紫外辐射的光化学分解和电离反应，使得这一层的温度随高度的增加而迅速升高。“中域上远于天，下远于地，则寒”，“中域”相当于现在的“中间层”，中间层大气吸收的辐射能量很少，温度随高度而降低，它是地球大气中最冷的部分。在“三际说”的基础上，对雹作出了进一步解释。冬天的时候，这些气体继续上升，但是十分缓慢，力量也比较薄弱，只能依靠大地上性质相同的云，此时的云范围较为广泛；夏天的时候，气体越积越浓厚，继续上升，力量较强，直达冷际深处。气体越往上升，越来越厚密，速度也越来越快，聚散变化也越来越突然频繁。当气体进入极冷之际时，会骤然凝结成雹。雹体积的大小，与进入冷际的深浅、云的厚薄程度息息相关。雹中所含的沙土也比雪多，而且雹的中心是虚的，这是由于它是骤然凝结而成当中包含了气体的缘故。至于说，是雹是蜥蜴所喷或是龙鳞所藏，都只是老百姓们的市井流言而已。现代气象学上认为冰雹来自对流特别旺盛的对流云中。云中的上升气流要比一般雷雨云强，小冰雹是在对流云内由小雹体上下数次和极冷水滴碰撞而增长起来的，当云中的上升气流支托不住时就下降到地面。大冰雹是在具有一支很强的斜升气流、液态水的含量很充沛的雷暴云中产生的。游艺用通俗易懂的语言解释了雹的来源，并且指出民间的流言都是不可信的，在一定程度上破除了封建迷信思想。
（二）大气光象
《天经或问》中还涉及到很多大气光象。如：①霄霞依据《天经或问》，如霄霞“，问：霄，未见天之何色而指也，霞则见天之五色而著也。虽日月星辰不如霞之彩，测步者独不关之者何也？曰：霄者，天之无云气而青碧者也。天色在五行之外，青亦非其真体壮生。所谓天之苍苍其正色耶？其远而无所至极耶？其视下也，亦若是则已矣。霞者，云正受日光则透白，虚斜相交则起色，皆假日之光或成五彩也···”游艺认为“霞”是由于云受太阳光照射虚实相交后而形成了五颜六色的光象，这与现代气象学对“霞”的解释极为相似，都认为“霞是由于大气对日光的散射作用而产生的一种自然现象。”当阳光透过厚厚的大气层时，被大量的大气分子散射。当空中的水汽、杂质等越多，其色彩越显著。②日月晕“问：虹是薄雨为日光所映而成红绿也，然则日月四旁时有红白之气围抱成环，谓之日晕，此晕是何？曰：晕乃空中之气直逼日月之光围抱成环，其有缺者、有围者、抱者、背者、薄者、厚者，皆是气所注射，又有一等气在天上，外浅中深如井者，深是气厚处日光所照，一般浅系气薄日照之，故白色如井栏等。”晕是由于日月光线透过卷层云时受折射作用而形成的。天空中有一层高云，阳光或月光透过云中的冰晶发生了折射或反射，便在太阳或者月亮周围产生彩色光环。大气的厚薄程度不同，日晕和月晕的形状也大小不一。③日月重见“问：日月晕，气是也。日为诸阳之尊，有重出为之抗者，此是何物也？曰：日有重叠，见两三者，以云封日，一层云稍薄能透光，却被日光所射后，边却又有一层黑而厚者，挡住日光，反透薄云故成重日之象。”这跟高一志《空际格致》中提到的“日有重叠”现象有相似之处。《空际格致》中提到“太阳行时,不拘南北,忽遇润云在旁,其云间日之面为薄,故深受日光及像,其背日之面为厚,故所受之光与像不能通透,乃退而不及人目,与成虹之云相似,致见日有二,其一系本轮,乃真者,一系旁云,乃伪者。正如对镜者必生像于镜内，凡在旁者见一真人与镜中所退宛有二像矣。”由于云层有厚有薄，日光透过薄的云层，遇到较厚的云层时则被挡住了，又反射至旁边较薄的云层形成了另一轮“太阳”。游艺的解释通俗简单，容易理解，即使是不了解气象学的人，读过之后也是一目了然，清楚明白。
（三）风雨预测
“问：日月晕与重出皆雨征也。然晕与重不常见而风雨则常有者，更有何征乎？曰：气行空中为湿性所碍，不得上升，观之见其弯曲者，雨征也；晓间雾开而复拥者，雨征也；晨起气昏者，雨征也……日出时云多，破漏日光散射者，雨征也；日光暗淡而色苍白者，雨征也……”中国的气象谚语有很多，如元代娄元礼的《田家五行》中涉及到很多用自然现象来预测天气。游艺在《天经或问》中也对其中的一部分进行了总结，并做了简单扼要的解释，便于理解。
三、影响
系统主要实现软件的模块话设计，包括反射率数据分析模块、速度分析模块、天线运行稳定性分析模块以及雷达组网数据分析模块。
1.1反射率分析模块
反射率的大小体现了气象目标的降水粒子的密度分布及体积大小，在实际气象技术中长期用于表示气象目标的强度，在工作上采用dBZ单位表示。对于空管气象雷达图，数据显示采用PPI(PlanPositionImage)显示方式。该方式决定了一张气象雷达图由圆锥俯视平面上分析空间的回波构成。在设计上简单介绍其设计流程，首先必须读取原始数据，并判断是否首次读取，若为首次读取则对其进行预处理，否则进行坐标转换；其次进行图像绘制并判断是否需要改变仰角。此处需要关注的关键是如何进行数据的预处理。在实现上，对接收的数据进行反射率信息结构体赋值。当然该结构体包括了记录实际仰角角度、数据文件路径存储、雷达波段判断以及相关数据的偏移。通过扫描上述结构体可以实现对雷达数据的预处理。
1.2速度分析模块
多普勒雷达采用了速度退化模糊技术以扩大其对径向风速测量不模糊的区间。结构设计主要考虑数据显示的径向方式，流程设计则与反射模块类似。当然在界面设计上，系统将提供对颜色配置的定义，使其人机交互更为快捷。
1.3天线稳定性分析模块
天线是雷达数据采集的关键部位，长期以来是影响雷达运行的主要关键点之一。其依赖于底下的电机进行旋转，目前大多数进口电机可以保证24小时安全运行。而运行时仰角提升和转速的平稳性直接影响雷达数据的采集。为此，我们通过在径向数据上采用方位角及仰角进行扫描实现曲线图监控。通过选择基数据再进行预处理后绘制相关曲线实现对天线运行状态的评估。其中，曲线图的绘制需要的参数为：纵坐标为气象雷达实际运行的每层仰角均值；横坐标为范围角：0-360°。
1.4雷达组网分析模块
按照民航局的总体规划，未来空管将实现多气象雷达覆盖，在这过程，多个气象雷达的组网将成为气象雷达数据的主要来源。这种模式将使得数据覆盖面更大、数据安全性更高、数据准确性更强。而与此同时带来了雷达数据融合组网的技术难点。设计上，首先模块将定义雷达站点配置信息，并与此同时提供组网雷达可选数据；其次对选择雷达数据进行数据预处理；再之则对雷达数据进行统计平均并做坐标转换；最后进行拼图处理。在这过程中，需要对雷达数据的强度进行自适应调整、显示范围自适应调整。与上述同理，系统核心在于预处理。在C#中定义List数据列表，并在定义其结构为[站点标示][距离][方位角]，对于数据读取时，需要进行插值算法处理，此时的单时数据拼接分析可以实现不同仰角和方位角的筛选。为了控制系统数据的准确性可以在前端定义雷达数据方位角表，根据表进行映射处理。通常如若出现非连续数据可以在预处理上对其进行差值补偿。在C#上可以采用反差圆补偿方法。
2．结束语
[论文摘要]近几年来，随着气象信息对人们生产、生活作用的不断加大，它的安全也备受关注。从气象网络的概念、安全的必要性出发，逐一探讨了气象网络安全存在的问题，以及相关的解决措施。
一、气象网络的概念及其结构形式
气象网络，简而言之，指的是将计算机网络技术应用于气象领域，使气象信息网络化，信息化，方便人们的使用。目前，气象网络按照不同的安全等级划分成三种网络结构形式：（1）内部局域网（含机要内网），此网要求安全等级极高，各个部门的计算机均在此网上；（2）通过数字专线与相关政府职能机构构成的政务专网，通过不同授权等级共享各级数据资源；（3）公众互联网，通过电信宽带接入气象网站，供广大用户浏览。现代社会气象信息的大量应用，越来越彰显其重要性，然而与此同时，网络的应用也给气象信息安全带来了大量的潜在隐患，因此，加强气象网络的安全性就非常有必要。
（一）气象技术的保障需求。当前，随着气象业务的不断发展，气象应用系统越来越多，对网络的依赖程度越来越强，网络安全早已摆在极其重要的位置。尤其是近几年来，随着全球气候的普遍升温，世界各个地方都面临着干旱、洪涝、雨雪、台风等自然灾害，气象技术的观测、预报功能是人们预防自然灾害最有利的工具，而病毒、非法侵入系统等不法行为肯定会影响到气象技术的发挥，因此，保障气象网络安全是必需的。要解决这一问题不可能依靠某种单一的安全技术，必须针对气象网络的应用情况，采用综合的策略，从物理环境、网络和网络基础设施、网络边界、计算机系统和应用、安全管理等多方面构筑一个完整的安全体系。
（二）气象网站的安全需要。全国各级气象网站是公众了解气象政务、天气预报等信息的重要媒体，通过这一媒介，人们可以根据未来的气象资料，预先安排自己的生产生活。当前世界联系日益紧密，任何因素的波动都可能造成无法估量的损失，因此，人们从气象网站中及时获取有价值的信息，对于他们来说，是非常重要的。但由于互联网的安全性较低，随时都有可能遭到有意或无意的黑客攻击或者病毒传播。
二、气象网络安全存在的问题
其实影响气象网络安全的因素有很多，本文从以下几个方面进行论述：
（一）气象网络管理缺陷。由于全国各级气象网络系统在管理制度上普遍存在缺陷，有些基层站没有专职计算机网络管理人员，再加上某些基层气象职工计算机水平较低，机房设备较差，对气象网络的安全极为不利。其不安全因素主要表现在：
（1）人为的非法操作。在某些基层气象站闲杂人员擅自进入机房的现象时有发生，甚至有人随意使用外来光磁盘。由于制度不到位，防范意识差，随意的光盘、磁盘放入，有意无意将黑客装入，给计算机网络埋下不安全隐患。
（2）管理制度不完善。本应由管理员操作的部分管理工作，擅自交由其他非工作人员进行操作，甚至告诉密码，致使其他人可以任意进行各种操作，随意打开数据库，造成有意无意的数据丢失，有的甚至在与Internet连接的情况下，将数据库暴露，为黑客入侵创造条件；有的人将密码随意泄露给别人。
（3）相关工作人员的失职。气象部门工作人员的职责不到位，，在Internet上乱发信息，为修改文件破坏了硬件，对“垃圾文件”不及时清除，造成数据库不完整，资料不准确。
（二）病毒侵入。目前，气象网络安全面临的最大危险就是病毒的侵入。当前网络中，各种各样的病毒已经不计其数，并且日有更新，每一个网络随时都有被攻击的可能。计算机网络病毒充分利用操作系统本身的各种安全漏洞和隐患，并对搭建的气象网关防护体系见缝插针，借助多种安全产品在安装、配置、更新、管理过程中的时间差，发起攻击；有时黑客会有意释放病毒来破坏数据，而大部分病毒是在不经意之间被扩散出去的。在不知情的情况下打开了已感染病毒的电子邮件附件或下载了带有病毒的文件，也会让气象网络染上病毒。
三、解决对策
（一）严格的安全管理制度。面对气象信息网络安全的脆弱性，一方面要采用技术方面的策略外，另一方面还应重视管理方面的安全，注重安全管理制度的加强。针对安全管理的复杂度，重要的是建立一套完整可行的安全政策，切实管理和实施这些政策。我们需要从以下几个方面入手：
（1）首先加强人员的安全意识，定期进行网络安全培训；其次，制定安全操作流程，有明确、严格的安全管理制度。再次，责权明确，加强安全审计，详细记录网络各种访问行为，进而从中发现非法的活动。
（2）构建安全管理平台。从技术上组成气象安全管理子网，安装集中统一的安全管理软件，如病毒软件管理系统，网络设备管理系统，以及网络安全设备统管理软件。定期对安全策略的合理性和有效性进行核实，对于气象网络结构的变化，应先进行安全风险评估，适时修改安全策略。
（二）防范各种非法软件攻击和入侵。网络的存在必然会带来病毒攻击和入侵发生。病毒的攻击，一方面来自外部，由于应用系统本身的缺陷，防火墙或路由器的错误配置，导致非法攻击轻而易举的进入网络，造成气象业务中断，数据的窃取和篡改等；另一方面的攻击来自于内部，内部员工的无意或者恶意的攻击，也会给网络的正常运行构成威胁。超级秘书网
目前利用防火墙虽然可以阻止各种不安全访问，降低安全风险，但防火墙不是万无一失的，因此，作为防火墙的必要补充的入侵检测系统（IDS），是第二道安全闸门，在全国各级气象网络的关键节点配置IDS，可监视信息网络系统的运行，从中发现网络中违反安全策略的行为和被攻击的迹象，监控用户的行为，对所有的访问跟踪，形成日志，为系统的恢复和追查攻击提供基本数据。在各级建立IDS可以实时对关键服务器和数据进行监控，对入侵行为，违规操作进行预警与响应，并通过与防火墙联动有效阻止来自内部和透过防火墙的攻击行为。
（三）病毒防护策略。对于网络病毒的防范是气象网络的重要组成部分。目前，气象网络的覆盖面广，病毒的危害也越来越大，加之传统的单机杀毒已无法满足需求，因此急需一个完善的病毒防护体系，负责病毒软件的自动分发、自动升级、集中配置和管理、统一事件和告警处理、保证整个网络内病毒防护体系的一致性和完整性。
主要的防范措施是建设覆盖全国各级气象信息网络病毒防护体系，实现全网的统一升级、查杀、管理，防止病毒的交叉感染。包括网关级病毒防护，针对通过Internet出口的流量，进行病毒扫描，对邮件、Web浏览、FTP下载进行病毒过滤，服务器病毒防护，桌面病毒防护，对所有客户端防病毒软件进行统一管理等。
参考文献：
[1]张剑平等，《地理信息系统与MapInfo应用》.科学出版社.1999.
VantagePro电子气象站是美国戴维斯公司(DavisInstrumentsCorp.)面向气象服务、面向移动服务的小型气象站[5]。体积小，重量轻，功耗小，集成度高，安装简单，长期工作稳定可靠。气象站由传感器单元(ISS)、显示控制器(CONSOLE)和记录器软件(WeatherLink)组成[6,7]。有线站传感器(ISS)上的信号由有线传送到显示控制器上，电缆线长度30米；无线站传感器(ISS)上的信号由无线传送到显示控制器上，距离大约200-300米。VantagePro也是目前国内外天文领域应用得较广的全自动气象站之一，在远程自主观测等方面应用较广。VantagePro可以测量空气温度、空气相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射和紫外辐射，组成8要素电子气象站。还可扩展对土壤温度、土壤湿度及叶面湿度等气象要素进行观测。与一般的气象站不同，VantagePro采用了所谓的一体化传感器单元(ISS)，通过ISS接口板接收数据并转发至CONSOLE(显示控制器)或连接的计算机中，其中温湿度传感器在白色百叶式防辐射罩内，翻斗式雨量计的翻斗在雨量筒内。各传感器信号线均接入到ISS接口板中。ISS通过其外部所带太阳能板供电，盒内装有一块3伏锂电池，用于夜间及无日照时的供电[8]。CONSOLE显示控制器，用来在未连接计算机单独显示气象信息时的状态。但由于当前MUSER采用计算机实时采集，因此CONSOLE并不需要配置。
1.1通信协议VantagePro中数据传输和命令控制使用串行通信协议，即RS232C串口通讯协议标准。RS232C串口通信协议的包含，8个数据位，1个起始位，1个停止位，无奇偶校验位。通信协议中的波特率设置为4800比特。用RS232C串口通信协议中的DB9(9针D型串口)。VantagePro的串行端口的命令格式可以表示为下面的格式：<参数名称—十进制数字><参数名称—十六进制数字><参数名称—二进制数字>这三种格式。十进制和十六进制数字可以用ASCII替换。二进制数字发送字符值。每个命令之后都要紧跟着一个换行符(\n)。
1.2数据格式VantagePro通过串口获取气象数据，实际传送的气象数据为99个字节的数据包，如表1所示，从1-99对数据包编号，提取的数据用括号给出了注释，括号中逗号之前的内容表示字段含义，逗号之后的内容表示测量值的单位。数据包的具体格式如表1所示。
2实时气象数据拆分与归档
在MUSER的应用中，将各个ISS采集的气象因子数据直接通过RS232C串口通信协议将采集的数据传到操作系统为LINUX的计算机，通过该接收机器上的数据请求与拆分程序将RS232C传送的气象因子数据包实时拆分出需要的气象因子并归档到MySQL数据库和Redis高速缓存中。同时数据合并程序自动合并同价值的数据，将最新的数据存到Redis中。系统整体结构如图1所示。
2.1初始化串口数据的接收和归档以驻留程序方式运行在服务器上，图2显示了实时气象数据拆分与处理的初始化流程。气象因子的记录器对象主要暂时存储拆分处理后的气象数据，气象因子读取器对象负责读取数据包中记录的特定气象因子的测量值。由于VantagePro气象站测量的气象因子的值与要归档值的单位不一致，因此也需要气象因子的修正器对象来对测量的原始值进行修正。
2.2数据的拆分与处理系统的初始化后，采集程序定时从串口接收数据，首先获得采集时间并转换为1970年到现在的秒数，并向VantagePro请求一个数据包，接着就是处理收到的气象数据包。PC上实时气象数据的拆分与处理的流程如图3所示。图3中的时间秒数的定义为从1970年1月1日0时0分0秒到此时的秒数。相邻的两个时间秒数之间相差60秒，即1分钟。数据的采样周期也是1分钟。时间秒数用来唯一表示气象因子的采集时间或采样时间，同时也作为Redis存储中可分类的集合中Score的值。
2.3气象数据的存储将采集的气象数据保存到MySQL数据库中，同时为了提高查询速度，使用Redis作为高速缓存。MySQL数据库中数据表的定义如表2所示。Redis是一个Key-Value存储系统[10]。和Memcached类似，它支持存储的value类型相对更多，包括string(字符串)、list(链表)、set(集合)和zset(有序集合)。Redis的功能可以理解为一个Key-Value的数据结构操作，数据都保存在内存中定期刷新到磁盘，以及提高的读写效率。Redis数据库通过两种方式可以实现数据持久化:使用快照的方式将内存中的数据不断写入磁盘和将操作记录记录在磁盘文件中。因为需要在Redis执行范围查询，我们使用有序集合SortedSets存储气象数据，集合结构中使用时间秒数作为score，气象数据的实际值为其value值。而Key的值为气象的统计因子，如温度（temperature）、湿度（humidity）等。比如将2015年1月29日16时26分05秒采集的温度的值17℃存储到Redis的命令为：redis127.0.0.1:6379>zaddiss.temperature142252110017。
2.4拆分存储实例在如下的气象数据拆分与归档的例子中，以测量室外温度的传感器iss.temperature为例。其它气象因子数据的拆分与归档和气象因子（室外温度）的处理情况类似。步骤如下：1)开始采样时间为2015年1月29日16时26分05秒，将该时间转换成1970年以来的时间秒数，为1422521100。2)向VantagePro发送命令LOOP1命令，请求一个99字节的数据包。接收端到气象站响应的数据包，数据包的内容如图5所示。3)传感器iss.temperature的读取器从数据包中偏移量为12的位置读取2个字节，其十六进制值为001d。读取器对象将001d转换成十进制的29。4)传感器iss.temperature的修正器将传感器的29F修正为2.900000F，然后再将2.900000F转换成-16.166667℃。(温度传感器记录的测量值是实际测量值的10倍，其它值的倍数详见表1)5)传感器iss.temperature的记录器将-16.166667℃更新到记录器对象中。6)将传感器的值归档到MySQL和Redis中。7)更新下一次采用时间，循环步骤1-7。
3气象数据合并与快速检索
3.1气象数据的合并一般情况下将采集到的气象数据处理成特定格式后直接追加到数据库中，然而随着时间的积累,数据库中的记录数会急剧增加。相应地检索某一个时间段的天气状态所需的时间也会增加，不能满足MUSER的高效数据处理的要求。由于连续时间段的天气状态可能相同。例如在2014-6-610:00:00到2014-6-610:00:59这一分钟采集到的天气状态为晴天，而在接下来的59分钟的时间内采集到的天气状态都为晴天。通常情况下是将这60条记录全部存储到数据库中，然而改进的归档方法是合并这60条记录为一条记录。当检索落在这一合并后的时间段天气状态时，仍然可以检索到要检索时间段的天气状态为晴天，这样做和从60条记录中检索到的天气状态一样都是晴天，保证了合并后的数据仍然是有效的。如果一天要归档的所有采集到的天气状态都一样，那么采用合并方法，数据库中存储一条记录就可以记录这一天的天气状态。但是如果采用传统的数据归档方式，记录一天的天气状态就需要24*60条记录，这样不仅浪费了存储空间，同时影响到检索效率。
3.2快速检索数据合并一定程度上可以加快检索速度，但对于具体值的气象采集因子，如需要在每个UVFITS文件中存储的温度，湿度值，是无法采用数据合并的，数据量仍非常大。为了进一步提高查询速度，使用Redis作为高速缓存。数据查询时首先访问Redis，只有当Redis访问失败时或者在Redis中找不到数据时才访问MySQL，并将从MySQL获得的数据更新到Redis中。MUSER中最常用的气象数据查询模式是根据观察时间查询气象数据，因此使用有序集合SortedSet，SortedSet是Set的一个升级版本，它在Set的基础上增加了一个顺序属性，这一属性在添加修改元素的时候可以指定，每次指定后，zset会自动重新按新的值调整顺序。可以理解为有两列的MySQL表，一列存储具体的值，一列存顺序，也就是气象数据的时间。操作中key理解为zset的名字。查询时根据观察时间和气象因子可以获得该时刻的具体气象数据。比如查询时间2015年1月29日16时26分05秒的温度的值，首先将该时间转换成1970年以来的时间秒数，为1422521100，在Redis上执行如下查询命令：redis127.0.0.1:6379>zrangebyscoretemperature1422521100+infLIMIT01这条命令的意思是在键值为temperature的SortedSets中查找大于时间点1422521100的第一个值。+inf在Redis中表示正无穷大。
4结论
1．1天气在线商务营销模式分析
1)天气在线有偿服务的对象、方式和主要内容。其有偿收费项目的主要对象是企业用户，为其提供线上浏览的历史气象资料和14天天气预报会员服务及月、季度短期气候预测等，服务方式包括在线服务和发送邮件2种(表1)。从产品内容上讲，提供的气象信息站点多、要素全是天气在线网站的主要特点。2)天气在线主要的商务模式。一种是基于气象信息本身的专业气象服务盈利模式，提供两种气象服务收费模式:注册为会员和点击付费(表2)。还有一种商务模式是通过加载广告的形式，通过为客户各类网络广告或赞助其网站的有关栏目的方式盈利。天气在线在网站的每一页上都预留了广告位。客户的广告主要在网页的第一屏显示，其中旗帜广告在固定广告位(也是用户电脑屏幕上的固定位置)上显示。各城市预报页面和各国(地区)及中国各省页面都有广告位供客户选择。由于人们出差旅行时容易受到天气的影响，因此许多旅客在制定旅行计划前都会登录气象网站查询未来的天气信息。由此天气信息服务和商旅服务成了一条服务链上的上下游关系。根据对天气在线网站广告的分析，发现其广告客户主要分布在旅游(如旅馆、机票和旅游线路预订)、留学服务、医药、防晒用品(在紫外线预报页面)、电子商务等行业。
1．2气象商城与天气在线的比较
浙江天气网气象商城根据收费标准开辟3种类型的气象服务:一种是每月50～200元不等的小额支付气象服务;二是提供在线的气象信息查询服务;三是根据用户需要特别定制的行业专业气象服务，该类型的服务采用书面合同的形式签订，类似传统专业气象服务，服务模式采用定制网页形式。
1．2．1气象商城的优势
1)页面美化度高:由于天气在线页面广告较多，产品布局设计也较为杂乱，简洁、美化程度不如气象商城(图1).2)服务手段多样性强:天气在线主要通过在线浏览和邮件发送两种方式提供气象信息服务，而气象商城服务手段较多，除上述两种外还包括短信、传真、网页定制等方式。3)具有网上支付功能:气象商城支持网上支付，开辟了小额支付网络气象服务的先河。支持支付宝和银行转账功能，使得用户体验感更强。
1．2．2气象商城的不足
1)产品丰富度不足:与天气在线相比，气象商城缺乏较多基础产品，如全球城市预报、全球站点的多要素实况数据、全球站点的历史资料数据、亚洲主要海域的风、水温、波高、潮汐等要素的预报。2)商务模式灵活度不够:与天气在线独立的商业气象服务经营氛围不同，气象商城脱胎于气象部门，其商务经营受到更多的束缚。尤其在广告投放方面受国家主站的控制更为严格。
2公众需求对网上气象商城产品和营销模式的启示
近为进一步了解公众对网络气象服务的需求，通过网站、短信、发放问卷等形式，并结合中国气象局公共气象服务中心开展全国公众气象服务调查评价，对公众满意度评价因子和获取气象信息的渠道进行了重点调查，其结果对气象商城的产品设置和营销方式都有所启示。
2．1气象商城应主推准确性较高的短期预报产品和实况产品
调查中选择公众广泛关注的及时性、便捷性、实用性和准确性作为评价气象服务满意度和重要性的评价因子。结果显示:1)浙江省公众对气象服务便捷性的满意比例最高，达73．2%，其次是气象服务的实用性，达67．6%;对气象服务准确性的满意比例最低，仅为19．5%，但选择比较满意的比例最高，达59．6%。(图2a)2)浙江省公众认为天气预报的准确性最重要，远高于其他3项指标。但对其满意度评价最低，满意度仅为77．5分，明显低于对气象服务的总体评价。(图2b)图2气象服务满意度(a)和重要性(b)评价及对比从以上调查结果看，公众对预报产品的准确性最为关注，但同时满意度最低，说明现阶段影响公众对气象服务认可度的主要因素仍然是气象产品的准确性问题。因此在气象商城产品设计和宣传推广上一方面要主推准确性较高的短期预报产品或实况产品，同时突出更新频率、滚动预报的特点，以增强公众粘合度。
2．2气象商城的营销中应充分应用现有的手机和电视资源进行推广
在电视、广播、网络、手机、固定电话和其他等众多信息传播渠道中，55．4%的公众希望通过网络获得气象信息，低于手机的72．8%和电视的70．4%(图3a)。相比较而言，希望通过广播(31．4%)和固定电话(23．8%)获取气象信息的公众相对较少。进一步对网络渠道进行调查显示，客户端软件和搜索引擎搜索是浙江省公众希望通过网络获取气象信息的主要类型，二者的比率分别为38．6%和38．0%，而通过气象服务专门网站获取气象服务的公众仅为24．2%(图3b)。由此可见，手机和电视是浙江省城乡公众希望获取气象信息的最重要的渠道，但仍有超过一半的公众希图3公众希望望通过网络获取气象信息。超过3成的公众通过客户端和搜索引擎获取气象信息，仅有24%的公众通过专门的气象服务网站获取。以上调查结论表明，现阶段手机和电视仍是气象服务的主渠道，单纯的网站气象服务影响力和覆盖面还远远不够，在气象商城的商务模式中要尽量结合现有的手机和电视资源进行推广。同时在气象商城的营销中应充分运用客户端和搜索引擎。
3制定网上气象商城商务营销模式应注意的几个问题
3．1突出行业服务特色
气象产品以有价商品的形式进入市场，无疑面临着各种困难和问题，特别是与公众可以随时随地免费获取的公益产品不可避免的发生冲突。因此行业气象服务产品，必须针对不同行业对气象的不同需求，对气象产品进行深度开发，且要注意产品的包装、细化，只有具有针对性、个性化的气象服务产品以及优质服务才会拥有市场，才会实现与公共气象服务产品的区隔，并培植客户的粘性忠诚。
3．2力争软性广告盈利
利用中国天气网点、浙江天气网点击量及影响力排名，通过软性广告的形式为相关企业进行宣传推广服务:针对行业的气象服务产品设计开发时添加气象周边产品企业的宣介内容或链接、相关企业推介排名。
3．3探索外包合作方式
气象部门提供信源和产品，通过与专业网络营销公司的外包合作，推广气象商城，获取利润采取分成模式。或是直接与淘宝、京东等电子商城合作，围绕气象周边产品的生产、销售、流通等环节，寻求可能的合作盈利途径。
4网上气象商城营销推广的建议
4．1通过免费体验吸引用户
一段时间内向注册用户免费发送1～2种定制产品的信息套餐，以培养用户通过气象商城打包获取气象信息的习惯，引导顾客购买。为了维持和提高与顾客的良好关系，甚至可以提供一定的折扣或返利，提高顾客的满意度，增强其忠诚度。
4．2通过多种手段开展网络营销
通过付费搜索引擎、百度新浪等问答式社区、网址导航站、论坛软文推广、邮件营销等方式开展网络营销，进一步扩大气象商城的知名度和影响力。
4．3通过异业合作扩大覆盖领域
跟异业的合作可以扩大自己的推广渠道，因为与异业合作的时候，大家的客户是重叠的，两者的互换合作就可以把共同的消费者联系到一起，为促销活动带来一些比较好的资源，如与旅行社、旅游景点的合作等。
4．4充分利用气象部门现有资源开展其他形式的线上推广
1.1P2P传输模型在P2P传输模型中，各个节点所起的作用是对等的，一个节点（同一时刻）既可以是资源的提供者，也可以是资源的需求者，如图2所示。P2P技术将各节点互相结合成一个网络，共享其间的带宽、共同处理其中的信息。
1.2P2P协议P2P技术发展至今，产生了许多不同的文件共享协议，根据拓扑结构的关系可分为4种形式。（1）以Napster为代表的中心化拓扑，所有节点的位置关系依然需要中心节点的参与，可扩展性差。（2）以Gnutella为代表的全分布式非结构化拓扑，是一种纯粹的P2P网络，网络节点可以随意扩展，但可靠性较差。（3）以KaZaA为代表的半分布式拓扑，具备一组超级节点提供服务，支持复杂查询但是可维护性不高。（4）以BitTorrent为代表的全分布式结构化拓扑，自适应节点的变化，可扩展性、可维护性好。气象宽带网是一个结构稳定的网络，为了在减小中心节点压力的同时保证网络系统的可扩展性和可维护性，最适合采用BitTorrent协议。另外，BitTorrent协议采用数据块传输机制，支持断点续传，这种方式能够保障数据的完整性。
1.3P2P技术的优缺点P2P技术可以充分利用气象宽带网MPLS－VPN的网状结构，将中心节点分发压力分摊到各个节点上，利用所有节点的参与实现数据从单数据源到多目标节点的共享，如图3所示，针对国家级节点A需要向若干省级节点（至少大于1）共享数据，国家级节点会将数据拆分成若干数据包，分别传输给广东、湖北、河北3个省级节点，然后这3个节点再分别进行交换传输直到数据包接收完整。然而，在气象通信业务中直接使用现有的互联网P2P软件存在着一些不足：一是节点的可控性、可管理性差，网络中各个节点随时可能退出系统，共享交换的信息随时可能被删除或者被终止共享；二是节点间传输不可控，容易造成骨干网拥塞、网络流量风暴等问题。
1.4解决方案（1）内容可靠性。为了解决传统P2P传输中内容可靠性的问题，需要融合CDN网络［8］的思想，CDN的全称是ContentDeliveryNetwork，即内容分发网络。其目的是通过在现有的网络中增加一层新的网络架构，将中心节点的内容到最接近用户且服务能力最好的节点（即超级节点），使用户可以从超级节点取得所需的内容，解决网络拥塞问题，提高用户访问节点的响应速度。为了将P2P和CDN有机融合，设计了一种基于节点－服务器的模型（P2SP）：在一个共享网络环境中，保证有足够的服务能力较好的超级节点已经具备初始数据源能力，然后与所有节点进行共享。如图4所示，当国家级节点A需要向各省提供共享数据时，首先选择向国家级节点B和服务能力较好的北京节点进行数据拷贝，生成BitTorrent协议中的数据源，然后由这3个数据源节点同时向其他省级节点服务，各省级节点会根据实际网络状态选择优先连接的节点。这样做的好处在于解决传统Bit－Torrent协议可靠性差的问题。（2）传输控制。为了解决P2P技术中节点间传输不可控的问题，需要在BitTorrent协议基础上，在软件中合理设置和调整节点间传输的最大上行和下行速率，避免网络流量风暴和拥塞问题。
2应用实现
2.1功能组成基于P2P的气象数据共享应用主要目标是实现从单一资料源节点以BitTorrent协议将资料共享给网络中所有的节点。从逻辑上由以下几部分构成：（1）数据服务器，保存需要共享气象数据的一份原始拷贝，又称为种子。该数据服务器和业务系统存在接口，实时获取并更新种子，气象数据可以按照指定的目录进行存储。每一组共享传输试用特定的P2P通信端口。（2）torrent文件，即种子文件，记载BitTorrent协议的相关信息。BitTorrent软件负责制作和生成种子文件，逻辑上把将要共享的数据文件重新编排，然后按照议约定的256KB大小进行切割，最后将编排和切割后的索引信息存放入torrent文件中。（3）Web服务器，用于存放和分发种子文件。（4）Tracker服务器，保存整个P2P网络信息的中心服务器。（5）节点客户端，负责定时或根据需要从Web服务器下载并解析torrent文件，实现P2P方式数据的共享传输。节点客户端通过与Tracker服务器以HTTP协议进行交互，能够得知网络中已下载完成的节点数以及正在下载的节点数，每个节点的IP地址和端口号等。节点客户端（A）与另一个节点客户端（B）建立TCP连接过程如下：A首先向B发送握手消息，等待B返回相同格式的握手反馈信息，达到完全握手状态。与此同时每个节点客户端都需要维护一张所有与自己连接节点的链表。
2.2应用流程基于P2SP的气象数据共享应用流程如下。（1）中心节点源数据制作并：中心节点从逻辑上包括数据服务器、Tracker服务器和WEB服务器，中心节点需要将所有需要共享的数据组织成torrent文件并到Web服务器上，如图5中流程①②③。（2）超级节点获取torrent文件并获得原始拷贝：中心节点临近的超级节点会首先获得种子文件和完整的共享数据从而成为超级节点。如图5中流程④⑤。（3）所有节点参与共享：各节点客户端会实时下载torrent文件并进行解析，然后从中心节点或超级节点下载数据片段并从其他节点获取余下的片段，如图5中流程⑥⑦⑧。
3业务试验和比较
考虑到实时气象业务的不可中断性，不可能在全国31个省级节点实际业务环境开展大规模的试验。针对P2SP技术在气象业务中应用的性能评估，采用网络仿真和小规模的比较试验成了最佳可供选择的测试和验证方法。
3.1可行性模拟验证PeerSim是意大利博洛尼亚大学开发的基于生物启发技术的P2P模拟器［16］。PeerSim由配置管理器、网络拓扑对象、结点对象、协议对象、动态对象、观察对象以及模拟引擎对象等组成。PeerSim是一个模拟P2P覆盖网络的软件，支持结构化和非结构化P2P网络模拟。通过BitTorrent协议的修改和部署，实现了基于P2P的仿真试验。使用PeerSim模拟BitTorrent协议从1个中心节点向固定的30个节点共享100000KB数据的表现情况。100000KB的文件将被拆分成391块（390×256KB＋160KB＝100000KB），限制上传、下载速率不超过100KB／s。在试验的时候，为了模拟P2SP场景，随机选取了部分节点作为超级节点。试验结果表明，在1800s内这些数据完成了全部节点的共享拷贝。经过10次的模拟，所获得的试验结果相似。
3.2性能比较试验为了评估该应用在实际业务中效率以及稳定性，搭建了一个利用中国气象局局域网环境的试验平台，有针对性的开展一系列试验。由于P2P需要多节点的参与，因此在试验中除中心节点外至少选择2个节点参与。现在国内通信传输业务比较多的使用AFD，它是一个自动的支持多协议的本地和远程数据收发软件，在气象通信系统中目前使用较多的还是AFD的FTP协议。AFD支持并发传输，因此在进行单数据源多目标节点分发时，会通过消耗中心节点的资源获得传输效率。为了使两种应用具备可比性，通过软件功能限制中心节点平均速率，并且AFD的传输并发数设置为1，P2SP传输应用也设置为1个TCP连接。（1）数据总量对于传输效率的影响。在测试中选择文件大小为1MB至300MB的数据文件。当子节点个数为4时，两种应用传输效率结果如图6，测试次数为3次，结果取平均值。当数据量逐步增大时，在中心节点同等网络流量条件（不超过1MB）下，当数据文件大于10MB时，P2P应用传输效率优于AFD应用。从理论上分析，P2P应用通过子节点之间的网络流量消耗换取了效率的提高。在数据总量较小时，由于P2P应用还存在节点相互握手和与Tracker服务的交互访问导致效率低于AFD应用，而当传输大文件时，P2P应用对提升多节点互传的效率起到明显的作用。（2）节点个数对于传输效率的影响。为了与实际业务场景更接近，进行大量小文件在不同节点数条件下的传输测试，选择单个文件大小在50B～150KB的总大小约28MB的1000个小文件，这些文件被打散分布在至少3级层次的目录中。子节点个数分别设定为2～6个，将3次测试的平均结果记录在图7中，可以看出：当节点个数逐步增大时，在中心节点相同网络流量条件下（不超过30KB），AFD应用的传输时间成线性增长，而P2P应用随节点增多产生了明显的加速效应。
3.3小规模业务试用通过可行性模拟验证和性能比较试验，基于P2P的气象数据共享应用可以满足单数据源多目标节点的气象数据共享需求，并且在不增加中心节点资源消耗的情况下随着数据量和目标节点增加，P2P的传输效率也随之提高。考虑实际业务应用效果，我们将该应用部署在气象宽带网的部分省级节点上开展小规模业务试用。选取北京、四川、河北、广东、湖北、内蒙等省级节点，在MPLS－VPN网络中使用PC服务器进行试验，操作系统为SUSELinux，选择实时卫星资料进行传输，各节点传输速率控制在1MB／s内，试验结果表明，全部数据在150s内完成了176MB文件在所有省级节点的传输。此外，在相同的网络环境下，我们还进行了气候模式数据文件的传输试验，模式数据量为2GB，在各节点传输速率控制在1MB／s内时，P2P用时20min完成了全部数据在6个省级节点的共享传输。而对于AFD应用，采用单线程方式，即使不限制中心节点传输速率，全部共享完所有数据耗时也超过了1h。利用P2P技术的一个附加好处是：不需要对共享的目录结构进行传输配置，因为P2P应用将所有目录信息都记录在torrent文件中，接收端的目录结构和发送端的目录结构在默认情况下会保持一致。而AFD应用必须逐一配置指定路径来保证资料传输到目标节点的对应目录，当目录数过大时容易导致中心节点配置错误。
4结论
在狭义相对论中，两惯性系相对速度与和平行
（1）
（）为坐标系的坐标，（）为坐标系的坐标，令，，所以变换矩阵为
（2）
如果;,相对速度不变，那么
(3)
比较与
（4）
（5）
比较后知道（4）式=（5）式
（6）
二。时空观测的定义
为了较方便地说清楚不同的观测结果与不同坐标中长度与时间的相互比较
的关系，在字母顶部加3个指标，
如：
定义为：左边指标为观察目标所在的坐标系，中间指标为观察者选择的单
位长度与时间所在的坐标系，右边指标为观察者观察时所在的坐标系。这样有：
其中，和是固有时，与是固有长度。
三。的推导
在狭义相对论中有
(6.1)
那么，在什么条件下上式会是普适的呢？
先来考察欧几里德几何。对观察者而言，在欧几里德几何中的二维空间的坐
标中，观察到的单位长度，与在欧几里德几何中的二维空间坐标中，
观察到的单位长度。观察者是无法在长度方面区别和的，即
（7）
这是欧几里德几何的观察者假设，也是符合经验的假设，以前从未被指出过。
根据相对论，在四维时空坐标中，时空量表示为：
（8）
广义相对论中的不变量原理确定了，任意四维时空坐标都有（8）式。
现在，在非欧几里德的四维时空坐标中，推广欧几里德几何的观察者假设。
先定义一种四维时空坐标，在观察者观察的时间内，这个坐标内的时空度规
时间平移不变性和空间平移不变性，令ξ为坐标内时空场ξ=
ξ,(i=1,2,3,4)，表示为李（Lie）微商有
?ξgμυ=0（9）
而
（10）
如果所取的时空体积足够小，即，那么总可以成为这种坐标。这种坐
标具有普适性。
在四维时空中,随意取两个这种坐标和，观察者在坐标内所观察到的单
位时空量和，如果观察者不与坐标外其他坐标比较的话，他是无法在
时空量方面区分他在和坐标内观察到的单位时空量和（观察者在坐标内观察时，也不能与坐标内的比较。他只能分别观察和后，再比较和）。这是四维弯曲时空的观察者假设。即观察
者无法区分不同的这种坐标系的固有时间和固有长度。
这样观察者可以得到
（11）
令，，得：
（12）
（12.1)
由（9）式和（10）式的定义，观察者总能认为他所在的坐标系内满足
（13）
（14）
那么有
（6）
因
所以有相同的量纲。
所以可以，令
（15）
（16）
那么有
（15.1)
(16.1)
所以
(17)
而在上述定义的坐标系中，总有
（18）
所以（19）
这样就有在上述定义的坐标系中，时间量平方的变化量与空间量平方的变化
量相等。这就是时空的对称变化。可写为
（6）
这里称为时空对称理论。上式的空间量是固有长度和，时间量则
不是固有时，固有时和有下列关系：
（20）
而和不符合中的任一
种时间量的微分，故
（16）
不是真实观测值。
四。Schwarzchild解的分析
用时空对称理论求解Schwarzchild解十分简单，在得到后，因
（19）
可得
（15.2)
(16.1)
(13.1)
下面用广义相对论四维时空标架求解Schwarzchild解，并比较时空对称理
论用四维时空标架求解Schwarzchild解的办法
（t=ict,c=1)(21)
这是静态球对称度规的标准形式。
在求解过程中得到
，（22）
令，得到
（23）
令，其物理意义是将绝对平直坐标系内的固有时与固有长度之间
物理条件，应用到有引力场的非惯性坐标系。
因此
（16.2)
不是真实观测值。
而固有时与之间有
（20.1)
这样与固有长度的度规有
（24）
又因为对观测者而言项是观测不到的，所以观测到的是正交时空
坐标，这样静态球对称度规的标准形式：
（t=ict,c=1)（21）
不符合要求，只有
（25）
符合要求。
计算克里斯朵夫联络的非零分量，其中
，，，
，。
与经典的求解Schwarzchild解的计算值一样。
（26）
也与经典的求解Schwarzchild解的计算值一样，也可得
，（22）
令，Schwarzchild解中的长度量，用固有长度表示有
（23.1）
用时空对称理论求解Schwarzchild解有
（13.1）
因为项观测不到，任何观测坐标都是正交的。
不变，
（其中的r是远离引力场的观测者的观测值，）
这样，时空对称理论依旧可解释引力红移，引力引起的光线偏折和水星近
日点进动（详细内容在附录中）。
这样，用时空对称理论和广义相对论求得的Schwarzchild解时空物理意义
等价。
五。关于Kerr解
Kerr解中不全为0，不是真实观测解，不能符合用四维时空的观
察者假设推导出的时空对称理论。
但用时空对称理论分析自转坐标系，也能得到Kerr解才有的单位质量的角
量a，这将在下面分析。
六。时间量和空间量
经验告知，空间是三维的，时间是一维的。在观测者的直接观测中，是观
测不到空间与时间，空间与空间的相互作用。
故假定：观测者通过直接观测，无法观测到空间与时间的相互作用量。即：
(27)
除非通过计算观测结果，方可知道空间与时间的相互作用量。
这样，对观测者的直接观测而言，任何观测四维时空的线元长度为
(13)
而项是观测不到的。
绝对平直时空的四维时空线元
（13）
就是任何观测者的直接观测结果。
设有一种坐标系：
在该坐标系内任何一点观测，光在此坐标系内的任何两点的行走路径，都
是直线；在坐标系内任意点的真空中光速恒定，称为相对平直坐标系。在弯曲时
空取足够小的时空范围，可得到此类坐标系，这类似微分。在弯曲时空取足够小
的时空范围，该范围的时空近似平直。这与上面关于直接观测是观测不
到项是一致的。在此坐标系内有统一的时空单位和统一的钟和尺。
所以，此坐标系有：
（28）
[v]是指此坐标系内任意点真空中光的速度，[t]是指此坐标系内任意点的
时间。
以后本文中的坐标系都是此类坐标系。称为相对平直坐标系。
不同的相对平直坐标系之间是"平行"的，须通过物理参数的变化，物质方
能从一个相对平直坐标系进入另一个相对平直坐标系。
（29）
（29）是时空对称理论，即时间量平方的变化量与空间量平方的变化量相等。所
用的坐标系是相对平直坐标系。其中和不是固有时，设这两个坐标系
固有时为和，有：
（30）
所以，这里的时间量平方与空间量平方不能理解为：
可用时间单位或空间单位的平方代替，而应理解为类似密度的一种量，称为时
间量密度与空间量密度。时空对称理论是指时间量密度与空间量密度的对称变
化。
令时间量密度为，空间量密度为，
类比固有时平方的倒数，并可以替代；
类比固有长度平方，并可以替代；
（分别为固有时和固有长度）
令时空密度为，不同的相对平直坐标系有不同的时空密度，任意相对平直坐标系中有
（31）
在同一个相对平直坐标系中，类比线元，但是不可以替代。
不同的相对平直坐标系比较时空观测值时，须使用时间量密度和空间量密
度，通过设定某一相对平直坐标系时间量密度和空间量密度为1，得到不同的相
对平直坐标系的不同时间量密度和空间量密度。然后，对不同的相对平直坐标系
换算出不同的时间量和空间量单位。
这样时空对称理论实际上是关于时空密度的变化的理论，可表示为：
（32）
为不同的两个相对平直坐标系时空密度，为时空密度的变化量。
七。时空密度的变化量
在狭义相对论中
（33）
在Schwarzschild解中
（c=1）(34)
引力（35）
根据等效原理有惯性质量等于引力质量，或在局域时空内惯性力和引力不
可区分，在本文中局域时空为相对平直坐标系代替，那么在相对平直坐标系中
（36）
（37）
（38）
所以有：
（39）
在狭义相对论和Schwarzschild解中
（33）
那么，时空对称理论中，时空密度变化量，在时，
（33）
这样（37）
变为（40）
此积分为不定积分。
这里是能量的一种形式。用四维时空观点看，是二阶逆变二阶
协变张量而不是狭义速度矢量的平方。
时空对称理论在时表示为
（41）
为须观测的坐标系的时空密度；为观测者所在的坐标系的时空密度，时间密度，空间密度；是能量的一种形式。哪个坐标系绝对地得到能量，这个坐标系的时空密度绝对地改变。
八。时空对称理论和狭义相对论
假设两个相对平直坐标系，一个静止，一个角速度为做圆周运动。
用时空对称理论分析
(42)
对于角速度为的坐标系，离心力为（r为圆周半径），
即（43）
（44）
所以，时空密度的变化量为
（45)
有（46）
对于固有时和固有长度有
（47）
用狭义相对论分析固有时和固有长度有
（48）(是速度方向）
可以看出两理论对固有时有相同结论；对于固有长度，时空对称理论认为
固有长度全方向改变，狭义相对论认为只是平行瞬间速度方向的固有长度
改变。
用时空对称理论和狭义相对论分析以速度v做直线运动的坐标系也有相同
结论，只不过时空对称理论将以速度v做直线运动的坐标系当做绕无穷远处某
点做圆周运动。
对于迈克耳逊-莫雷实验，狭义相对论是用惯性系中光速恒定来解释，时空
对称理论是用相对平直坐标系中光速不变来解释。
九。时空对称理论的详细表述
假设1：设有时空坐标系
(28)
（即光速恒定,项观测不到）
是指此坐标系内任意点光的速度，指此坐标系内任意点的固有时。
此类坐标系称为相对平直坐标系。
假设2：任何观测者所观测到的真实时空坐标系都是相对平直坐标系。
不论是惯性系或非惯性系，只要坐标系足够小，都是此类坐标系。
相对平直坐标系之间比较时空量，使用时空密度
（31）
是时间密度，是空间密度。
在任一相对平直坐标系中，观测者处在相同的时空密度中，就有相同
的时间密度和空间密度，因而有相同的固有时和固有长度。
的大小正比于固有时流逝的快慢。
的大小正比于固有长度的长短。
时空对称理论可表述为
(32)
为不同相对平直坐标系的时空密度。
当，有（42）
(40)
用四维时空观点看是二阶逆变二阶协变张量。
时空对称理论认为是能量的一种形式，而不是狭义的速度平方或加速
度，或二阶逆变二阶协变张量，上式的积分为不定积分。
当能量形式绝对的改变，时空密度绝对的改变。
十。时空对称理论对不同坐标系之间的观测比较
时空对称理论对不同坐标系之间的观测比较可简单的分为两种情况。其计
算结果是真实观测值。
1。两个相对平直坐标系,比较，有时空密度，
假设：
那么：（42）
为两坐标系时空密度的比较
坐标系的固有时比坐标系的固有时流逝快。
坐标系的固有长度比坐标系的固有长度长。
并通过（40）
与经典的速度，引力和加速度对比，从而得到不同坐标系的固有时和固有
长度的区别。
2。设有三个坐标系，时空密度分别为，
假设
有
（32.1)
(49)
其中（,）
不论观测者在坐标系都将得到（49）式观测结果，观测者在第四坐标系也将得到（49）式观测结果，这是时空对称理论中所得计算结果是真实观测
值的推论，也是时空对称理论的两个假设的推论。
十一。关于时空对称理论可能的实验证实
一种是检测高速自转物体的半径和厚度是否缩短？
这种情况下，狭义相对论认为只有沿速度方向的周长缩短，半径和厚度不
变。而时空对称理论认为周长，半径和厚度都将缩短。半径缩短后为
（略去以后项）（49）
项与Kerr-Newman解中的单位质量角动量项a一致。
厚度缩短后为
（50）
另外一种是一个加速运动坐标系与相对静止的坐标系之间，在的情况下，将有时空密度的变化。
那么，当发射光谱的元素做加速运动时，将有类似引力红移的光谱红移现
象。
如果，是发射光谱的元素静止，而观测光谱的仪器和观测者做加速运动，
将有光谱紫移现象。
除去多普勒效应，由振动频率公式可得，光谱线发生红移时，移动的频率
为：（51）
是光子的固有振动频率
很显然，对于相对平直坐标系中的物体而言，当时，物体进入类似黑洞事件视界的另一种事件视界。
参考文献
A.爱因斯坦相对论的意义科学出版社1961
E.G.哈里斯现论物理导论上海科学技术出版社1975
张镇九现代相对论及黑洞物理学华中师范大学出版社1986
王仁川广义相对论引论中国科学技术出版社1996
俞允强广义相对论引论北京大学出版社1997
赵峥黑洞的热性质与时空奇异性北京大学出版社1999
附录
（用时空对称理论解释光子轨线的引力偏折和水星近日点进动）
广义相对论中求质点和光子的轨道方程时，取球坐标，认为运动满足于
,（1）
协变动量和是守恒量，有
（2）
E和L的物理意义，为观测者所测到的质点或光子的能量和角动量。
四维速度的归一条件有
（3）
得到质点的轨道微分方程
（4）
光子的轨道微分方程
（5）
广义相对论用这两个轨道微分方程解释了光子的引力偏折和水星近日点
进动。
广义相对论用来解释引力红移的方法也一样适用于时空对称理论。这里
就不重复了。只讨论时空对称理论解释光子轨线的引力偏折和水星近日点进动。
因为时空对称理论是用真实观测值来解释时空的理论。用它得到的Schw-
arzschild解有
（6）
（7）
固有时的关系有
（8）
固有长度的关系有
（9）
为时空密度，为时间密度，为空间密度。
按固有时和固有长度来看，观测者在远离引力场的坐标系，观测引力场坐
标系有
（10）
是引力场坐标系固有时，是远离引力场的坐标系固有时，是引力场坐标系运动平面角。这样就有
（11）
因为两个坐标系之间的能量，角度，角动量和长度的比较有
（12）（能量守恒）
（13）（项为零）
（14）（坐标系之间固有时和固有长度的比较）
（15）（坐标系之间固有长度的比较）
代入（11）式有
（16）
四维速度的归一条件变为真实观测值有
（17）
将（16）式代入（17）式有
(18)
,这就是时空对称理论的引力场中的轨道微分方程。
能量E是远离引力场中的观测者观测到引力场中的能量，为引力场坐标系与无穷远处坐标系的能量差，数量级为略去二级小量，时空对称理论的轨道微分方程成为相对论的质点轨道微分方程
（4）
对于光子而言，角动量，因为光子在弱引力场中走的几乎是直线，
可以认为光子绕无穷远处某点做圆周运动。
（4）式略去小量后，得到相对论的光子轨道微分方程
（5）
这样，用时空对称理论就可以解释引力红移，光子轨线的引力偏折和水星日
点的进动了。
参考文献
A.爱因斯坦相对论的意义科学出版社1961
张镇九现代相对论及黑洞物理学华中师范大学出版社1986
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