西藏地區(qū)多普勒天氣雷達資料的自動處理和入庫

李春艷, 來志云, 次仁措姆, 劉 勇

(西藏自治區(qū)氣象局信息網(wǎng)絡中心,西藏拉薩850000)

0 引言

目前,如何提高暴雨、冰雹、大風等災害性強對流天氣系統(tǒng)臨近預報的準確率,是大氣科學熱點之一,也一直是大氣科學中的一大難題,主要困難是對這類空間尺度上百公里乃至幾十公里的強對流系統(tǒng)的三維結構、發(fā)生發(fā)展的機理,甚至在強對流云團中發(fā)生了什么樣的微物理過程都了解甚少[1-3]。在探測人類賴以生存的大氣的各種實踐中,天氣雷達以其高時空分辨率、及時準確的遙感探測能力成為災害性天氣,特別是在中小尺度災害性天氣監(jiān)測和短時天氣預報等方面成為極為有效的工具。隨著美國新一代天氣雷達NEXRAD(Next-Generation Weather Radars)WSR-88D(Weather Surveillance Radar-1988 Doppler)在20世紀90年代業(yè)務布網(wǎng)的完成,對基于多普勒雷達資料的短時臨近預報給予了極大的關注,使短時災害預報技術取得了很大進展[4]。

根據(jù)《我國新一代天氣雷達監(jiān)測網(wǎng)站點布局方案》,中國已完成126部新一代天氣雷達的建設,從而構成中國新一代天氣雷達的業(yè)務探測網(wǎng),截止2011年,西藏地區(qū)共建成拉薩、日喀則、林芝和那曲4部C波段多普勒天氣雷達。由于4部多普勒雷達現(xiàn)在只是單站單點使用,豐富的資料沒有實現(xiàn)全區(qū)共享,導致多普勒天氣雷達的強大功能沒有完全發(fā)揮,基于上述考慮,2008年在西藏氣象科研主管部門的牽頭下,由信息網(wǎng)絡中心組織開展了《西藏地區(qū)多普勒雷達資料管理平臺》項目建設,經(jīng)過一年多的開發(fā)建設工作,項目已正式投入業(yè)務運行,實現(xiàn)了西藏地區(qū)多普勒雷達資料的管理、應用及共享。

1 系統(tǒng)運行環(huán)境及開發(fā)工具

系統(tǒng)采用Windows系統(tǒng)(Windows 2003 Sever/Windows-xp)作為網(wǎng)絡操作平臺系統(tǒng),具有用戶熟悉的圖形界面,對各種應用軟件都能夠提供良好的支持、兼容性。系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境是以C++BUIDER 6.0作為開發(fā)平臺,雷達數(shù)據(jù)庫的建庫、插入、修改、刪除等結合SQL語言實現(xiàn),考慮到氣象部門的實際情況和后期網(wǎng)頁開發(fā)的需要,雷達資料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是目前廣泛使用的MYSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。雷達基數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮通過在系統(tǒng)中嵌入WINZIP軟件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)主要功能

西藏自治區(qū)的新一代多普勒雷達在布點時由于受資料生成顯示軟件和通信網(wǎng)絡條件的制約,4部多普勒雷達只能單站單點使用,沒有實現(xiàn)雷達資料全區(qū)共享。中國氣象局網(wǎng)站上的部分GIF圖像格式的雷達產(chǎn)品,在資料的時效性和信息量方面與雷達觀測本站相比都存在較大差距。為了解決此問題,充分發(fā)揮多普勒雷達的強大功能,研究設計了全區(qū)多普勒天氣雷達資料的自動處理和入庫系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有:

(1)多普勒天氣雷達資料的實時監(jiān)控和接收;

(2)多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)的顯示處理;

(3)多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)及圖形產(chǎn)品的自動入庫。

3 系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)

通過對系統(tǒng)需求的詳細設計和分析,把多普勒雷達資料的實時接收處理過程作為研究對象,在細化過程的同時確定每個子系統(tǒng)的實現(xiàn)功能。下面以系統(tǒng)主要功能模塊為例,簡要介紹系統(tǒng)的開發(fā)思路和實現(xiàn)方法。

3.1 多普勒天氣雷達資料的監(jiān)控和接收模塊

模塊監(jiān)控和接收兩種多普勒天氣雷達資料,一種是基數(shù)據(jù)文件,每個雷達站6分鐘左右生成一個,文件大小為12M 左右;另一種是GIF格式圖片文件,每個雷達站1小時生成5個,分別為1小時降水量、液態(tài)含水量、徑向速度、組合反射率和基本反射率。

采用目錄監(jiān)控技術(findfirst函數(shù)和findnext函數(shù)相結合),實時監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸服務器中指定的多普勒雷達資料接收目錄,一旦發(fā)現(xiàn)有新的文件,則判斷是否為雷達基數(shù)據(jù)文件或GIF圖片文件,如果是則記錄其文件名、文件大小和文件生成日期等信息,并將該文件移動到指定目錄,為下一步處理作好準備,具體例程如下:

3.2 多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)的顯示處理模塊

3.2.1 多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構

多普勒天氣雷達可以探測降水的分布、強度和降水云系的垂直結構,還可以測定降水粒子的徑向運動速度,并通過這種速度信息推斷風場結構特征。西藏自治區(qū)的多普勒雷達采用成都784廠生產(chǎn)的CINRAD/CD雷達。

一個多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)(體掃數(shù)據(jù))資料由基本數(shù)據(jù)和探測數(shù)據(jù)兩部分構成,基本數(shù)據(jù)包括站址基本情況、性能參數(shù)、觀測參數(shù)等,數(shù)據(jù)位于文件頭部。探測數(shù)據(jù)記錄雷達波束探測到的降水粒了反射信息,其存放結構如下:

struct DATA{

unsigned char m-dbz;//強度值,實際dBz=(m-dbz-64)/2;

unsigned char m-vel;//速度值,實際Velocity=最大可測速度*(m-vel-128)/128

unsigned char m-undbz;//無訂正強度值,實際dBz=(m-undbz-64)/2;unsigned char m-sw;//譜寬值,實際sw=最大可測速度的256分之一

//無回波時為零。

};

西藏自治區(qū)的多普勒雷達信息按照極坐標方式采集存儲,以250m為1個探測數(shù)據(jù)記錄單位,1條波束可以采集1000個記錄,即一條波束探測半徑可以達250km,雷達掃描1周探測360次,可采集36萬個記錄,雷達1次體掃設定9個探測角度,所以1次體掃能采集探測數(shù)據(jù)為9×360×1000個記錄。

3.2.2 多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)圖像畫面的布局和物理量彩色色標

多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)圖像顯示的內(nèi)容應包括省(區(qū))名、站名、產(chǎn)品名稱,觀測的各種參數(shù)(如時間、觀測仰角、觀測距離標尺)、圖像的色標和物理量單位名稱,及附屬數(shù)據(jù)(或附屬圖像),整個畫面由640×480象素組成。圖像區(qū)大小為480×480,用來顯示回波圖像或產(chǎn)品圖像。其他部分用來顯示雷達站名、雷達型號、觀測時間、仰角(或方位角或高度)及量程范圍以及色標和附屬數(shù)據(jù)(圖1)。圖像一般采用以雷達天線為中心的直角坐標系。地心到天線所指方向為垂直方向,過天線與地球相切的平面為水平面,此面與天線經(jīng)度面的交線為南北方向。

多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)圖像顯示的物理量有回波強度、徑向速度、譜寬及無訂正回波強度。雷達顯示圖像中的物理量按其性質(zhì)可分為兩類:一類是量值變化可出現(xiàn)正值和負值,如徑向風速,另一類量值只出現(xiàn)正值,如回波強度、譜寬。相應的圖像的色標也相應分成兩類.為了便于業(yè)務人員使用,基數(shù)據(jù)圖像采用彩色顯示,并且彩色顯示方案采用中國氣象局規(guī)定的統(tǒng)一標準(表1、表2)。

圖1 多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)圖像畫面的布局

表1 適用于徑向速度的彩色表

表2 適用于回波強度、速度譜寬的彩色表

3.2.3 多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)圖像的地圖疊加

地圖疊加時利用了MICPAS3系統(tǒng)中西藏各縣的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)(行政區(qū)界),通過坐標變換,將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)變換到直角坐標系后,再進行疊加,如圖2所示。

圖2 拉薩雷達站的地圖疊加

3.2.4 多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)圖像的自動生成

在掌握了雷達基數(shù)據(jù)存貯格式,確定基數(shù)據(jù)圖像畫面的布局和物理量彩色色標,以及地圖的疊加方式后,可自動生成基數(shù)據(jù)圖像產(chǎn)品如圖3～圖6所示。另外考慮到BMP圖像格式占用磁盤空間大,系統(tǒng)自動將BMP格式轉(zhuǎn)換為JPEG格式存放(可節(jié)省10倍左右存貯空間)。具體例程如下:

TJPEGImage*jpg=new TJPEGImage();

jpg-＞Assign(Form1-＞Image1-＞Picture-＞Bitmap);

jpg-＞CompressionQuality=80; //設置圖像質(zhì)量80%

jpg-＞Compress(); //圖像壓縮

jpg-＞SaveToFile(file-out); //生成JPEG圖像

delete jpg;

3.3 多普勒雷達基數(shù)據(jù)及圖形產(chǎn)品的自動入庫模塊

3.3.1 雷達資料數(shù)據(jù)庫設計及庫表結構

雷達資料數(shù)據(jù)庫的設計充分考慮了雷達資料的特點,如:數(shù)據(jù)量大、產(chǎn)品種類多、屬性復雜;實時性要求高;具有廣泛的用戶群體等以及用戶的需求;系統(tǒng)的軟硬件配置;系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護性和可移植性等因素,使系統(tǒng)具有良好的可伸縮性。針對不同的雷達數(shù)據(jù)類型,設計了以下4種數(shù)據(jù)庫表:

(1)基數(shù)據(jù)表

(2)基數(shù)據(jù)圖像產(chǎn)品表

(3)接收的1小時1次的GIF格式圖像表

(4)歷史基數(shù)據(jù)表

為了以后查詢、檢索和下載等操作的方便,各個數(shù)據(jù)庫表在結構上都包含了日期、時間、資料類型、站名、目錄名、文件名以及一些預留字段。

3.3.2 歷史多普勒雷達基數(shù)據(jù)的壓縮存貯

一部多普勒雷達大約每6分鐘完成1個體掃,生成1個12M的基數(shù)據(jù)文件,1天將產(chǎn)生240多個基數(shù)據(jù)文件,這樣1天的數(shù)據(jù)量將達到2.8G,而全區(qū)4個雷達站總的數(shù)據(jù)量將達到10G以上,這將對目前的網(wǎng)絡通信和計算機存貯容量形成較大的壓力,同時也不便于雷達資料的共享使用。為此,系統(tǒng)先將歷史多普勒雷達基數(shù)據(jù)按站按天歸類,然后將每站每天所有的基數(shù)據(jù)自動壓縮成一個文件,并按站號和日期進行編號,方便以后的檢索、查詢和下載。

這里基數(shù)據(jù)的壓縮是通過在系統(tǒng)中嵌入WINZIP軟件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)實現(xiàn),壓縮效率比較高,壓縮后的文件大小平均僅為原文件大小的1/20。

3.3.3 雷達數(shù)據(jù)自動入庫和維護

雷達數(shù)據(jù)的自動入庫和維護利用MYSQL提供的C++數(shù)據(jù)接口,采用C++BUIDER6編程解決。

自動入庫例程如下:

MYSQL mysql,*sock;

typedef unsigned int SOCKET;

MYSQL-RES*res;

char qbuf[512];

mysql-init(&mysql);

sock=mysql-real-connect(&mysql,″localhost″,″root″,″111111″,″product1″,3306,NULL,0);

mysql.reconnect=1;

if(!(res=mysql-list-tables(sock,NULL)))

{

}

mysql-free-result(res);

sprintf(qbuf,INSERT-QUERY,sta-num,mdate,mtime,dir2,file-name,″1″,level);

mysql-query(sock,qbuf);

mysql-close(sock);

4 結束語

目前,西藏全區(qū)共建成了拉薩、日喀則、林芝和那曲四部C波段多普勒天氣雷達。但豐富的資料沒有實現(xiàn)全區(qū)共享,多普勒天氣雷達的強大功能沒有完全發(fā)揮。基于此,在Windows操作系統(tǒng)平臺下,采用C++BUIDER6.0作為開發(fā)工具,結合MYSQL數(shù)據(jù)接口技術、WINZIP軟件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)、目錄監(jiān)控技術以及利用MICPAS3系統(tǒng)中西藏各縣的經(jīng)緯度數(shù)據(jù),研究設計了全區(qū)多普勒天氣雷達資料的自動處理和入庫系統(tǒng)。初步實現(xiàn)了:(1)多普勒天氣雷達資料的實時監(jiān)控和接收;(2)多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)的顯示處理;(3)多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)及圖形產(chǎn)品的自動入庫。為下一步實現(xiàn)全區(qū)共享多普勒雷達資料打下良好的基礎。

[1] 萬玉發(fā).聯(lián)合雷達網(wǎng)和衛(wèi)星定量監(jiān)測與預報長江流域大范圍降水[J].應用氣象學報,1998,(9):94-103.

[2] 伍志方,張春良,張沛源.一次強對流天氣的多普勒特征分析[J].高原氣象,2001,20:202-207.

[3] 姚祖慶,黃炎.上海地區(qū)強對流短時預報工作流程及其應用[J].氣象,2000,26:15-18.

[4] 邱崇踐,余金香,Xu Q.多普勒雷達資料對中尺度系統(tǒng)短期預報的改進[J].氣象學報,2000,58:244-249.