新一代多普勒天氣雷達網探測數據對比分析系統

摘 要：多普勒天氣雷達探測資料具有很高的時空分辨率，在局地強降水、暴雨、颮線、冰雹、龍卷、雷暴、暴雪和登陸臺風等災害性天氣的臨近預報和三維精細結構研究中發揮著越來越重要的作用。我國從1998年布設新一代多普勒天氣雷達（China new generation Doppler weather radar，CINRAD），日前已經有近150部天氣雷達業務運行，極大地提高了強對流大氣的監測和預警能力。即將建成的包含216部地基多普勒天氣雷達的觀測網，基本實現對我國東部和中部地區天氣系統的無縫觀測以及西部部分地區的監測。高質量的雷達組網數據是充分發揮天氣雷達作用的基礎；為了提高新一代多普勒天氣雷達觀測網數據質量和雷達數據應用水平，必須對組網雷達觀測數據的可靠性和一致性進行系統性研究，這也是新一代多普勒天氣雷達探測數據三維組網拼圖應用的基礎。如果兩部天氣雷達在相同觀測時間段內對相同空間的探測數據差異很大，此時組網拼圖數據就失去了意義，后續天氣預報和科學研究也無從談起，建立多普勒雷達網探測數據實時對比客觀評估處理系統，對全國天氣雷達觀測網數據進行實時處理，對比分析相鄰雷達之間探測數據的異同，以便及時發現并解決雷達運行中的相關問題，這有利于提高天氣雷達網數據的質量，更好地開展基于組網雷達拼圖數據的臨近預報和相關科學研究。

關鍵詞：雙線性插值算法；等距離線；雷達拼圖；軟件系統

中圖分類號：TN959.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 20-0000-02

近些年，國外開展了組網雷達探測數據對比理論和方法的研究。芬蘭氣象局從20世紀90年代開始對北歐天氣雷達（Nordic Radar，NORDRAD）網觀測數據進行對比分析研究早期使用相鄰兩部雷達低仰角（0.5°）的觀測數據進行分析，基于此對比方法的軟件已經在瑞典和芬蘭國家氣象局業務運行多年；但對比的兩部雷達低仰角層數據處在兩個不同的空問錐面內，其準確性較差。目前，改進了對比方法，對相鄰雷達體積掃描數據網格化后進行對比；其主要缺點是：在垂直方向對兩部雷達數據的約束較弱；沒有設定兩部雷達探測數據的比較閾值，從而不能濾除地物雜波、晴空回波和超折射回波等異常回波，影響對比結果的準確性；也沒有考慮距離衰減的影響，因此其準確性有待進一步提高。

一、對比理論與算法

對組網雷達據進行可靠性檢驗時，應分析兩部雷達波束有效照射體積在空間分布相近區域的數據；同時，所選區域應與兩部雷達距離相等，這可避免距離衰減和雷達波束展寬的影響。等距離線（距離兩部雷達相等的空間點的連線）所在垂直剖面是基本滿足上述條件的空間區域，對比分析此空間兩部雷達時間同步觀測的回波強度數據，是研究組網雷達探測數據一致性的有效方法。由于多普勒雷達探測的徑向速度是矢量，其方向沿著雷達天線方向。只有當徑向速度沿著兩部雷達天線的連線時，兩部雷達探測的徑向速度對比才有意義，此條件在組網雷達環境中很難滿足，因此只對組網雷達探測的回波強度數據進行對比分析。

（一）快速等距離線坐標變換算法

雷達觀測數據通常以極坐標（r，α，θ）形式表示，其中：r是斜距，α是方位角，θ是仰角。Doviak等只給出了θ，h（雷達波束高度），r以及S（地面大圓弧長）之問的關系，為滿足數據實時分析需求，提出基于查找表（Lookup Table，LLT）的快速等距離線坐標變換算法，即建立雷達對等距離線坐標變換映射表，存儲等距離線垂直剖面內的網格點坐標與雷達極坐標的對應關系：系統運行時，直接讀取雷達對的等距離線坐標變換映射表，進行后續的數據處理。實驗結果表明，該算法節約了85%的計算時間，大幅度提升了軟件系統的運行效率。

（二）三維混合插值算法

借助距離權重插值算法，缺測點賦值法、最近鄰域插值算法總結三個方法，最后最后得到三維混合插值算法，具體操作為若一個仰角層內4個雷達觀測點至少有一個無觀測值，則此仰角層內待插值點取值與距離最近觀測點的數值一致；兩個仰角層之問進行垂直插值時，若上下相鄰兩個仰角層均有觀測值，則使用線性插值求解；若有一個仰角層內的格點為缺測值，待插值網格點取距離該點最近且小于距離閾值的仰角層內格點的數值。使用改進算法后，插值空間的空洞區域明顯減小；得到的數據圖像比較平滑，減少了棋盤效應；較好地保留了雷達數據的空間分布特征，有利于中尺度三維精細結構的分析。

二、軟件系統結構

軟件系統采用面向對象的設計思想，使用Visual C++語言編程實現，運行于Windows XP/7平臺。

（一）軟件結構

軟件系統包括7個功能模塊，依次是雷達基數據監控模塊、雷達數據格式識別模塊、時間同步數據匹配模塊、雷達基數據讀取模塊、等距離線數據插值模塊、統計量計算模塊和顯示模塊；系統還包括三個參數文件，即雷達站點信息索引參數文件、雷達對等距離線坐標變換映射表和質量控制參數文件。通過修改參數文件來定制或擴展軟件系統的功能，增強了系統的靈活性和可擴展性。將功能模塊制作成庫或者組件，可以明顯提高軟件代碼的重用性和軟件研發速度。氣象軟件的開發。每個功能模塊均由一個或多個類實現，使用類對數據結構和算法進行封裝，提高了數據安全性和簡化編程。模塊間數據傳遞通過類的公有變量實現；存儲和交換數據利用指針實現，提高內存的利用效率。

（1）雷達基數據監控模塊。實時監測用戶定制的多個雷達基數據存儲目錄，如果有新的雷達基數據文件寫入，則發送消息至雷達數據格式識別模塊。

（2）雷達數據格式識別模塊。根據雷達數據文件名和雷達數據存儲目錄命名特征，識別雷達數據格式。

（3）時間同步數據匹配模塊。根據雷達數據采集時間和雷達站地理信息數據自動搜索牛成等距離線數據所需的另一部天氣雷達的時問同步掃描數據文件，將兩個數據文件名傳遞給后續模塊。

新一代多普勒天氣雷達在業務運行時主要執行21號體積掃描模式（Volume Coverage Pattern 21，VCP21），一個體掃需要6min左右。由于天氣雷達的主要任務是局地天氣監測預警，兩部相鄰雷達的體掃觀測很難保證在相同的時問段內完成。用于對比分析的兩部雷達數據必須是時間同步觀測數據，若兩部雷達體掃數據的觀測時間差值小于150s，則可近似地認為是時間同步數據，可以用于后續的分析。

（4）雷達基數據讀取模塊。根據雷達數據格式識別模塊的識別結果，自動調用相應的雷達基數據讀取子模塊，將兩部雷達時間同步數據文件中的強度數據讀入內存，然后發送消息至等距離線數據插值模塊。

（5）等距離線數據插值模塊。首先讀取雷達對等距離線坐標變換映射表，而后通過插值算法計算等距離線垂直剖面網格點的雷達回波強度值。

（6）統計量計算模塊：為了保證分析結果的準確，用于對比的兩部雷達格點數據進行質量控制且必須滿足以下條件：對比的回波強度數據不小于10dBZ；兩部雷達探測數據之差絕對值小于8dB才進行對比，這可以消除超折射等造成的異常回波的影響。滿足上述兩個條件的網格點不少于20個，此時的結果具有統計意義。上述參數存入質量控制參數文件，以便根據天氣系統回波強度的特征進行修改調整。

（7）顯示模塊。將各種統計量以圖表方式直觀地顯示出來，便于數據分析。

（二）系統功能擴展

由于我國新一代多普勒天氣雷達網尚未完全建成，今后陸續會有新的地基多普勒雷達并網觀測；另一方面，在經常開展的野外科學試驗以及氣象應急保障觀測中，車載多普勒天氣雷達也會參與強對流天氣等的觀測。若軟件系統能夠識別新并網雷達的基數據格式，則只需更新雷達站點信息索引參數文件和等距離線坐標變換映射表，軟件即可以進行后續處理；若系統不能識別新并網雷達的基數據格式時，還需添加新雷達數據格式讀取模塊，軟件其他部分不需要修改，這提升了系統的靈活性和可擴展性。

（三）工作模式

軟件系統包含業務運行和歷史數據處理兩種工作模式。在業務運行工作模式中，監控模塊實時監測軟件系統預先設定的雷達基數據目錄，當有新的雷達基數據文件生成后，該模塊發消息至時間同步數據匹配模塊，若有時間同步數據，則進行兩部雷達等距離線網格數據插值、統計量計算等后續處理。歷史數據處理工作模式針對雷達網歷史數據設計，對長時間序列的組網雷達基數據進行統計量計算和客觀分析。

三、結束語

針對新一代多普勒天氣雷達網觀測數據對比分析的實際需求，提出利用快速等距離線坐標變換算法以滿足實時計算需求；結合雷達數據空間分布特點，提出觀測數據三維混合插值算法，最大限度地保留原始數據特征，用此算法生成的數據也有利于中尺度三維精細結構的分析，并提出了雷達基數據格式優化方法在此基礎上，建立了基于我國新一代多普勒天氣雷達網的組網雷達觀測數據對比分析系統（CINRADComparision，CinradComp）。該系統可以實現雷達對等距離線垂直剖面內格點數據的自動快速插值和客觀分析，這有利于及時發現天氣雷達網相關故障，為雷達定標提供參考依據，從而提高組網雷達數據質量水平，進一步發揮天氣雷達在災害天氣監測、預警和短時臨近預報中的作用。

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[作者簡介]郭躍輝（1983.07-），男，助理工程師，本科，工科學士，研究方向：雷達電子。