基于多普勒天氣雷達的民航氣象監測與臨近預報系統

王暉　魏巍

【摘 要】航空氣象對航空飛行安全、準點有著至關重要的影響，本文首先對多普勒天氣雷達主要產品和臨近預報技術進行介紹，然后介紹了基于多普勒天氣雷達的民航氣象監測與臨近預報系統的主要功能。

【關鍵詞】多普勒天氣雷達；民航氣象；實況監測；臨近預報

0 引言

國際民航組織統計顯示，在世界航空業務中，因天氣原因造成的飛行事故數量已經上升到占總事故的將近三分之一，其中強對流天氣是造成飛行事故的主因。[1]

目前我國民航日飛行量已經超過1萬架次，預計未來十年，中國民航運輸量仍然保持持續快速增長的勢頭。大飛行量、大流量的運行背景，使得民航在保證飛行安全的前提下，保障航班“正點”和“效率”的壓力空前增大。隨著航班量的增加，天氣對航空運輸安全與效益的影響日益突出，天氣因素已經成為制約我國航空事業快速發展的主要瓶頸之一。因天氣原因造成航班延誤導致旅客與航空公司糾紛日漸增多，甚至影響社會穩定。

新一代天氣雷達作為現代化的探測手段，可以有效地監測暴雨、冰雹、龍卷等災害性天氣的發生、發展；同時還具有良好的定量測量回波強度的性能，可以定量估測大范圍降水[2]。我國即將建成由216部新一代多普勒天氣雷達組成的全國性雷達探測網[3]，中國民用航空局空中交通管理局航空氣象中心可以通過中國氣象局同城用戶服務系統實時獲取全國新一代天氣雷達產品數據，通過研制氣象監測與臨近預報系統，可以更好的滿足民航對氣象服務“定時、定點、定量”的要求，提高對災害性天氣的監測預警能力和服務水平。

1 建設內容

系統對接收到的全國新一代天氣雷達產品數據和機場天氣雷達數據進行解碼和產品加工，通過疊加精細化地理信息數據，輸出帶有機場中心點，50km為單位的距離圈產品，其上可以疊加機場走廊，機場詳細信息，不含經緯度。供用戶監視和分析重要天氣的發生、發展和變化過程。同時，產品可以以指定圖片形式輸出，供共享使用。

多普勒天氣雷達的主要產品包括（表1）：

系統總體由兩部分組成，產品處理與產品顯示（圖1）。

產品處理：實時監測雷達PUP目錄的變化，當監測到新的數據來到時，根據需要進行產品的二次計算并輸出二次加工產品，最終根據產品的樣式將雷達PUP產品和二級計算產品進行圖像產品的繪制，生成圖像產品文件。

產品顯示：通過IE、Firefox、Chrome等瀏覽器訪問部署好的WEB服務器，可以調閱雷達圖像產品，查閱用戶所關心雷達圖像產品，雷達圖形產品推送到前臺后、可以對雷達圖像進行放大、漫游、前翻、后翻、動畫等操作；同時可以根據需要進行空間地理信息圖層的疊加，用戶可以根據需要進行圖層顯示和隱藏。

產品顯示工具可定時向用戶推送最新的、用戶所關心的雷達產品圖片，用戶可對雷達產品圖片進行動畫播放。

2 主要功能

1）雷達產品處理子系統主要功能

基于PUP產品的目錄規范和命名規范，雷達圖像產品生成模塊監測PUP數據文件目錄，當新的PUP數據文件到達時，輪詢PUP數據所在的目錄。對新到的PUP進行處理，生成圖像產品文件。

①數據監控

圖像產品生成模塊啟動后，檢測pup目錄下是否有新數據到達，若有新的數據到達，對新到達的數據進行處理。

②數據解析

針對已經生成的PUP產品數據，對雷達PUP數據進行解析，從數據文件中獲取PUP產品數據后調用繪圖功能進行圖像產品的繪制。

③投影變換

針對不同投影方式的地理信息數據，對雷達PUP數據進行極坐標投影轉換，如笛卡爾坐標轉換，生成相應投影下的雷達數據產品。

④反演處理

對需要進行二次反演計算的產品，然后加載雷達數據反演算法，生成雷達二次反演數據產品，同時對二次產品進行圖像產品的繪制。

⑤圖形處理與規范化

產品文件存儲時將雷達產品生成的底色為透明，產品生成的格式設置為PNG（PNG透明圖向產品，便于疊加地圖等基本信息），實時生成雷達產品圖像文件，生成的雷達圖像文件按照指定目錄規范和和命名規范進行存儲，以便于根據時間條件、空間條件進行產品文件定位。輸出帶有機場中心點，50km為單位的距離圈產品，其上可以疊加機場走廊，機場詳細信息，不含經緯度（圖2）。

2）雷達產品顯示子系統主要功能

產品加工將雷達圖像產品圖形圖片化后，發布在圖形服務器上，通過WEB瀏覽器進行調閱和交互操作，檢索調閱雷達圖像產品，查閱所關心雷達圖像產品，雷達圖形產品推送到前臺后、可以對雷達圖像進行放大、漫游、前翻、后翻、疊加、過濾等操作。

①產品檢索

產品文件按照各自的雷達站點和產品特征分別存放在不同的子目錄。系統會自動用新接收的產品代替過期產品。產品檢索實際上就是從本地數據庫中選擇滿足用戶需求的產品。可選參數：雷達站點、產品名、產品號、體掃開始的日期（Date）和時間（Time）、數據級數（Level）， 分辨率（Resolution）， 仰角（Slice）等。

圖3是杭州多普勒天氣雷達2015年1月29日7時230km組合反射率產品，圖4是35dBz以上回波230km組合反射率30分鐘臨近預報產品。

②地理信息疊加

雷達圖像可以根據用戶關心的地理信息如省界、市界、縣界、市名、縣名、航線等地理信息進行疊加顯示。

③產品疊加

雷達圖像產品可以疊加掃描日期和時間等產品相關屬性，可做相關產品疊加顯示，如回波疊加速度。

④放大/縮小

被顯示的產品可以被放大1、 2、 4、 8 倍，背景地圖同時也被放大。放大的操作并不影響其它顯示功能。在沒有產品顯示的狀態下，也可以單獨對顯示的地圖進行放大。

⑤空間量算

提供空間要素的幾何量算功能，包括空間要素的距離量算功能和空間要素的地理特征要素量算功能。

空間要素的距離量算功能，可對點與點、點與線、點與面、線與線、線與面、面與面、任意線段的距離量算，且可以進行長度單位的設置。如量算出雷達回波到機場的直線距離。

空間要素的地理特征要素量算功能，通過鼠標點擊點要素進行量算，量算出點要素的坐標（X坐標、Y坐標）。如量算回波所在的經緯度坐標。

⑥動畫/動畫制作

如果選擇了多個產品形成循環隊列， 系統提供動畫顯示不同掃描時間的圖形產品演變。

暫停動畫（Pause）和停止動畫（Stop）是在播放過程中對動畫的控制命令，它們使動畫停在當前幀或下一幀圖像產品。

向前（Forward）是指顯示循環隊列中下一時次的圖像產品，如果當前顯示的產品處在隊首，則顯示隊尾的產品。向后（Back）是指顯示循環隊列中上一時次的圖像產品，如果當前顯示的產品處在隊尾，則顯示隊首的產品。

加速、減速命令實際上就是改變動畫時幀之間的時間間隔（Rate），加速是減小時間間隔，減速是增加時間間隔。

動畫制作是把多個產品形成循環隊列顯示內容保存為GIF設置動畫圖象，以便在其他平臺上和材料顯示、分析和應用。

⑦區分數據級

圖形產品含有多重數據級，顯示時它們是以不同的顏色來區分的。為了突出某些數據級數的顯示，過濾功能就是將圖像中用戶選擇數據級數的顏色所對應的區域用背景色代替，這樣它可以幫助操作員更清楚的辨認那些模糊不清的數據級。執行顏色恢復能恢復圖象顯示的缺省狀態。

單色過濾

僅將選擇的顏色用背景色代替，也就是等于某一產品閾值的區域進行過濾。

向上過濾

將色帶中所選擇顏色以上色彩都用背景代替，也就是大于某一產品閾值的區域進行過濾。

向下過濾

將色帶中所選擇顏色以下色彩都用背景代替，也就是小于某一產品閾值的區域進行過濾。

顏色恢復

執行該操作將使產品的顯示恢復為沒有進行過濾操作前的缺省狀態。

⑧產品保存

用戶可以把當前被激活視窗的顯示內容保存為PNG格式圖象，以便在其他平臺上和材料顯示、分析和應用。

⑨隱藏產品

將當前顯示視窗中的產品數據設置為不可見。

3 小結與展望

通過本系統，民航氣象用戶可實時監測各機場及其附近雷達回波情況，及時判斷強對流天氣出現的概率和持續時間，通過客觀化臨近預報方法提供的臨近預報產品，用戶可每6分鐘一次，獲取未來2小時內逐6分鐘定時、定點、定量的回波預報，大大提升了預報員工作效率和預報準確性。

目前，民航氣象用戶正積極投入CDM協同決策系統的建設浪潮中，天氣雷達實況監測與臨近預報數據將通過CDM系統深入整合管制信息，為實現民航氣象更好地為管制服務提供堅實和科學的手段。

【參考文獻】

[1]徐輝.30%的飛行事故與天氣有關.http：//www.weather.com.cn/index/lssj/04/378 271.shtml[OL]，

[2]李箐.新一代多普勒天氣雷達. http：//news.weather.com.cn/2014/10/2214834.shtml[OL].

[3]周海光.新一代多普勒天氣雷達網探測數據對比分析系統[J].計算機應用，2013，33（1）：270-275.

[責任編輯：楊玉潔]