新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品的讀取與研究

李高

【摘 要】本文介紹了多普勒雷達(dá)產(chǎn)品的一般數(shù)據(jù)格式，及常用兩種產(chǎn)品的掃描方式、讀取方式、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與插值等算法，最后采用實(shí)際產(chǎn)品讀取驗(yàn)證，結(jié)果表明該讀取、插值算法適用于產(chǎn)品的讀取開(kāi)發(fā)。

【關(guān)鍵詞】多普勒雷達(dá)；Radial；Raster；讀取

0 前言

隨著新一代多普勒天氣雷達(dá)的發(fā)展，基于多普勒雷達(dá)資料的臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研究是目前我國(guó)氣象預(yù)報(bào)的重要發(fā)展方向之一。但雷達(dá)產(chǎn)品、衍生的產(chǎn)品種類(lèi)繁多，在天氣預(yù)報(bào)中如何利用由雷達(dá)生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品來(lái)讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)的格點(diǎn)數(shù)值，進(jìn)而建立精細(xì)化預(yù)報(bào)工具是當(dāng)前雷達(dá)產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)發(fā)的首要步驟。本文將對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解讀、并根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的經(jīng)、緯度（或方位角與距離）讀取到雷達(dá)產(chǎn)品格點(diǎn)。

1 雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品

當(dāng)前新一代多普勒雷達(dá)系統(tǒng)生成的產(chǎn)品有兩種格式，即數(shù)據(jù)產(chǎn)品格式和基于數(shù)據(jù)產(chǎn)品的位圖格式[1]。前一種格式有助于用戶(hù)作進(jìn)一步的研發(fā)使用，后一種格式有利于用戶(hù)直接瀏覽產(chǎn)品，所有的圖像產(chǎn)品文件都采用Windows標(biāo)準(zhǔn)的位圖格式（BMP）。它是一種通用的圖像數(shù)據(jù)格式，具有與設(shè)備無(wú)關(guān)性等特點(diǎn)。為了節(jié)省磁盤(pán)空間采用壓縮格式。圖像大小采用640×480、800x600、1024x768三種方式。作為二次開(kāi)發(fā)，我們主要使用的是前一種產(chǎn)品，且產(chǎn)品可多達(dá)幾十種，在預(yù)報(bào)工作中較為常用的有：基本反射率、基本速度、組合反射率、風(fēng)廊線、垂直液態(tài)含水量、1小時(shí)降水量、風(fēng)暴追跟蹤信息、冰雹指數(shù)等。產(chǎn)品的圖像格式有：Radial Image、Raster Image、Linked Contour Vectors、Geographic and Non-geographic Alpha等，其中大多數(shù)產(chǎn)品為Radial image與Raster Image。本文主要介紹這兩種格式雷達(dá)產(chǎn)品的讀取。

2 雷達(dá)產(chǎn)品的格式及讀取

數(shù)據(jù)文件格式大致為：第一部份是標(biāo)題信息頭塊（MESSAGE HEADER），第二部份是產(chǎn)品描述塊（PRODUCT DESCRIPTION），第三部份是產(chǎn)品符號(hào)塊（ProductSymbologyBlock），第四部分是繪圖的文字?jǐn)?shù)字塊，第五部份是表格用的文字?jǐn)?shù)字塊[2]。其中，第一、第二、第三部份是每個(gè)文件都有的部份，第四、第五部分是部份文件所具有的格式。具體格式如圖1所示。

數(shù)據(jù)的讀取是先以二進(jìn)制方式打開(kāi)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件，讀出每個(gè)字節(jié)值，存入變量，但是其數(shù)據(jù)的寫(xiě)入是與WINXP相反的，即WINDOW在寫(xiě)入時(shí)是高位在后，低位在前，而它則相反，因此在讀入變量后要將變量進(jìn)行高、低位轉(zhuǎn)換。最后把換位后得到的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。此時(shí)得到的數(shù)據(jù)才是我們真正需要的數(shù)據(jù)。還需要注意的是格式中的變量的單位與公用的單位不同如：長(zhǎng)度（海拔）用英尺，距離用海里，速度用海里/小時(shí)，這些都要轉(zhuǎn)換成常用的單位。

Radial Image、Raster Image類(lèi)型產(chǎn)品，最后數(shù)據(jù)是以RLE（Run Length Encode）旅程方式進(jìn)行編碼，RLE是一種壓縮算法，它是無(wú)損的壓縮算法，即將一串連續(xù)的相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為特定的格式達(dá)到壓縮的目的，在雷達(dá)產(chǎn)品中，一個(gè)字節(jié)的前四位存放的是Run（相同的數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)），后四個(gè)字節(jié)存放的是Color code代碼，不需進(jìn)行位制轉(zhuǎn)換，如圖1最后一行所示。用戶(hù)可根據(jù)顏色值確定強(qiáng)度。

2.1 Raster Image的讀取

許多常用的產(chǎn)品都是Raster Image格式，如組合反射率、回波頂高、液態(tài)水含量等。圖像是按從左至右，它是以雷達(dá)測(cè)站為中心點(diǎn)的探測(cè)范圍內(nèi)的一個(gè)正方形平面，從上到下的掃描的。如圖2所示。

2.2 Radial image的讀取

一小時(shí)降水估測(cè)等產(chǎn)品為Radial image格式，它是以雷達(dá)測(cè)站為中心點(diǎn)為掃描圓心，從正北方順時(shí)針掃描的。以方位角定位其所在位置。如圖3所示。與Raster不同的是，由于Radial數(shù)據(jù)以雷達(dá)掃描的極坐標(biāo)方式存儲(chǔ)，要將以極坐標(biāo)表示的雷達(dá)回波資料，轉(zhuǎn)換為蘭勃托投影的地理經(jīng)緯坐標(biāo)和相對(duì)應(yīng)的x、y直角坐標(biāo)。其變換公式如下：

2.3 插值

雷達(dá)資料位于以雷達(dá)為中心的球坐標(biāo)內(nèi)，為便于分析運(yùn)用，往往需要將雷達(dá)資料插值到直角坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)上（格點(diǎn)化），且多普勒雷達(dá)在探測(cè)中受雷達(dá)硬件設(shè)備的精度和地物回波、大氣折射與衰減等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，同時(shí)雷達(dá)掃描仰角一般不均勻，還往往有許多缺測(cè)區(qū)，這給資料的格點(diǎn)化帶來(lái)困難。因此需要進(jìn)行插值，將對(duì)應(yīng)點(diǎn)強(qiáng)度值讀出。我們采用的是三角網(wǎng)空間平面插值法進(jìn)行插值[3]。

將臨近網(wǎng)格點(diǎn)連接，構(gòu)成若干三角形單元。認(rèn)為一個(gè)三角形單元即為一個(gè)空間平面，這個(gè)空間平面由相應(yīng)三個(gè)站點(diǎn)的地理位置和雷達(dá)強(qiáng)度決定，若干空間平面同屬以東經(jīng)為X軸，北緯為Y軸，雷達(dá)強(qiáng)度為P軸的空間三維直角坐標(biāo)系。

對(duì)三角形單元建立各自的空間平面方程，求由三個(gè)站點(diǎn)A（x1，y1，P1）、B（x2，y2，P2）、C（x3，y3，P3）所決定的平面內(nèi)任一點(diǎn)M（x，y，P）的雷達(dá)強(qiáng)度P，用空間平面方程計(jì)算：

對(duì)三角形單元內(nèi)的任意點(diǎn)M（x，y，P），可用（1）式內(nèi)插雷達(dá)強(qiáng)度值P。對(duì)于計(jì)算區(qū)域中位于所有三角形單元之外的點(diǎn)，可就近移用內(nèi)插點(diǎn)插值結(jié)果 。

3 結(jié)果檢驗(yàn)

選取綿陽(yáng)雷達(dá)2015年8月16-17日過(guò)程各種產(chǎn)品讀取相應(yīng)站點(diǎn)雷達(dá)強(qiáng)度值，與實(shí)際雷達(dá)圖所對(duì)應(yīng)進(jìn)行比較驗(yàn)證。取2015年8月17日5：38：54組合反射率雷達(dá)圖，如圖4。根據(jù)上述方法讀出的各站點(diǎn)值如表1?？梢钥闯鼋Y(jié)果與實(shí)際相符。該雷達(dá)產(chǎn)品讀取方法為切實(shí)可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析多普勒雷達(dá)產(chǎn)品的格式基礎(chǔ)上，選用合適的方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和插值運(yùn)算，將相應(yīng)站點(diǎn)的產(chǎn)品強(qiáng)度格點(diǎn)值讀出，為進(jìn)一步開(kāi)展新一代多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品的二次開(kāi)發(fā)，搞好精細(xì)化預(yù)報(bào)工作的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡明寶，高太長(zhǎng)，湯達(dá)章.多普勒天氣雷達(dá)資料分析與應(yīng)用[M].北京：解放軍出版社，2000.

[2]張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，2001：314-333.

[3]蔡曉云，焦熱光.多普勒速度圖暴雨判據(jù)和短時(shí)預(yù)報(bào)工具研究[J].氣象，2001， 27（7）：13-15.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]