新一代天氣雷達產品的讀取與研究

李高

【摘 要】本文介紹了多普勒雷達產品的一般數據格式，及常用兩種產品的掃描方式、讀取方式、坐標轉換與插值等算法，最后采用實際產品讀取驗證，結果表明該讀取、插值算法適用于產品的讀取開發。

【關鍵詞】多普勒雷達；Radial；Raster；讀取

0 前言

隨著新一代多普勒天氣雷達的發展，基于多普勒雷達資料的臨近預報系統的研究是目前我國氣象預報的重要發展方向之一。但雷達產品、衍生的產品種類繁多，在天氣預報中如何利用由雷達生成的數據產品來讀取數據點的格點數值，進而建立精細化預報工具是當前雷達產品應用開發的首要步驟。本文將對雷達數據產品的數據格式進行解讀、并根據數據點的經、緯度（或方位角與距離）讀取到雷達產品格點。

1 雷達數據產品

當前新一代多普勒雷達系統生成的產品有兩種格式，即數據產品格式和基于數據產品的位圖格式[1]。前一種格式有助于用戶作進一步的研發使用，后一種格式有利于用戶直接瀏覽產品，所有的圖像產品文件都采用Windows標準的位圖格式（BMP）。它是一種通用的圖像數據格式，具有與設備無關性等特點。為了節省磁盤空間采用壓縮格式。圖像大小采用640×480、800x600、1024x768三種方式。作為二次開發，我們主要使用的是前一種產品，且產品可多達幾十種，在預報工作中較為常用的有：基本反射率、基本速度、組合反射率、風廊線、垂直液態含水量、1小時降水量、風暴追跟蹤信息、冰雹指數等。產品的圖像格式有：Radial Image、Raster Image、Linked Contour Vectors、Geographic and Non-geographic Alpha等，其中大多數產品為Radial image與Raster Image。本文主要介紹這兩種格式雷達產品的讀取。

2 雷達產品的格式及讀取

數據文件格式大致為：第一部份是標題信息頭塊（MESSAGE HEADER），第二部份是產品描述塊（PRODUCT DESCRIPTION），第三部份是產品符號塊（ProductSymbologyBlock），第四部分是繪圖的文字數字塊，第五部份是表格用的文字數字塊[2]。其中，第一、第二、第三部份是每個文件都有的部份，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。

數據的讀取是先以二進制方式打開產品數據文件，讀出每個字節值，存入變量，但是其數據的寫入是與WINXP相反的，即WINDOW在寫入時是高位在后，低位在前，而它則相反，因此在讀入變量后要將變量進行高、低位轉換。最后把換位后得到的十六進制數據再轉換為十進制。此時得到的數據才是我們真正需要的數據。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：長度（海拔）用英尺，距離用海里，速度用海里/小時，這些都要轉換成常用的單位。

Radial Image、Raster Image類型產品，最后數據是以RLE（Run Length Encode）旅程方式進行編碼，RLE是一種壓縮算法，它是無損的壓縮算法，即將一串連續的相同數據轉化為特定的格式達到壓縮的目的，在雷達產品中，一個字節的前四位存放的是Run（相同的數據組個數），后四個字節存放的是Color code代碼，不需進行位制轉換，如圖1最后一行所示。用戶可根據顏色值確定強度。

2.1 Raster Image的讀取

許多常用的產品都是Raster Image格式，如組合反射率、回波頂高、液態水含量等。圖像是按從左至右，它是以雷達測站為中心點的探測范圍內的一個正方形平面，從上到下的掃描的。如圖2所示。

2.2 Radial image的讀取

一小時降水估測等產品為Radial image格式，它是以雷達測站為中心點為掃描圓心，從正北方順時針掃描的。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數據以雷達掃描的極坐標方式存儲，要將以極坐標表示的雷達回波資料，轉換為蘭勃托投影的地理經緯坐標和相對應的x、y直角坐標。其變換公式如下：

2.3 插值

雷達資料位于以雷達為中心的球坐標內，為便于分析運用，往往需要將雷達資料插值到直角坐標網格點上（格點化），且多普勒雷達在探測中受雷達硬件設備的精度和地物回波、大氣折射與衰減等因素的影響，會產生很大的噪音，同時雷達掃描仰角一般不均勻，還往往有許多缺測區，這給資料的格點化帶來困難。因此需要進行插值，將對應點強度值讀出。我們采用的是三角網空間平面插值法進行插值[3]。

將臨近網格點連接，構成若干三角形單元。認為一個三角形單元即為一個空間平面，這個空間平面由相應三個站點的地理位置和雷達強度決定，若干空間平面同屬以東經為X軸，北緯為Y軸，雷達強度為P軸的空間三維直角坐標系。

對三角形單元建立各自的空間平面方程，求由三個站點A（x1，y1，P1）、B（x2，y2，P2）、C（x3，y3，P3）所決定的平面內任一點M（x，y，P）的雷達強度P，用空間平面方程計算：

對三角形單元內的任意點M（x，y，P），可用（1）式內插雷達強度值P。對于計算區域中位于所有三角形單元之外的點，可就近移用內插點插值結果 。

3 結果檢驗

選取綿陽雷達2015年8月16-17日過程各種產品讀取相應站點雷達強度值，與實際雷達圖所對應進行比較驗證。取2015年8月17日5：38：54組合反射率雷達圖，如圖4。根據上述方法讀出的各站點值如表1。可以看出結果與實際相符。該雷達產品讀取方法為切實可行。

4 結束語

在分析多普勒雷達產品的格式基礎上，選用合適的方法進行坐標轉換和插值運算，將相應站點的產品強度格點值讀出，為進一步開展新一代多普勒天氣雷達產品的二次開發，搞好精細化預報工作的開發奠定了基礎。

【參考文獻】

[1]胡明寶，高太長，湯達章.多普勒天氣雷達資料分析與應用[M].北京：解放軍出版社，2000.

[2]張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達氣象學[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和短時預報工具研究[J].氣象，2001， 27（7）：13-15.

[責任編輯：楊玉潔]