L波段雷達觀測自動化開發與應用

王小娟 張杰 賈秋蘭

摘 要：高空氣象觀測是氣象業務的基礎，是天氣預報、氣候分析、科學研究和國際交換的氣象情報和資料的主要來源。隨著高空探測技術的不斷發展，計算機技術的不斷提高，高空地面一體化的不斷深入，對高空探測系統軟件自動化要求也越來越高，該文介紹了L波段軟件觀測自動化、時間相關及其圖文對比，主要是采用C++語言，開發一套L波段雷達觀測系統輔助軟件，將其與L波段放球軟件相關中，達到觀測自動化的要求。

關鍵詞：L波段；一體化；自動化；系統

中圖分類號：S163 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190415066

*為本文通訊作者引言

高空氣象探測系統是大氣綜合探測系統的重要組成部分，是人類了解大自然，了解天氣變化的主要途徑，是氣象科學發展的基石。我國首個高空氣象觀測站于1930年1月建于南京北極閣，到20世紀50年代我國已建立120個探空站，與國際同步實施了世界天氣監測（www）計劃。

高空氣象資料[1]為氣象預報、災害性天氣監測、應急氣象保障、氣候變化研究以及氣候資源開發提供重要氣象信息，馬力[2]等利用探空雷達資料對大氣邊界層特征進行分析，Р.Г.Рейтнба[3]等利用全球高空探測網資料及其處理方法對氣溫及自由大氣參數的變化進行分析，楊梅[4]等利用探空資料為風廓線、GPS/MET水汽觀測等高空遙感設備相對比對作為參考標準，周毓荃[5]等利用探空秒數據，計算分析不同云垂直結構，驗證了相對濕度閾值判斷云垂直結構方法的可行性。

隨著科技的進步，越來越多領域需要高空資料的前提下，高空觀測質量的提高顯得尤為重要，周尚河[6]利用高空探測站的歷史資料建立高空氣候資料數據集，可以進行信息化格式檢查、旬合計值檢查、氣候極值檢查，張聰娥[7]對影響高空探測數據質量的因素進行分析，發現障礙物遮擋、電磁干擾、雷達保障能力不足都有影響，郭鳳娟[8]發現凈舉力與探空高度在某種程度上呈現顯著的正相關關系，總結出了不同天氣下凈舉力的選取范圍。

L波段高空觀測系統軟件是與L波段高空探測系統配套使用的組合軟件，包括“放球軟件”、“數據處理軟件”、“文件備份軟件”、“模擬訓練軟件”和若干工具軟件，黃紅梅[9]闡述了L波段雷達探測系統替代59-701C 型雷達探測系統的必要性，李偉[10]等對L波段高空氣象探測系統基本功能及其操作進行了詳細的描述，李建英[11]、周處強[12]等對L波段業務軟件中存在的問題進行了探討，隨著高空地面一體化[13-15]的不斷深入，高空探測技術[16-17]的不斷發展，對L波段高空系統軟件[18-21]的要求也越來越高。如何開發出更符合現代科技發展更自動化的軟件成了一項重要的課題。

1 設計背景及現狀

L波段雷達高空探測實現了自動抓球、自動跟蹤、自動測距、自動數據分析處理和自動故障檢測功能，與701相比顯著提高了探測精度，降低了操作人員的勞動強度，但是在人員簡配、提高效率以及減少錯情等方面還存在一定的不足，特別是在中國氣象局實施探空、地面觀測一體化后，這些問題更加突出體現，主要體現在3個方面。

1.1 瞬間數據讀取

瞬間數據讀取無法自動完成，需要觀測人員人工錄入，不僅沒有減少工作量，還增加了由于交叉值班造成數據讀取、錄入的錯誤。

1.2 報文發送處理

報文發出前，只能看到數字報文，對探測中出現的飛點、亂點以及測風數據中的數據跳變、跑球等問題難以直觀發現，造成數據準確性有一定偏差。

1.3 錯發現象處置

全國多次出現由于時間、日期錯誤引起的報文出錯等現象，河北省也出現過2次以上的錯發情況，致使發報錯誤整次觀測記錄作廢。

1.4 小結

鑒于以上問題，有必要在目前L波段軟件上開發自動讀取自動站觀測資料、報文圖像形成以及時間相關等功能，實現高空探測中的瞬間氣象要素觀測全自動化，解決觀測過程中由于報文編制、發送過程中出現的問題。

2 設計思路與方法

采用C++語言，開發一套L波段雷達觀測系統輔助軟件，將其與L波段放球軟件相關中。

與L波段雷達觀測系統輔助軟件開發人員協作共同開發約定控件L波段軟件對應的接口關系；研發讀取自動站觀測文件模塊；解碼L波段文件格式以及探空報文編碼。

3 軟件自動化及其相關功能

3.1 瞬間觀測自動化

進行業務觀測時，通過輔助軟件搜尋自動站觀測數據文件，按高空觀測規范要求的時間調取、讀取相應時間的觀測數據，并將這些自動站觀測到的地面氣象要素數據顯示在L波段放球軟件瞬間觀測值對應的位置，并按規范要求對儀器的合格與否做出判斷，從而實現L波段自動瞬間觀測的目的。

在自動氣象站計算機上，將分鐘常規要素文件所在的文件夾設置為共享，分鐘常規要素文件名命名方法是AWS_M_Z_IIiii_yyyyMMDD.TXT，其中AWS表示自動氣象站，M、Z為指示符，表示常規氣象要素分鐘數據；IIiii為區站號；yyyy為年份，MM為月份，DD為日期，月和日期不足2位時前面補“0”，TXT表示文件為ASCII文本格式。打開高空數據處理軟件，進入本站常用參數，在文件路徑頁中對瞬間觀測值讀取位置中進行自動站的路徑設置。

3.2 自動站觀測數據遠程顯示軟件

自動站觀測數據遠程顯示軟件可以在高空業務機端實時顯示本局域網任何自動站的觀測數據，方便高空站在放球時對輸入的瞬間值進行檢查。軟件運行后界面所示，軟件界面的左側是自動站最新1min的觀測數據，自動站每更新1組數據，軟件也會同步自動更新顯示數據，右側是當天自動站所有的觀測數據。如圖4。

軟件所有的操作都在左上角的系統菜單中，軟件使用之前，需要先通過這個下拉菜單進行參數的簡單設置，選系統菜單中的的“設置”菜單項，軟件彈出圖5的設置對話框，在對話框上設置本站站號和自動站分鐘常規要素文件所在的文件夾，設置完畢后，按確定鍵，軟件就會自動開始顯示當天自動站的觀測數據。下來菜單中“總在最上面”菜單項可以讓軟件窗口總在所有軟件的最上面，保證軟件不會被別的軟件窗口遮擋，再次點擊“總在最上面”菜單項，軟件窗口恢復正常可以被其他的軟件窗口遮擋。“刷新數據”菜單項可以手動刷新所有的數據。“顯示最小界面”菜單項可以讓軟件界面改變成圖6所示，同時菜單項名改成“顯示全界面”字樣。再次點擊該菜單項，軟件界面改回圖4顯示方式。

3.3 圖文對比和時間相關

在報文形成之時，解碼高空報文，形成觀測要素圖像，對比上月同一觀測時間的各要素平均數據；同時對比報文形成時間與當前計算機時間，控制報文的發送。避免了由于時間錯誤引起的報文錯情。

4 推廣應用情況

該軟件在完成期間，一直在邢臺探空站的應急備份機上做試運行，運行2個月以后，在張家口和樂亭氣象局應用。運行期間未出現因為瞬間輸入錯和時間錯引起的錯情，減輕了業務人員的工作量，提高了探測質量。

5 結語

隨著現代化觀測技術與觀測設備不斷發展，觀測系統必將進一步提升氣象觀測水平，未來的高空探測將從人工觀測向自動化觀測發展，對軟件系統的要求會越來越高，雖然觀測系統軟件已經趨于完善但仍存在一些細節方面的問題：當規定等壓面、特性層、零度層、對流層頂在同一高度時（ 或重合時），氣象要素值有一項或者多項有微小出入；探測過程中出現的明顯飛點，不能自動刪除，導致放球軟件和數據處理軟件進行高度替代斜距的時候出現不一致，如何解決這些問題，還需要在以后的工作中按照規范和軟件要求進一步完善。

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