基于Surfer的天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品的繪制

雷永恒，江濤，陳晨，劉峰

（湖南省氣象技術(shù)裝備中心，長(zhǎng)沙410007）

0 引言

新一代天氣雷達(dá)在短臨天氣預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要的作用，其基本反射率產(chǎn)品應(yīng)用范圍最廣。高精度位置信息、格點(diǎn)化的基本反射率數(shù)據(jù)，一直是天氣雷達(dá)產(chǎn)品使用的關(guān)注點(diǎn)和研究基礎(chǔ)。Surfer為美國(guó)Golden Software公司開(kāi)發(fā)的一款三維繪圖功能的畫(huà)圖軟件，具有強(qiáng)大的插值和繪圖功能。馬英蓮、陳歡歡等人對(duì)Surfer軟件插值方法進(jìn)行了比較[1-2]，認(rèn)為空間連續(xù)性變化不規(guī)則時(shí)，采用克里金插值方法繪圖效果最好。Surfer軟件在氣象行業(yè)使用廣泛，如繪制氣象要素等值線圖（如雨量、氣溫等），成為氣象工作者首選工具[3-5]。Surfer軟件具有強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能，基于Surfer繪圖功能開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，在不少行業(yè)領(lǐng)域，尤其氣象領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[6]。利用Surfer強(qiáng)大的數(shù)據(jù)插值和高精度格點(diǎn)化地理信息的優(yōu)勢(shì)，繪制天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品，疊加多種氣象產(chǎn)品圖層，對(duì)了解氣象監(jiān)測(cè)實(shí)況和改進(jìn)短臨預(yù)報(bào)方面，有著良好的應(yīng)用前景。

1 資料和方法

1. 1 資料來(lái)源

天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品使用的原始基數(shù)據(jù)來(lái)源于衡陽(yáng)市新一天氣雷達(dá)（CINRAD/SA型）2019年5月3日23時(shí)26分體掃數(shù)據(jù)，共11個(gè)cut，9個(gè)仰角(0.5,1.5,2.4,3.4,4.3,6.0,9.9,14.3,19.5)，反射率數(shù)據(jù)分辨率為1km。Surfer采用XYZ類型數(shù)據(jù)格式，常見(jiàn)格式如下：

107.7829 22.79117-10.2341 107.7876 23.56245-15.1339 107.7922 21.18411 21.1484……

三列數(shù)據(jù)分別表示經(jīng)度、緯度、屬性值，第一、二列分別用來(lái)表示X、Y坐標(biāo)，Z坐標(biāo)代表屬性值，可用不同的顏色進(jìn)行填充。

1. 2 基數(shù)據(jù)格式與預(yù)處理

CINRAD/SA型天氣雷達(dá)生成的基數(shù)據(jù)為二進(jìn)制格式，按照每個(gè)徑向排列，為了滿足方位空間精度要求，每個(gè)cut的徑向文件大于360個(gè)，少于400個(gè)，通常在370個(gè)左右。每個(gè)徑向由460個(gè)距離庫(kù)組成，分辨率為1km，故其監(jiān)視范圍可達(dá)460km。業(yè)務(wù)化的CINRAD/SA天氣雷達(dá)，以vcp21模式工作，由于多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)存在兩難的情況，vcp21工作模式時(shí)，在0.5和1.5度先采用CS（連續(xù)監(jiān)測(cè)）模式獲取最大探測(cè)距離反射率數(shù)據(jù)，在第二圈0.5和1.5采用CS（連續(xù)多普勒）模式獲取最大探測(cè)速度，因此，在低仰角的時(shí)候，0.5和1.5均掃描兩圈。一次讀取一個(gè)徑向數(shù)據(jù)，讀取次數(shù)N=，其中Mb為一個(gè)基數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的文件大小，正常情況N為整數(shù)。一個(gè)仰角或者體掃是否結(jié)束由該徑向第41-42字節(jié)控制，若該字節(jié)值為2，代表為該仰角最后一個(gè)徑向數(shù)據(jù)數(shù)，若該字節(jié)值為4，代表為該體掃最后一個(gè)徑向數(shù)據(jù)。徑向數(shù)據(jù)讀取與處理時(shí)，需要注意反射率強(qiáng)度值計(jì)算方式，當(dāng)徑向反射率強(qiáng)度讀取數(shù)據(jù)為0（低于信噪比，為無(wú)回波）或1（距離模糊）時(shí)，對(duì)其置空，否則為(讀取值-2)/2.0-32。

1. 3 基本反射率產(chǎn)品水平投影方法

新一代天氣雷達(dá)采用立體連續(xù)掃描方式，某一個(gè)仰角的基本反射率數(shù)據(jù)，可看成在該仰角上的距離半徑為460公里，方位360度范圍內(nèi)的立錐體。若在平面上進(jìn)行投影顯示，可用如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

R'=R*cosα

上述R'為天氣雷達(dá)站徑向掃描距離庫(kù)在水平位置上的投影，R為徑向距離庫(kù)，取值為0-460km，α為新一代天氣雷達(dá)掃描仰角。

1. 4 任一點(diǎn)經(jīng)緯度信息求取方法

已知雷達(dá)站的經(jīng)緯度(long1,lat1)，掃描區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)的經(jīng)緯度可由以下公式計(jì)算獲得：

long2=long1+d*sin(ψ)/[R*cos(lat1)*2*PI/360];

lat2=lat1+d*sin(ψ)/[R*2*PI/360];

式中R為赤道半徑，PI為圓周率，long1、lat1分別為雷達(dá)站址經(jīng)度和緯度，d為求取點(diǎn)與雷達(dá)站之間的直線距離，ψ為方位角。

1. 5 Surfer格點(diǎn)數(shù)據(jù)插值方法

Surfer繪制等值線時(shí)，提供反距離加權(quán)插值法、克里金插值法、最小曲率法、改進(jìn)謝別德法、自然鄰點(diǎn)插值法、最近鄰點(diǎn)插值法、多元回歸法、徑向基函數(shù)法、線性插值三角網(wǎng)法、移動(dòng)平均法、數(shù)據(jù)度量法、局部多項(xiàng)式法十二種方法，其中克里金插值法在氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用最廣，本文數(shù)據(jù)插值格點(diǎn)后的天氣雷達(dá)基本反射率數(shù)據(jù)，就是采用的克里金插值算法。

1. 6 Surfer繪制天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品圖步驟

（1）資料處理。利用MATLAB小程序，讀取天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成三維Excel文件數(shù)據(jù)(x,y,z),其中x為經(jīng)度、y為緯度、z為天氣雷達(dá)基本反射率值。

（2）將Excel文件生成為.grd文件。打開(kāi)Surfer在菜單中點(diǎn)擊“grid”|“data”，選擇要網(wǎng)格化的Excel文件并確定。

（3）插值方法與格點(diǎn)大小選擇。格點(diǎn)化數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意 Column A、Column B、Column C三列與 X、Y、Z對(duì)應(yīng)關(guān)系，grid method選擇格點(diǎn)插值的方法，grid line geometry選擇X,Y坐標(biāo)范圍，一般與匹配的地圖范圍相適應(yīng)，天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)一般取默認(rèn)值的20倍，點(diǎn)擊確定后即可生成gridz.grd格點(diǎn)數(shù)據(jù)文件。

（4）對(duì)格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行白化。白化的目的是保存地圖內(nèi)的數(shù)據(jù)，打開(kāi)“grid”|“blank”，找到剛才生成的grd格點(diǎn)后的數(shù)據(jù)，然后再選擇已經(jīng)做好的區(qū)域邊界地圖bln文件，輸出白化后的格點(diǎn)數(shù)據(jù)out.grd文件。

（5）繪制天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品回波圖和疊加地圖邊界。打開(kāi)“map”|“new”|“contour map”，如需繪制白化后的格點(diǎn)數(shù)據(jù)out.grad，新建等值線圖。雙擊剛才生成的等值線圖，可設(shè)置等值線屬性，如levels選擇advance可自定義天氣雷達(dá)回波圖顏色。打開(kāi)“map”|“new”|“base map”，選擇bln格式的地圖邊界，勾選bln和等值線圖層，再點(diǎn)擊“map”|“overlay maps”，進(jìn)行地圖重置，使兩圖地理信息重合。

1. 7 Surfer格點(diǎn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出

點(diǎn)擊“File”|“Open”|菜單，打開(kāi)插值后的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，如上述生成的gridz.grd文件，點(diǎn)擊“File”|“Save as”|，另存為保存類型選擇DAT XYZ grid格式，即可導(dǎo)出使用插值算法后的緯度、經(jīng)度、屬性值三維數(shù)據(jù)xyz.dat。

2 應(yīng)用實(shí)例與分析

2. 1 真實(shí)性檢驗(yàn)

圖1為分別采用Surfer和PUP（Principal User Processor）繪制的衡陽(yáng)天氣雷達(dá)2019年7月13日02時(shí)32分0.5度基本反射率產(chǎn)品，可見(jiàn)兩者圖像形狀、強(qiáng)度、位置信息的一致性吻合的很好。Surfer繪制的基本反射率產(chǎn)品地理信息豐富，畫(huà)面更細(xì)膩，也可導(dǎo)出數(shù)字化后的圖像信息（經(jīng)度、緯度、反射率強(qiáng)度值），對(duì)天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析和處理、研究等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

圖1利用Surfer和PUP分別繪制的衡陽(yáng)天氣雷達(dá)2019年7月13日02時(shí)32分0.5度基本反射率產(chǎn)品

2. 2 Surfer白化后的天氣雷達(dá)基本反射率

工作實(shí)際中，常常只需要獲得地圖區(qū)域內(nèi)的相關(guān)氣象產(chǎn)品，這個(gè)時(shí)候，就需要對(duì)相關(guān)氣象產(chǎn)品進(jìn)行白化處理。天氣雷達(dá)反射率基本產(chǎn)品，由于其探測(cè)距離半徑可達(dá)到460公里，很容易超過(guò)湖南區(qū)域范圍。天氣雷達(dá)基本反射率與其他氣象產(chǎn)品，如雨量、氣溫等進(jìn)行區(qū)域地圖疊加顯示，為保持氣象信息的一致性，一般需要進(jìn)行白化處理。圖2是進(jìn)行白化后的衡陽(yáng)天氣雷達(dá)2019年7月13日02時(shí)32分0.5度基本反射率產(chǎn)品，對(duì)比圖1可見(jiàn)，湖南區(qū)域之外的回波進(jìn)行了白化消除處理，不在地圖內(nèi)顯示。

圖2 Surfer白化后繪制的衡陽(yáng)天氣雷達(dá)2019年7月13日02時(shí)32分0.5度基本反射率產(chǎn)品

3 結(jié)語(yǔ)

利用Surfer專業(yè)的數(shù)據(jù)插值和高精度位置功能，繪制的格點(diǎn)化的天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品圖，不僅圖像細(xì)膩，而且能展示更多的有用信息。應(yīng)用插值算法進(jìn)行格點(diǎn)化的XYZ三維數(shù)據(jù)，為天氣雷達(dá)探測(cè)業(yè)務(wù)和研究人員，研究不同天氣雷達(dá)一致性比較和設(shè)備標(biāo)定，提供良好的基礎(chǔ)。將天氣雷達(dá)基本反射率產(chǎn)品與其他氣象監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行融合疊加，豐富了Surfer在氣象行業(yè)中的應(yīng)用范圍。