吉林省天氣雷達逐仰角流數據實時監測平臺設計

吳天亭 徐昕 江曉玲

1. 吉林省氣象信息網絡中心 吉林 長春 130062；

2. 吉林省氣象災害防御技術中心 吉林 長春 130062

引言

隨著氣象部門的雷達業務改革的推進，文件形式的雷達文件已被淘汰，流形式的雷達數據占據了主要業務地位，基于B/S設計的實時監測平臺能提供高實時性的雷達監測業務需求。為了提高數據傳輸時效，更好滿足氣象預報服務的需求，在天氣雷達數據流傳輸的應用端設計基于B/S的實時監測平臺。

新一代天氣雷達數據流傳輸依托國內氣象通信系統（CTS）數據環境，雷達站通過升級軟件，實現標準格式雷達基數據流的輸出和上行傳輸；通過升級省級氣象通信系統，增加數據流（Socket）傳輸功能，接收雷達站上行基數據流雷達站每完成1個徑向掃描，即將該徑向數據以TCP Socket方式分發至省級CTS系統，省級接收徑向流數據后直接向國家級通信系統轉發，同時生成全體掃和逐仰角的基數據文件，用于存儲和應用[1]。生成的文件存儲到省級氣象數據環境中并通過標準數據接口提供給省級業務使用。在每次逐仰角掃描的過程中，可實時通過流傳輸方式，將數據傳輸至省級CTS系統中，并在CTS系統中生成仰角掃描文件，在本地存儲共享并應用于業務系統。

1 國內外氣象可視化現狀

目前，吉林省雷達站有長春，白山，白城，吉林，延吉，遼源，松原等7個雷達站點，7部雷達都是CC型號的雷達。目前中國氣象局考核的雷達有6部，沒有吉林雷達[2]。雷達數據是預報業務特別是中短期預報的重要參考數據。傳統的雷達監測軟件通過在客戶端輪詢的方式，向服務端詢問是否有新的雷達數據產生，如果有再加以顯示。因為雷達傳輸方式的改革，雷達數據的壓縮格式也有所改變，例如雷達的每庫的距離有原來的300m更改為現在的150m。在雷達進行流傳輸時，平臺關注的參數有庫長，庫數，方位角，仰角，雷達數據文件每個數據的大小，包括徑向編號等。這些參數可以保證雷達實時監測平臺的運行[3]。

因為雷達流傳輸在吉林省氣象業務使用的時間較短，國內雷達流C/S系統軟件在全國各省使用比較普遍，基于B/S設計的實時監測平臺在業務中還是短板。

2016年，廣州、沈陽、合肥和中國氣象局完成了雷達流傳輸的試運行工作，目前吉林省氣象局雷達流傳輸已經正式業務運行[4]。雷達數據落地格式分為3種，分別是徑向格式、逐仰角格式和全體掃格式。本平臺設計的是針對逐仰角格式的天氣雷達數據。

2 實時監測總體設計

吉林省氣象業務當中，天氣雷達每完成一個體掃生成一個基數據文件，并通過國內氣象同學系統上傳至國家級，一個完整的體掃過程大約需要6min，體掃完成且形成基數據文件后方可傳輸該基數據文件。

平臺總體設計采用前后端分離技術。

設計流程為由吉林省天擎平臺將雷達逐仰角數據推送到平臺的后臺服務器，后端程序將二進制的雷達流數據解析為JSON格式數據，并落地保存[5]。再有后端程序監控JSON文件的內容變化，如果JSON文件內容出現更改，就通過Web Socket技術將JSON文件傳輸到前端平臺。

前端系統也通過Web Socket接收到后臺的數據，將文件放入文件隊列，將雷達站號放入定時器隊列。定時器啟動，在瀏覽器將雷達流數據按仰角按徑向根據雷達的參數時間掃描顯示。業務人員提高業務人員使用的實時性和準確性。

整體數據設計分為3部分[6-7]：

第一部分，逐仰角雷達流數據解析，逐仰角的雷達流數據區別與傳統的雷達基數據文件，本平臺利用Java語言監測吉林省天擎平臺推送的雷達流數據，將數據轉為JSON格式傳輸到雷達json文件監控程序目錄下。

第二部分，雷達JSON文件監控程序，JSON文件以雷達站號加上雷達體掃層數為文件名。

因為雷達基數據數據量巨大，如果按照每一個轉換文件都落地，服務器存儲壓力巨大。

第三部分，前端實時監測平臺，前端系統以自建的gis發布的地圖為底圖，用第三方的leaflet作為地圖和javascript的接口。根據每一個仰角的掃描角度將回波映射到gis上。

2.1 Web Socket技術棧

選用Web Socket技術進行傳輸，將數據推送到前端而不是使用傳統的ajax，Web Socket技術可以節省前后端系統開銷，并且用阻塞而不是輪詢的方式來接收數據。Web Socket技術是在吉林省氣象局現有的雷達系統中，首先使用的Web技術，也是對提高雷達系統實時性的探索。

Web Socket的技術特點區別與傳統的ajax方式，ajax通信請求由前端客戶端發起，而Web Socket的請求則是由服務端發起通信請求。

和傳統的B/S系統設計相比，優勢有[8-9]：①建立在TCP協議之上，服務器端的實現比較容易。服務端可以根據自己的狀態變化，對客戶端發出請求。不用輪詢，也不要保持http協議的連接。②與HTTP協議有著良好的兼容性。③協議傳輸格式占帶寬較小，對于帶寬占比很大的雷達數據，有很大的傳輸優勢。④如果帶寬受限可以直接傳輸二進制數據，然后在前端解析。⑤不涉及跨域問題。

2.2 前后端分離技術棧

該平臺沒有選擇傳統的MVC結構開發，而是選用前后端分離的技術。有以下幾點原因：

2.2.1 提高業務平臺開發效率，擅長前端技術的開發人員，可以專注于前端開發，并且可以選用任何一種語言進行后端開發，有利于平臺開發結束后的系統維護。

2.2.2 利于業務擴展，前端的數據接口開發完成，無論是以后雷達數據格式發生變化還是后端邏輯發生變化，都不用更改前端代碼，就可以完成后端程序的擴展。

前端沒有選用現有的javascript框架，直接用原生javascript操作文檔進行實時監測平臺的UI設計。后端選用java語言，利用spring框架對數據進行解析，包括和前端的數據交互。

2.3 平臺服務器搭建

后臺服務器需要Java環境安裝和FTP服務器搭建。ftp接收吉林省氣象信息網絡中心天擎系統推送的雷達流數據[10]。前端服務器通過nodejs的http-server模塊將編譯過的前端程序發布到網絡中。值得注意的是在后臺程序當中要及時刪除天擎推送的數據，如果處理不及時，不只會導致后臺服務器存儲空間達到百分之百，還會導致吉林省氣象信息網絡中心的數據推送系統故障[11]。

2.4 雷達流數據格式與JSON數據格式

吉林省氣象局的雷達型號主要以四創公司的CC雷達為主。CC/CCJ雙偏振雷達符合技術標準統一的要求，基數據的距離分辨率均為150m。相比單偏振雷達，基數據中主要差別為增加了4種雙偏振量 ZDR、KDP、CC和φDP，此外還增加了 SNRHVCP21單偏振體掃配置。

表1 CC/CCJ（技術標準統一后）VCP21 單偏振體掃配置

續表

Java程序將雷達數據處理成固定格式的JSON數據，JSON格式固定參數設置如下表：

表2 JSON文件屬性字段表

雷達JSON文件監控程序通過監控JSON文件內容的變化將JSON數據傳輸到平臺的前端。

2.5 前端數據處理

實時數據主要是前端對雷達流徑向數據的處理。根據雷達數據的特點，本平臺選用了最簡單的線性插值法[12]。

線性插值法是將連接兩個已經知道具體數值的點，然后通過將兩個點連為一條直接，通過線性直線來確定空白點的數值的方法。例如A點坐標為（a0，a1），B點坐標為（b0，b1），那么將兩個點連接，指使用連接兩個已知量的直線來確定在這兩個已知量之間的一個未知量的值的方法。我們得到兩點式直線方程:假設方程兩邊的值為α，那么這個值就是插值系數—從 a0到x的距離與從a0到bo距離的比值。由于x值已知，所以可以從公式得到確定的值 這樣通過求出的值就可以直接得到 y。實際上，即使x不在a0到b0之間并且所求的值也不是介于0到1之間，這個公式也是成立的。

3 結束語

吉林省雷達逐仰角雷達流監測平臺沒有選擇前端框架，是因為對實時性要求比較高，不選用額外的javascript模塊，可以提高實時性能。Web Socket技術是最適用逐仰角這種實時要求比較高的數據傳輸技術棧。后續將對全國的雷達流數據進行擴展。

天氣雷達是監測、預警突發性災害天氣最有 效的手段之一，在氣象預報業務中發揮著重要作 用，保證天氣雷達數據及時完整地傳輸，提高天氣雷達數據傳輸成功率是有效助力氣象預報的方式

安全隱患零容忍的原則。通過技術手段解決設備隱患是技術人員的不斷追求。該方案具有網絡可靠性高、故障恢復時間短以及良好的經濟性等特點，對業務發展具有探索意義。