基于氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的人工增雨作業(yè)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王霄, 孫建印, 趙宇, 李玉濤

(1.徐州市氣象局, 江蘇, 徐州 221000;2.江蘇省氣象信息中心, 江蘇, 南京 210000)

0 引言

氣象部門實(shí)施人工增雨[1-3]是當(dāng)前抵御干旱的一種高效手段,加強(qiáng)人工影響天氣(簡稱“人影”)組織工作將會顯著提高人影作業(yè)效率,從而產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。氣象雷達(dá)具有覆蓋面廣、時空分辨率高及性能穩(wěn)定等優(yōu)勢,在對流性天氣監(jiān)測和預(yù)警[4]、降雨估測[5]和改善高分辨率數(shù)值預(yù)報初始場等方面發(fā)揮了巨大作用。根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求,江蘇省布設(shè)了S波段多普勒氣象雷達(dá),最大探測距離可達(dá)460 km,能夠探測到反射率因子、徑向速度等數(shù)據(jù)。將氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用到人工增雨中[6],能夠?qū)μ鞖庑蝿葸M(jìn)行短時臨近監(jiān)測,輔助決策分析,從而實(shí)施科學(xué)作業(yè)。目前地市級人影作業(yè)指揮與分析[7]中大多依賴?yán)走_(dá)顯控終端(PUP)進(jìn)行監(jiān)測和輔助決策。PUP可以接收RPG處理生成的雷達(dá)產(chǎn)品以及系統(tǒng)狀態(tài)信息,并以圖文形式提供給終端用戶用于天氣分析,雖然它產(chǎn)品繁多但只能依靠簡單識別圖像進(jìn)行主觀判斷,不便于進(jìn)行一些復(fù)雜的交互式處理。

本文使用MATLAB與Python語言混合編程對氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)作業(yè)云體類型特征對解析出的不同雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)定相應(yīng)的閾值條件,結(jié)合現(xiàn)行人影作業(yè)流程及上級主管部門相關(guān)要求,編寫了人工增雨作業(yè)指揮系統(tǒng),能夠準(zhǔn)確識別出適宜開展作業(yè)的目標(biāo)云體單元并計(jì)算出作業(yè)指令,可以大大提高工作效率和決策水平,為精準(zhǔn)作業(yè)提供客觀合理的參考依據(jù)。

1 雷達(dá)數(shù)據(jù)資料和處理分析

1.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)資料

使用S波段多普勒氣象雷達(dá)(CINRAD/SA)數(shù)據(jù),實(shí)際工作中采用單/雙偏振并行方式,在雷達(dá)體掃過程中會生成新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)、單偏振雷達(dá)產(chǎn)品、雙偏振雷達(dá)基數(shù)據(jù)及產(chǎn)品。它們均為二進(jìn)制數(shù)據(jù),根據(jù)CMA默認(rèn)文件存儲格式,統(tǒng)一的文件擴(kuò)展名為bin,數(shù)據(jù)類型主要包括:INT-4字節(jié)整型,SHORT-2 字節(jié)整型,CHAR*N-N字節(jié)字符型,FLOAT-4字節(jié)浮點(diǎn)類型,符合IEEE754規(guī)范,LONG-8字節(jié)整型。

基數(shù)據(jù)文件分為多個區(qū)塊,每個區(qū)塊描述一組信息,如站點(diǎn)配置塊用來描述雷達(dá)站的信息,包括經(jīng)緯度、天線架設(shè)高度等。基數(shù)據(jù)可分為公共數(shù)據(jù)塊和徑向數(shù)據(jù)塊:公共數(shù)據(jù)塊用于提供數(shù)據(jù)站點(diǎn)信息、任務(wù)配置等公共信息;徑向數(shù)據(jù)塊用于存儲雷達(dá)探測資料,包括徑向頭、徑向數(shù)據(jù)頭以及徑向數(shù)據(jù)。

在人影作業(yè)指揮中,常用的有基本反射率(R)、徑向速度(V)、組合反射率(CR)、垂直累計(jì)液態(tài)水含量(VIL)和回波頂高(ET)等,根據(jù)相應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,以徐州雷達(dá)站為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建平面直角坐標(biāo),各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品按照相應(yīng)色標(biāo)顯示。

1.2 數(shù)據(jù)處理分析

MATLAB是用于數(shù)據(jù)分析、模擬仿真和計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域的高級計(jì)算語言和交互式環(huán)境,它的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣,因其強(qiáng)大的計(jì)算和繪圖功能在氣象數(shù)據(jù)分析[8-9]中得到了廣泛的應(yīng)用。Python作為一種面向?qū)ο蟮母呒壵Z言,因其動態(tài)特征以及解釋型語言的本質(zhì)而成為多數(shù)平臺上寫腳本和快速開發(fā)應(yīng)用的編程語言,它提供了豐富的開源工具和框架。新版本MATLAB的官方文檔中介紹了與其他編程語言之間的接口,其中提供了對Python開放的引擎API(見圖1),包括引擎安裝、基本使用方法以及與Python之間的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換及交互。

圖1 在MATLAB環(huán)境中調(diào)用Python的安裝程序接口

PyCINRAD支持Python 3.6及以上的版本,該模塊用于處理CINRAD雷達(dá)數(shù)據(jù),除了可視化之外,對于數(shù)據(jù)的提取、網(wǎng)格化處理等計(jì)算都比較便捷,能夠支持現(xiàn)行業(yè)務(wù)中使用的SAD/SA/SB等主要?dú)庀罄走_(dá)數(shù)據(jù)格式。其中,CinradReader( )用于讀取老版本的數(shù)據(jù),StandardData( )則用來讀取新版雙偏振雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。主要功能模塊如表1所示。

表1 PyCINRAD模塊功能簡介

因不同雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式不盡相同,為便于調(diào)用而建立一個雷達(dá)產(chǎn)品處理函數(shù)包Radar_draw,將各類處理函數(shù)匯總歸納,在使用過程中僅需將函數(shù)包路徑添加即可按需快速訪問調(diào)用。部分處理函數(shù)清單如表2所示。

表2 Radar_draw函數(shù)包索引簡表

1.3 人工增雨作業(yè)指令計(jì)算

1.3.1 計(jì)算增雨作業(yè)用彈量

江蘇省目前使用的人工增雨作業(yè)工具是WR-98型火箭,最大射高8.0±5 km,催化劑AgI含量33.3 g,在-10 ℃時成核率為1.8×1015個/g。根據(jù)鄰近作業(yè)點(diǎn)且在可能作業(yè)影響范圍內(nèi)的目標(biāo)增雨作業(yè)云體單元體積計(jì)算所需AgI含量(1枚火箭彈影響范圍約為200 km2),再結(jié)合單枚WR-98人影火箭彈攜帶的AgI含量及成核率估算一次增雨作業(yè)大致需要發(fā)射的火箭彈數(shù)量。相關(guān)的關(guān)鍵代碼如圖2所示。

圖2 計(jì)算增雨作業(yè)用彈量的關(guān)鍵代碼

1.3.2 作業(yè)方位角

安全射界圖經(jīng)過不斷修改完善,現(xiàn)主要參照《人工影響天氣火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制規(guī)范》[10]規(guī)定了人工影響天氣火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界選取、安全射界圖標(biāo)繪要求,適用于人工影響天氣火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界圖的繪制。將安全射界圖(其中以10 km為半徑的圓(虛線表示)為最大落區(qū)邊界,安全落區(qū)為編號的扇形區(qū)域)疊加在GIS信息和雷達(dá)產(chǎn)品之上并將安全發(fā)射范圍以列表形式展示,為精準(zhǔn)定位提供具體數(shù)據(jù),如圖3所示。相關(guān)的關(guān)鍵代碼如圖4所示。

圖3 在雷達(dá)產(chǎn)品圖像上疊加人影安全射界

圖4 繪制人影安全射界圖的關(guān)鍵代碼

使用最新版安全射界圖后,對于每一個作業(yè)點(diǎn)而言,可作業(yè)的方位角范圍就已經(jīng)被限定(確定的安全落區(qū)),在云體移動變化過程中根據(jù)作業(yè)點(diǎn)位置和安全落區(qū)中某一點(diǎn)位置來確定作業(yè)方位角。

1.3.3 作業(yè)仰角

以作業(yè)點(diǎn)為起點(diǎn)在合理方位角上做反射率產(chǎn)品的垂直剖面并疊加探空數(shù)據(jù)顯示的溫度層高度線,使用不同仰角發(fā)射的火箭彈起始播撒點(diǎn)、最高點(diǎn)、結(jié)束播撒點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合播撒段多條飛行軌跡,舍去最高點(diǎn)在-4 ℃層以下、h_max-1

2 人工增雨作業(yè)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架與模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用C/S模式,適用于氣象部門業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng),集短臨天氣監(jiān)測、人影作業(yè)指令計(jì)算等功能為一體,可適用于地市級人工增雨作業(yè)指揮的數(shù)據(jù)處理,為氣象服務(wù)工作提供了便捷可行的工作方法和手段。軟件平臺的各類人機(jī)交互、實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析等能實(shí)時響應(yīng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示,用戶可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要有選擇地調(diào)用,系統(tǒng)運(yùn)行主程序界面如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)處理流程

圖6 人工增雨作業(yè)指揮系統(tǒng)

短臨監(jiān)測模塊:該模塊融合PUP、CPAS等平臺的監(jiān)測功能,通過實(shí)時調(diào)用基數(shù)據(jù)和雷達(dá)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)對短臨天氣的監(jiān)測;將雷達(dá)數(shù)據(jù)分為CINRAD/SA、RADR、CINRAD/SAD、RADD4大類,并將實(shí)時獲取的數(shù)據(jù)產(chǎn)品寫入列表,可以訪問不同時次、不同仰角的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)對流區(qū)域的識別追蹤。

作業(yè)指令計(jì)算模塊:該模塊將最新安全射界圖疊加在雷達(dá)產(chǎn)品上并以列表形式將與安全落區(qū)相對應(yīng)的方位角范圍、發(fā)射仰角范圍進(jìn)行標(biāo)識;實(shí)現(xiàn)增雨火箭發(fā)射及播撒催化劑的模擬仿真,對作業(yè)點(diǎn)周圍雷達(dá)數(shù)據(jù)做空間剖面并疊加催化劑播撒曲線;能夠快速計(jì)算適合作業(yè)的方位角,根據(jù)回波變化選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)射仰角,科學(xué)選取用彈量,最終生成規(guī)范格式的上報數(shù)據(jù)表。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用個例應(yīng)用分析

以2020年6月12日徐州督公山的一次人工增雨為例開展應(yīng)用分析,首先根據(jù)人影作業(yè)潛力預(yù)報和天氣形勢分析結(jié)果制定合理的作業(yè)計(jì)劃,按照一定格式做好前期數(shù)據(jù)采集,通常應(yīng)包括探空資料(主要用于確定0、-4、-10 ℃溫度層高度)、作業(yè)單位、擬定作業(yè)點(diǎn)、作業(yè)人員、車輛及對應(yīng)的火箭作業(yè)系統(tǒng)、火箭彈編號等。按照使用習(xí)慣做地圖顯示設(shè)置,結(jié)合本地天氣形勢根據(jù)積層混合云特征對雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的閾值進(jìn)行設(shè)定,如圖7所示。

圖7 設(shè)定雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品閾值

針對人工影響天氣實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn),將高頻次實(shí)時雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用于人工影響天氣作業(yè)指揮,通過數(shù)據(jù)采集功能模塊更新數(shù)據(jù)列表(毎10 s刷新1次以獲取最新雷達(dá)數(shù)據(jù))。使用反射率產(chǎn)品(R)、垂直累計(jì)液態(tài)水含量(VIL)和回波頂高(ET)等對降水變化趨勢進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(見圖8(a)～圖8(c)),根據(jù)回波移動速度初步判斷增雨作業(yè)時機(jī)。在增雨作業(yè)指揮過程中,選定鄰近目標(biāo)云體的作業(yè)點(diǎn),在雷達(dá)產(chǎn)品上疊加GIS信息、作業(yè)點(diǎn)位置、安全射界圖等必要信息。根據(jù)08:22識別出的目標(biāo)降水云體強(qiáng)回波區(qū)范圍估算云體體積,進(jìn)而測算用彈量為2(見圖8(d))。

(a) 短臨監(jiān)測CR并識別云體強(qiáng)回波區(qū)域廓線

由鄰近作業(yè)點(diǎn)的降水云體中較強(qiáng)回波質(zhì)心位置和移動變化趨勢初步選定目標(biāo)發(fā)射方位角范圍,過濾非降水回波,根據(jù)設(shè)定的回波閾值識別目標(biāo)作業(yè)云體外廓線(見圖8(e))。作業(yè)方位角的選取按照以下幾個步驟執(zhí)行。

(1) 過濾非降水回波,根據(jù)設(shè)定的參數(shù)閾值識別目標(biāo)作業(yè)云體外廓線。

(2) 計(jì)算目標(biāo)云體與安全扇形落區(qū)存在交集的方位角范圍序列為次優(yōu)解。

(3) 根據(jù)降水回波平均移動速度逐步擴(kuò)大距離圈,計(jì)算每一個距離圈內(nèi)的目標(biāo)云體單元的質(zhì)心位置,通過線性擬合獲取質(zhì)心變化的方位角,包含此方位角的序列即為最優(yōu)解。

(4) 通過(2)、(3)進(jìn)一步縮小范圍,獲取合理的方位角。

以作業(yè)點(diǎn)位置為起點(diǎn),目標(biāo)發(fā)射方位角(230°)上穿過云體強(qiáng)回波區(qū)后劃定剖面線做垂直剖面分析,疊加擬合的WR-98火箭彈播撒催化劑曲線(見圖8(f))及不同溫度層高度線,對作業(yè)過程進(jìn)行仿真模擬,按照目標(biāo)云體位置及運(yùn)動變化趨勢做出預(yù)判,確定合理的作業(yè)仰角為60°。

4 總結(jié)

為提高人工增雨作業(yè)指揮效率以及對降水天氣形勢的決策分析能力,本文將業(yè)務(wù)工作流程歸納整理,基于多普勒氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)對降水天氣進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并結(jié)合現(xiàn)行業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)一套指揮系統(tǒng)來指導(dǎo)具體作業(yè)。系統(tǒng)使用MATLAB和Python混合編程將整個人工增雨指揮流程中所涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行分步處理,解析出相應(yīng)的雷達(dá)產(chǎn)品,將射界圖與GIS信息等數(shù)據(jù)共同疊加在軟件界面,還可以根據(jù)天氣狀況和雷達(dá)回波變化趨勢快速進(jìn)行識別并計(jì)算作業(yè)指令。本文方法相對于傳統(tǒng)的主觀分析判斷更加合理可靠,也進(jìn)一步提高了人影工作在防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)文明建設(shè)和大氣污染防治等方面的能力和效益。下一步將致力于強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施和裝備建設(shè),完善體制機(jī)制,加快關(guān)鍵技術(shù)的科技創(chuàng)新,不斷提高作業(yè)能力、管理水平和服務(wù)效益,完善系統(tǒng)使其成為集成度高、響應(yīng)迅速、自動化水平高的指揮系統(tǒng),為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民群眾安全提供堅(jiān)實(shí)保障。