L波段雷達(dá)觀測自動化開發(fā)與應(yīng)用

王小娟 張杰 賈秋蘭

摘 要：高空氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，是天氣預(yù)報(bào)、氣候分析、科學(xué)研究和國際交換的氣象情報(bào)和資料的主要來源。隨著高空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，高空地面一體化的不斷深入，對高空探測系統(tǒng)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(shí)間相關(guān)及其圖文對比，主要是采用C++語言，開發(fā)一套L波段雷達(dá)觀測系統(tǒng)輔助軟件，將其與L波段放球軟件相關(guān)中，達(dá)到觀測自動化的要求。

關(guān)鍵詞：L波段；一體化；自動化；系統(tǒng)

中圖分類號：S163 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)是大氣綜合探測系統(tǒng)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(xué)發(fā)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(jì)50年代我國已建立120個探空站，與國際同步實(shí)施了世界天氣監(jiān)測（www）計(jì)劃。

高空氣象資料[1]為氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣監(jiān)測、應(yīng)急氣象保障、氣候變化研究以及氣候資源開發(fā)提供重要?dú)庀笮畔?，馬力[2]等利用探空雷達(dá)資料對大氣邊界層特征進(jìn)行分析，Р.Г.Рейтнба[3]等利用全球高空探測網(wǎng)資料及其處理方法對氣溫及自由大氣參數(shù)的變化進(jìn)行分析，楊梅[4]等利用探空資料為風(fēng)廓線、GPS/MET水汽觀測等高空遙感設(shè)備相對比對作為參考標(biāo)準(zhǔn)，周毓荃[5]等利用探空秒數(shù)據(jù)，計(jì)算分析不同云垂直結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了相對濕度閾值判斷云垂直結(jié)構(gòu)方法的可行性。

隨著科技的進(jìn)步，越來越多領(lǐng)域需要高空資料的前提下，高空觀測質(zhì)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(shù)據(jù)集，可以進(jìn)行信息化格式檢查、旬合計(jì)值檢查、氣候極值檢查，張聰娥[7]對影響高空探測數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)障礙物遮擋、電磁干擾、雷達(dá)保障能力不足都有影響，郭鳳娟[8]發(fā)現(xiàn)凈舉力與探空高度在某種程度上呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，總結(jié)出了不同天氣下凈舉力的選取范圍。

L波段高空觀測系統(tǒng)軟件是與L波段高空探測系統(tǒng)配套使用的組合軟件，包括“放球軟件”、“數(shù)據(jù)處理軟件”、“文件備份軟件”、“模擬訓(xùn)練軟件”和若干工具軟件，黃紅梅[9]闡述了L波段雷達(dá)探測系統(tǒng)替代59-701C 型雷達(dá)探測系統(tǒng)的必要性，李偉[10]等對L波段高空氣象探測系統(tǒng)基本功能及其操作進(jìn)行了詳細(xì)的描述，李建英[11]、周處強(qiáng)[12]等對L波段業(yè)務(wù)軟件中存在的問題進(jìn)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(shù)[16-17]的不斷發(fā)展，對L波段高空系統(tǒng)軟件[18-21]的要求也越來越高。如何開發(fā)出更符合現(xiàn)代科技發(fā)展更自動化的軟件成了一項(xiàng)重要的課題。

1 設(shè)計(jì)背景及現(xiàn)狀

L波段雷達(dá)高空探測實(shí)現(xiàn)了自動抓球、自動跟蹤、自動測距、自動數(shù)據(jù)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(qiáng)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(shí)施探空、地面觀測一體化后，這些問題更加突出體現(xiàn)，主要體現(xiàn)在3個方面。

1.1 瞬間數(shù)據(jù)讀取

瞬間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取、錄入的錯誤。

1.2 報(bào)文發(fā)送處理

報(bào)文發(fā)出前，只能看到數(shù)字報(bào)文，對探測中出現(xiàn)的飛點(diǎn)、亂點(diǎn)以及測風(fēng)數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)跳變、跑球等問題難以直觀發(fā)現(xiàn)，造成數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有一定偏差。

1.3 錯發(fā)現(xiàn)象處置

全國多次出現(xiàn)由于時(shí)間、日期錯誤引起的報(bào)文出錯等現(xiàn)象，河北省也出現(xiàn)過2次以上的錯發(fā)情況，致使發(fā)報(bào)錯誤整次觀測記錄作廢。

1.4 小結(jié)

鑒于以上問題，有必要在目前L波段軟件上開發(fā)自動讀取自動站觀測資料、報(bào)文圖像形成以及時(shí)間相關(guān)等功能，實(shí)現(xiàn)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(bào)文編制、發(fā)送過程中出現(xiàn)的問題。

2 設(shè)計(jì)思路與方法

采用C++語言，開發(fā)一套L波段雷達(dá)觀測系統(tǒng)輔助軟件，將其與L波段放球軟件相關(guān)中。

與L波段雷達(dá)觀測系統(tǒng)輔助軟件開發(fā)人員協(xié)作共同開發(fā)約定控件L波段軟件對應(yīng)的接口關(guān)系；研發(fā)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(bào)文編碼。

3 軟件自動化及其相關(guān)功能

3.1 瞬間觀測自動化

進(jìn)行業(yè)務(wù)觀測時(shí)，通過輔助軟件搜尋自動站觀測數(shù)據(jù)文件，按高空觀測規(guī)范要求的時(shí)間調(diào)取、讀取相應(yīng)時(shí)間的觀測數(shù)據(jù)，并將這些自動站觀測到的地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)顯示在L波段放球軟件瞬間觀測值對應(yīng)的位置，并按規(guī)范要求對儀器的合格與否做出判斷，從而實(shí)現(xiàn)L波段自動瞬間觀測的目的。

在自動氣象站計(jì)算機(jī)上，將分鐘常規(guī)要素文件所在的文件夾設(shè)置為共享，分鐘常規(guī)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(guī)氣象要素分鐘數(shù)據(jù)；IIiii為區(qū)站號；yyyy為年份，MM為月份，DD為日期，月和日期不足2位時(shí)前面補(bǔ)“0”，TXT表示文件為ASCII文本格式。打開高空數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)入本站常用參數(shù)，在文件路徑頁中對瞬間觀測值讀取位置中進(jìn)行自動站的路徑設(shè)置。

3.2 自動站觀測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程顯示軟件

自動站觀測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程顯示軟件可以在高空業(yè)務(wù)機(jī)端實(shí)時(shí)顯示本局域網(wǎng)任何自動站的觀測數(shù)據(jù)，方便高空站在放球時(shí)對輸入的瞬間值進(jìn)行檢查。軟件運(yùn)行后界面所示，軟件界面的左側(cè)是自動站最新1min的觀測數(shù)據(jù)，自動站每更新1組數(shù)據(jù)，軟件也會同步自動更新顯示數(shù)據(jù)，右側(cè)是當(dāng)天自動站所有的觀測數(shù)據(jù)。如圖4。

軟件所有的操作都在左上角的系統(tǒng)菜單中，軟件使用之前，需要先通過這個下拉菜單進(jìn)行參數(shù)的簡單設(shè)置，選系統(tǒng)菜單中的的“設(shè)置”菜單項(xiàng)，軟件彈出圖5的設(shè)置對話框，在對話框上設(shè)置本站站號和自動站分鐘常規(guī)要素文件所在的文件夾，設(shè)置完畢后，按確定鍵，軟件就會自動開始顯示當(dāng)天自動站的觀測數(shù)據(jù)。下來菜單中“總在最上面”菜單項(xiàng)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(diǎn)擊“總在最上面”菜單項(xiàng)，軟件窗口恢復(fù)正?？梢员黄渌能浖翱谡趽酢！八⑿聰?shù)據(jù)”菜單項(xiàng)可以手動刷新所有的數(shù)據(jù)?！帮@示最小界面”菜單項(xiàng)可以讓軟件界面改變成圖6所示，同時(shí)菜單項(xiàng)名改成“顯示全界面”字樣。再次點(diǎn)擊該菜單項(xiàng)，軟件界面改回圖4顯示方式。

3.3 圖文對比和時(shí)間相關(guān)

在報(bào)文形成之時(shí)，解碼高空報(bào)文，形成觀測要素圖像，對比上月同一觀測時(shí)間的各要素平均數(shù)據(jù)；同時(shí)對比報(bào)文形成時(shí)間與當(dāng)前計(jì)算機(jī)時(shí)間，控制報(bào)文的發(fā)送。避免了由于時(shí)間錯誤引起的報(bào)文錯情。

4 推廣應(yīng)用情況

該軟件在完成期間，一直在邢臺探空站的應(yīng)急備份機(jī)上做試運(yùn)行，運(yùn)行2個月以后，在張家口和樂亭氣象局應(yīng)用。運(yùn)行期間未出現(xiàn)因?yàn)樗查g輸入錯和時(shí)間錯引起的錯情，減輕了業(yè)務(wù)人員的工作量，提高了探測質(zhì)量。

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代化觀測技術(shù)與觀測設(shè)備不斷發(fā)展，觀測系統(tǒng)必將進(jìn)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(fā)展，對軟件系統(tǒng)的要求會越來越高，雖然觀測系統(tǒng)軟件已經(jīng)趨于完善但仍存在一些細(xì)節(jié)方面的問題：當(dāng)規(guī)定等壓面、特性層、零度層、對流層頂在同一高度時(shí)（ 或重合時(shí)），氣象要素值有一項(xiàng)或者多項(xiàng)有微小出入；探測過程中出現(xiàn)的明顯飛點(diǎn)，不能自動刪除，導(dǎo)致放球軟件和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行高度替代斜距的時(shí)候出現(xiàn)不一致，如何解決這些問題，還需要在以后的工作中按照規(guī)范和軟件要求進(jìn)一步完善。

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