長三角地區(qū)雷達(dá)同步觀測組網(wǎng)拼圖技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

林紅 華韻子 秦虹

摘? 要：針對短時臨近天氣預(yù)報對多普勒天氣雷達(dá)資料的高實(shí)時性要求，基于雷達(dá)組網(wǎng)同步觀測、基數(shù)據(jù)采集和實(shí)時傳輸技術(shù)支持，設(shè)計研發(fā)了長三角地區(qū)12部雷達(dá)的三維組網(wǎng)拼圖系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，拼圖時效提高20分鐘以上。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)拼圖;同步觀測;質(zhì)量控制

中圖分類號：TP399? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Aiming at the high real-time requirements for Doppler weather radar data in term of forecast and nowcasting，based on the support of radar synchronous observation，base data acquisition and real-time transmission technology，the paper designs and develops a three-dimensional radar mosaic system for the 12 radars in the Yangtze River Delta region.The system runs stably and reliably，and the efficiency of the mosaic radar is increased by more than 20 minutes.

Keywords：radar mosaic;synchronous observation;quality control

1? ?引言（Introduction）

隨著社會發(fā)展、氣象科技進(jìn)步和預(yù)報服務(wù)需求不斷提高，對強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警能力的要求越來越高;而臨近預(yù)報對多普勒天氣雷達(dá)資料的實(shí)時性有較強(qiáng)的依賴性。由于雷達(dá)基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大且時間分辨率高，對數(shù)據(jù)傳輸及同步時效提出了很高的要求。目前長三角地區(qū)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的資料是各雷達(dá)站觀測采樣后，通過省局傳輸至中國氣象局，再由中國氣象局向各省氣象局廣播接收，時間滯后明顯，無法滿足氣象服務(wù)對短臨預(yù)報的精細(xì)化需求。本項目針對2018年上海進(jìn)口博覽會和長三角地區(qū)強(qiáng)對流天氣聯(lián)防和預(yù)警業(yè)務(wù)的需要，參考目前雷達(dá)質(zhì)量控制[1，2]和網(wǎng)格化[3]方法，基于雷達(dá)組網(wǎng)同步觀測、基數(shù)據(jù)采集和實(shí)時傳輸[4]技術(shù)支持，設(shè)計研發(fā)了長三角地區(qū)12部新一代天氣雷達(dá)的三維組網(wǎng)拼圖系統(tǒng)，大幅度提高雷達(dá)拼圖時效。

2? ?業(yè)務(wù)流程及關(guān)鍵技術(shù)（Business processes and key technology）

2.1? ?業(yè)務(wù)流程

本項目選取長三角地區(qū)12部雷達(dá)進(jìn)行同步觀測并組網(wǎng)拼圖，其中上海1部（青浦）、江蘇6部（南京、南通、鹽城、徐州、連云港、常州）、安徽2部（合肥、阜陽）、浙江3部（杭州、湖州、寧波）。12部雷達(dá)同時啟動觀測，通過流傳輸、文件化處理保存到上海數(shù)據(jù)服務(wù)器中，拼圖程序?qū)崟r從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)完成三維組網(wǎng)拼圖。

圖2為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理層的流程框架圖，該層主要是數(shù)據(jù)接口和核心算法。首先讀取各雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)，借鑒目前雷達(dá)質(zhì)量控制[1，2]和網(wǎng)格化[3]方法，采用并行處理技術(shù)進(jìn)行多部雷達(dá)資料的質(zhì)量控制，并轉(zhuǎn)化為單雷達(dá)的三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)。通過雷達(dá)組網(wǎng)模塊，生成雷達(dá)反射率的三維組網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，并生成組合反射率、回波頂高等拼圖產(chǎn)品。在處理過程中根據(jù)時次自動判讀是否有數(shù)據(jù)缺失，如有則進(jìn)行補(bǔ)算，以保證產(chǎn)品的連續(xù)性。

圖2 數(shù)據(jù)處理層流程框架圖

Fig.2 Process framework of data processing layer

2.2? ?關(guān)鍵技術(shù)

（1） 雷達(dá)同步觀測傳輸技術(shù)

為降低天氣雷達(dá)資料的探測時間誤差，以保證用于短時臨近預(yù)報分析的雷達(dá)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性和數(shù)據(jù)到達(dá)的及時性，采用雷達(dá)數(shù)據(jù)同步觀測及數(shù)據(jù)流傳輸實(shí)時獲取雷達(dá)三維探測數(shù)據(jù)。

時鐘同步：通過寬帶網(wǎng)時鐘同步服務(wù)器給全網(wǎng)絡(luò)提供時間服務(wù)，用于校準(zhǔn)省級流傳輸服務(wù)器的時間，服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)再將時間同步到各雷達(dá)站的RDASC計算機(jī)上，以保持各雷達(dá)基準(zhǔn)時間的完全一致，考慮到網(wǎng)絡(luò)延遲的因素，整網(wǎng)時間服務(wù)的精度可達(dá)500ms。各雷達(dá)站與省級流傳輸服務(wù)器直接建立TCP/IP連接，帶寬要求500kbps以上，實(shí)際占用250kB以下。

雷達(dá)數(shù)據(jù)流傳輸流程：如圖3所示，雷達(dá)站在掃描的同時輸出標(biāo)準(zhǔn)格式雷達(dá)基數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流通過專用寬帶網(wǎng)同步傳送到各省自己的省級傳輸服務(wù)器，省級傳輸服務(wù)器通過專用寬帶網(wǎng)同步轉(zhuǎn)發(fā)到上海傳輸服務(wù)器，經(jīng)過文件化處理后生成標(biāo)準(zhǔn)格式逐仰角（PPI）體掃文件和全體掃文件，生成的文件保存到上海數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，通過標(biāo)準(zhǔn)接口提供給業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)使用。

（2）雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

雷達(dá)回波除降水產(chǎn)生的回波外，一些昆蟲、鳥群、異常傳播（AP）、地物（GC）等都會產(chǎn)生回波，這些非降水回波我們稱之為雜波。雜波對雷達(dá)資料的應(yīng)用準(zhǔn)確性會產(chǎn)生很大的影響，去除雜波是雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的首要任務(wù)。

本文采用了參考平面法進(jìn)行質(zhì)量控制。參考Zhang J等人[1]提出的方法，利用降水回波和非降水回波具有不同的水平反射率結(jié)構(gòu)和垂直反射率結(jié)構(gòu)的特性來識別和刪除雜波。

反射率水平結(jié)構(gòu)特征值用TDBZ度量，表示為：

其中，i、j分別是反射率庫在方位和距離方向上的序號值，Z代表反射率值，單位dBZ，nrays和ngates表示以給定庫為中心的方位和距離的庫的個數(shù)。N=nrays*ngatess表示參與計算的方位和距離庫的總個數(shù)。nrays和ngates缺省值均為7。

垂直反射率結(jié)構(gòu)特征值用VTDZ度量，表示為：

其中，Z是需要檢查的反射率值，是參考平面的反射率數(shù)值。和分別是Z和的相對應(yīng)的高度。VTDZ單位是dBZ/km。

選擇3km高度平面作為參考平面。在參考平面以下，用反射率因子垂直梯度識別雜波，如果給定庫的VTDZ值比閾值大（18dBZ/km），則認(rèn)定該庫值為雜波值并刪除它。在參考平面以上，用反射率因子水平梯度識別雜波，如果給定庫的TDBZ值比閾值大（24dBZ/km），則認(rèn)定該庫值為雜波值并刪除它。

經(jīng)過效果驗(yàn)證，參考平面法對于固定地物雜波和近距離處AP地物雜波抑制效果明顯。

（3）格點(diǎn)化插值方法

雷達(dá)基數(shù)據(jù)是以雷達(dá)為中心的球坐標(biāo)存儲的，即通過方位和徑向距離、仰角三個要素來識別其空間幾何位置，拼圖前需要先將各雷達(dá)站反射率資料進(jìn)行格點(diǎn)化處理，將球坐標(biāo)系下的空間分布不均勻的雷達(dá)資料插值到笛卡爾坐標(biāo)系下的空間分辨率均勻的網(wǎng)格點(diǎn)資料。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化，我們利用笛卡爾坐標(biāo)系下網(wǎng)格點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、高度計算出其在球坐標(biāo)系中徑向距離、方位和仰角，根據(jù)計算出的徑向距離、方位和仰角在雷達(dá)球坐標(biāo)系中的位置，采用8點(diǎn)插值法得到該網(wǎng)格點(diǎn)的分析值，較好地保留了體掃資料中原有的反射率結(jié)構(gòu)特征。

設(shè)某一網(wǎng)格點(diǎn)在雷達(dá)球坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)為（r，a，e），r為徑向距離，a為方位角，e為仰角。網(wǎng)格點(diǎn)（r，a，e）落在臨近該網(wǎng)格點(diǎn)的8個雷達(dá)距離庫、、、、、、、圍成的椎體內(nèi)，如圖4所示。網(wǎng)格點(diǎn)（r，a，e）的反射率分析值由這8個臨近點(diǎn)的觀測值進(jìn)行反權(quán)重插值得到，計算見公式（3）。

（4）重疊區(qū)域的拼圖處理方法

雷達(dá)三維拼圖的任務(wù)是將單站雷達(dá)經(jīng)過格點(diǎn)化處理后形成的反射率格點(diǎn)場進(jìn)行拼接。在拼圖網(wǎng)格范圍內(nèi)有很多區(qū)域存在來自多部雷達(dá)的多個探測值，對于重疊區(qū)域的處理，系統(tǒng)設(shè)計了最大值法和指數(shù)權(quán)重法，在系統(tǒng)中可以自由配置。

（a）最大值法是從覆蓋同一網(wǎng)格單元的多部雷達(dá)反射率值中取最大值，簡單計算公式如下：

在日常業(yè)務(wù)應(yīng)用中更為關(guān)注的是強(qiáng)回波造成的影響，所以最大值法是經(jīng)常應(yīng)用的重疊區(qū)處理方法之一。

（b）拼圖網(wǎng)格中每個網(wǎng)格的反射率分析值通過下面公式計算：

其中，是網(wǎng)格單元i的合成反射率值，是第n個雷達(dá)在網(wǎng)格單元i處的反射率分析值，是給的權(quán)重。N為在網(wǎng)格單元i處有分析值的雷達(dá)站數(shù)。指數(shù)權(quán)重法是基于單個網(wǎng)格單元和雷達(dá)之間的距離，采用指數(shù)函數(shù)計算覆蓋該網(wǎng)格的各雷達(dá)站反射率值的權(quán)重，指數(shù)權(quán)重公式如下：

其中，R為適當(dāng)?shù)拈L度比例，本文取R=100，r為網(wǎng)格點(diǎn)到雷達(dá)的距離。

指數(shù)權(quán)重函數(shù)使得權(quán)重隨距離快速下降，有效保留了原始雷達(dá)資料中近距離處的高分辨率特征，同時權(quán)重值是一個正值，確保雷達(dá)能影響到它所覆蓋的區(qū)域。指數(shù)權(quán)重法可以得到?jīng)]有明顯不連續(xù)現(xiàn)象的拼圖結(jié)果。

3? ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（System implementation）

系統(tǒng)采用JAVA進(jìn)行開發(fā)，并行作業(yè)設(shè)計[5，6]。用戶通過業(yè)務(wù)邏輯管理模塊（圖5）依據(jù)需求生成配置和工作進(jìn)程腳本，調(diào)用數(shù)據(jù)處理層算法模塊啟動作業(yè)，包括單雷達(dá)作業(yè)、拼圖作業(yè)等，可以根據(jù)需求，定時啟動作業(yè)，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供雷達(dá)拼圖產(chǎn)品;也可以單獨(dú)啟動，處理歷史數(shù)據(jù)，用于測試及個例的研究。

生成的拼圖產(chǎn)品緯度范圍：26.5—35.6，經(jīng)度范圍：115.1—124.4，水平和垂直分辨率：1km，時間分辨率：6分鐘。拼圖產(chǎn)品包括等高層反射率（1km、3km、5km、7km、9km）、基本反射率（0.5度、1.5度、2.4度）、組合反射率、垂直液體水含量、回波頂高。圖6為2019年05月13日13時18分啟動觀測的雷達(dá)拼圖產(chǎn)品示例（CAPPI 3km/回波頂高/垂直液態(tài)水含量）。

4? ?結(jié)論（Conclusion）

本項目實(shí)現(xiàn)了長三角地區(qū)12部雷達(dá)的同步觀測三維組網(wǎng)拼圖，實(shí)時輸出等高層反射率、基本反射率、組合反射率、垂直液體水含量、回波頂高等拼圖產(chǎn)品，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。同步觀測和流傳輸有效保證了雷達(dá)數(shù)據(jù)到達(dá)的及時性，而并行作業(yè)設(shè)計充分利用多核CPU和大內(nèi)存大幅度提高了拼圖效率。1.5度仰角的基本反射率拼圖產(chǎn)品在啟動觀測的3分鐘左右可以顯示在頁面上供用戶調(diào)閱，其他CAPPI、組合反射率等產(chǎn)品在體掃結(jié)束1分鐘內(nèi)完成，拼圖時效提高20分鐘以上。

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