基于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的預(yù)報(bào)輔助系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

李昌昊 鄒德龍 陳賢軍 梁曉京

摘? 要：文章介紹了基于南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的預(yù)報(bào)輔助系統(tǒng)的二次產(chǎn)品模塊及相關(guān)算法，并對(duì)系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。本系統(tǒng)基于Javascript+html5框架，采用B/S結(jié)構(gòu)模式，以網(wǎng)頁(yè)形式顯示水平風(fēng)速的垂直切變空間分布、最大探測(cè)高度、水平風(fēng)速等值線(xiàn)、垂直風(fēng)速等值線(xiàn)以及水平風(fēng)速風(fēng)羽圖等五個(gè)模塊的產(chǎn)品。本系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔友好，各類(lèi)產(chǎn)品列表清晰直觀(guān)，告警功能可有效提高使用者工作效率。此外，本系統(tǒng)可為專(zhuān)業(yè)氣象用戶(hù)預(yù)測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生、發(fā)展及結(jié)束提供有力的氣象依據(jù)，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá);預(yù)報(bào)輔助系統(tǒng);算法設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：P49? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）29-0031-04

Abstract： This paper introduces the secondary product module and related algorithm of the forecast assistant system based on the wind profiler radar （WPR） in Nanning Airport ， and briefly describes the realization methods of each module of the system. The system is based on JavaScript + HTML5 framework， and adopts B/S structure mode to display the products of five modules， including vertical shear spatial distribution of horizontal wind speed， maximum detection height， horizontal wind speed contour， vertical wind speed contour and horizontal wind plume map， in the form of web page. The interface of the system is simple and friendly， the list of various products is clear and intuitive， and the alarm function can effectively improve the work efficiency of users. In addition， the system can provide a strong meteorological basis for professional meteorological users to predict the occurrence， development and end of severe convective weather， and has a good application prospect.

Keywords： wind profiler radar （WPR）; forecast assistant system; algorithm design

引言

風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)誕生于20世紀(jì)80年代，其利用多普勒效應(yīng)，可以連續(xù)獲得測(cè)站上空高時(shí)空分辨率的水平風(fēng)廓線(xiàn)、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等信息，對(duì)提升中小尺度災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)能力、提高短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)對(duì)重大災(zāi)害性天氣全天候監(jiān)測(cè)及提高災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)預(yù)警的時(shí)效性和準(zhǔn)確率可起到促進(jìn)作用。

上世紀(jì)七十年代末期，美國(guó)海洋大氣局（NOAA）在科羅拉多建造了一臺(tái)VHF（50MHz）的多普勒雷達(dá)，1980年成功通過(guò)該雷達(dá)測(cè)量對(duì)流層風(fēng)廓線(xiàn)。幾年后，NOAA在該地區(qū)建立了一個(gè)由五部風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)組成的小型觀(guān)測(cè)網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)有效改善了中尺度短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)等。日本的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)研究始于1985年，現(xiàn)已組建風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)業(yè)務(wù)網(wǎng)。1987年，歐洲也組建了風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)網(wǎng)。從1992年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家天氣局在其中部地區(qū)布設(shè)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)示范網(wǎng)開(kāi)始運(yùn)行。

從“七五”以來(lái)，我國(guó)一直積極開(kāi)展風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)方面的研究及建設(shè)。直至今日，中國(guó)氣象局所屬部門(mén)已布設(shè)四十余部風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)，用于業(yè)務(wù)試點(diǎn)、科研及應(yīng)急觀(guān)測(cè)。中國(guó)氣象局編制了《風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)布局方案（2011-2015年）》，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)網(wǎng)的大規(guī)模組建已經(jīng)啟動(dòng)。國(guó)內(nèi)航空氣象人員也利用風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)開(kāi)展了大量相關(guān)研究工作。

2017年以來(lái)，民航廣西空管分局開(kāi)始裝備風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)用于探測(cè)機(jī)場(chǎng)跑道附近區(qū)域上空的風(fēng)溫?cái)?shù)據(jù)。由于該雷達(dá)二次產(chǎn)品較為匱乏，僅提供風(fēng)羽圖、風(fēng)向和風(fēng)速廓線(xiàn)圖等基本產(chǎn)品，因此我局氣象臺(tái)預(yù)報(bào)室成立了科技項(xiàng)目組，使用風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)資料開(kāi)發(fā)低空風(fēng)切變告警模塊、最大探測(cè)高度及風(fēng)場(chǎng)等值線(xiàn)等產(chǎn)品，共同組成預(yù)報(bào)輔助系統(tǒng)，以期進(jìn)一步提高風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在災(zāi)害性天氣（短時(shí)強(qiáng)對(duì)流及其伴隨的低空風(fēng)切變）臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警方面的能力。

1 資料及模塊設(shè)計(jì)

南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)為CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)，主要技術(shù)指標(biāo)為：最高探測(cè)高度≥3km，最低探測(cè)高度100m;信號(hào)形式有四種低模式和三種高模式，低模式相對(duì)應(yīng)的高度分辨率分別為30m，60m，120m和240m，高模式對(duì)應(yīng)的高度分辨率分別為60m，120m和240m;徑向速度分辨率≤0.2m/s，5波束指向時(shí)間分辨率≤5min;水平風(fēng)速測(cè)量范圍±60m/s，垂直風(fēng)速測(cè)量范圍±20m/s，風(fēng)速測(cè)量精度≤1.5m/s，風(fēng)向測(cè)量精度≤10°。由于本項(xiàng)目包含最大探測(cè)高度這一產(chǎn)品，因此采用高模式掃描資料，時(shí)間分辨率6分鐘。

通過(guò)深入學(xué)習(xí)相關(guān)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)理論及前人的研究后，項(xiàng)目組決定在預(yù)報(bào)輔助系統(tǒng)中設(shè)定水平風(fēng)速的垂直切變空間分布、最大探測(cè)高度、水平風(fēng)速等值線(xiàn)、垂直風(fēng)速等值線(xiàn)以及水平風(fēng)速風(fēng)羽圖等五個(gè)模塊。

2 算法設(shè)計(jì)

針對(duì)設(shè)定的模塊，項(xiàng)目組研究并確定了各模塊的核心算法，以下是各類(lèi)算法的簡(jiǎn)要介紹。

2.1 垂直風(fēng)切變

首先，根據(jù)垂直風(fēng)切變計(jì)算公式，計(jì)算得到各高度層之間的垂直風(fēng)切變值，再按照國(guó)際民航組織第五次航空會(huì)議上制定的不同風(fēng)切變強(qiáng)度等級(jí)，將其歸類(lèi)到各等級(jí)下，并對(duì)中度及以上強(qiáng)度的風(fēng)切變?cè)O(shè)定告警提示。具體等級(jí)劃分如表1（q為風(fēng)切變值，單位：s-1）：

其中qj為風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)第j層與第（j+1）層之間的垂直風(fēng)切變值，V為風(fēng)速，Z為高度值，風(fēng)切變值為單位厚度氣層內(nèi)風(fēng)矢量的變化值。由于是矢量，因此計(jì)算時(shí)需考慮風(fēng)向的作用，用向量差進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

其中θ為相鄰兩層間的風(fēng)向差，當(dāng)風(fēng)向差小于10°時(shí)使用風(fēng)速標(biāo)量計(jì)算風(fēng)切變值;當(dāng)風(fēng)向差大于10°，且風(fēng)速大于5m/s時(shí)使用向量計(jì)算風(fēng)切變值。

2.2 最大探測(cè)高度

最大探測(cè)高度是指在一定檢測(cè)概率前提下風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的最遠(yuǎn)觀(guān)測(cè)距離。在不同天氣條件下，大氣中水平風(fēng)和垂直風(fēng)的空間分布不均會(huì)對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的探測(cè)產(chǎn)生影響。當(dāng)對(duì)流天氣系統(tǒng)過(guò)境時(shí)，大氣中水汽含量及云滴粒子尺度及濃度會(huì)產(chǎn)生明顯增大，相應(yīng)產(chǎn)生的水氣壓脈動(dòng)及電磁波后向散射信號(hào)也隨之增強(qiáng)，而大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)與其呈正相關(guān)，因此將導(dǎo)致雷達(dá)探測(cè)高度的增加。因此，這一產(chǎn)品能夠?yàn)轭A(yù)報(bào)對(duì)流天氣起止提供重要參考。計(jì)算最大探測(cè)高度的方法為：讀取風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，設(shè)定函數(shù)判斷風(fēng)速或風(fēng)向列數(shù)據(jù)值是否為缺測(cè)，若連續(xù)五個(gè)高度層資料缺測(cè)，則判定雷達(dá)達(dá)到探測(cè)上限，此時(shí)輸出缺測(cè)起始層前一層的高度值作為該時(shí)次的雷達(dá)最大探測(cè)高度。以此類(lèi)推，得到最大探測(cè)高度隨時(shí)間的變化情況。

2.3 風(fēng)場(chǎng)等值線(xiàn)

此處均值指半小時(shí)及一小時(shí)的風(fēng)場(chǎng)平均值。風(fēng)場(chǎng)包含風(fēng)速、風(fēng)向兩類(lèi)資料，因此需分別進(jìn)行均值計(jì)算，其中風(fēng)速平均對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均即可，對(duì)風(fēng)向數(shù)據(jù)而言，由于涉及跨360°的問(wèn)題，則需采用矢量平均法，具體算法如下：

以半小時(shí)平均為例，將需要平均的風(fēng)向按單位長(zhǎng)度投影到X 軸和Y 軸方向上，再對(duì)這些風(fēng)向在X軸和Y軸上的投影分別求平均值得到Xave和Yave，最后將Xave和Yave矢量求和，并考慮風(fēng)速影響，得到平均風(fēng)向。具體公式如下：

式中Vi 為第i個(gè)風(fēng)速值，arctan函數(shù)的值域?yàn)椋?90°，90°），所求的風(fēng)向范圍為（0°，360°），所以需要根據(jù)所處的象限對(duì)Dave進(jìn)行如下處理：

為便于觀(guān)察分析，在得到實(shí)時(shí)及風(fēng)場(chǎng)均值產(chǎn)品后，以等值線(xiàn)填色方式顯示，具體方法如下：

使用JavaScript語(yǔ)言調(diào)用CONREC子程序，修改代碼以適用本場(chǎng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)速時(shí)空分布格點(diǎn)進(jìn)行輪廓繪制，描述數(shù)據(jù)表面和要繪制的輪廓級(jí)別（具體數(shù)值，水平風(fēng)速和垂直風(fēng)速的設(shè)置不同），計(jì)算出構(gòu)成輪廓曲線(xiàn)的線(xiàn)段，然后在預(yù)設(shè)的網(wǎng)頁(yè)畫(huà)布上繪制這些線(xiàn)段，并在不同級(jí)別線(xiàn)段間填充顏色，達(dá)到可視化效果。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

如圖1所示，預(yù)報(bào)輔助系統(tǒng)后臺(tái)程序使用FTP的方式從風(fēng)廓線(xiàn)服務(wù)器調(diào)取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用Web工作方式，根據(jù)客戶(hù)端HTTP請(qǐng)求，從預(yù)報(bào)輔助系統(tǒng)本地文件夾中獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)HTTP響應(yīng)將該數(shù)據(jù)返回客戶(hù)端?？蛻?hù)端得到數(shù)據(jù)后，使用腳本程序生成該系統(tǒng)各類(lèi)模塊產(chǎn)品，將產(chǎn)品可視化，并根據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行風(fēng)切變告警。

3.2 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)方法

3.2.1 原始數(shù)據(jù)解析

風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品每個(gè)采樣高度記錄一條數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)格式如圖2所示。第一列：采樣高度，5個(gè)字節(jié)，單位m;第二列：水平風(fēng)向，5個(gè)字節(jié)，單位°;第三列：水平風(fēng)速，5個(gè)字節(jié)，單位m/s;第四列：垂直風(fēng)速，6個(gè)字節(jié)，單位m/s;第五列：水平風(fēng)速可信度，3個(gè)字節(jié)，單位%;第六列：垂直風(fēng)速可信度，單位%;第七列：大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)CN2，8個(gè)字節(jié)，單位dB。

使用腳本程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行解析，分列讀取各高度層數(shù)據(jù)，篩選出可信度100%的數(shù)據(jù)，將其重新寫(xiě)入數(shù)組，得到“采樣高度”、“水平風(fēng)向”、“水平風(fēng)速”、“垂直風(fēng)速”等四類(lèi)數(shù)據(jù)，再根據(jù)確定的算法對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，最終得到風(fēng)切變Q值分布、最大探測(cè)高度、風(fēng)速等值線(xiàn)和風(fēng)羽圖等模塊的數(shù)據(jù)源，為下一步可視化做準(zhǔn)備。

3.2.2 產(chǎn)品可視化實(shí)現(xiàn)方法

（1）風(fēng)切變Q值分布模塊

讀取“采樣高度”、“水平風(fēng)向”、“水平風(fēng)速”數(shù)組中的數(shù)據(jù)，根據(jù)垂直風(fēng)切變計(jì)算公式計(jì)算各個(gè)高度層之間的風(fēng)切變Q值，并寫(xiě)入新的數(shù)組，按照確定的垂直風(fēng)切變等級(jí)，將各閾值內(nèi)的Q值定義為五種不同顏色。根據(jù)采樣高度、水平風(fēng)速及Q值，操作CANVAS元素繪制風(fēng)切變Q值散點(diǎn)分布圖，效果如圖3所示。其中圓圈半徑可反映水平風(fēng)速大小，半徑越大則表示該高度層的水平風(fēng)速越大。最后，制作插件，當(dāng)出現(xiàn)中度及以上強(qiáng)度的風(fēng)切變時(shí)，使用該插件進(jìn)行彈窗和聲音告警。此外，本模塊還具有歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵查詢(xún)過(guò)去6小時(shí)各高度層的垂直風(fēng)切變情況。

（2）最大探測(cè)高度模塊

讀取“采樣高度”、“水平風(fēng)向”、“水平風(fēng)速”、“垂直風(fēng)速”數(shù)組中的數(shù)據(jù)，根據(jù)算法遍歷“水平風(fēng)向”、“水平風(fēng)速”、“垂直風(fēng)速”三類(lèi)數(shù)據(jù)，若任意一類(lèi)數(shù)據(jù)出現(xiàn)連續(xù)五個(gè)高度層資料缺測(cè)，則輸出缺測(cè)起始層前一層的高度值并寫(xiě)入新的數(shù)組，操作CANVAS元素繪制最大探測(cè)高度時(shí)間變化圖，如圖4所示。同樣，本模塊具備歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能。此外，通過(guò)均值計(jì)算能夠得到半小時(shí)及一小時(shí)的最大探測(cè)高度產(chǎn)品。

（3）風(fēng)速等值線(xiàn)模塊

讀取“采樣高度”、“水平風(fēng)速”、“垂直風(fēng)速”數(shù)組中的數(shù)據(jù)，調(diào)用CONREC子程序?qū)?shù)組進(jìn)行換算，得到風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分布矩陣數(shù)組，操作SVG元素繪制水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速等值線(xiàn)圖，如圖5所示。本模塊也可查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)，并包含半小時(shí)及一小時(shí)產(chǎn)品。

（4）風(fēng)羽圖模塊

讀取“采樣高度”、“水平風(fēng)向”、“水平風(fēng)速”數(shù)組中的數(shù)據(jù)，操作SVG元素繪制南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)羽圖。為便于用戶(hù)日常使用，將橫坐標(biāo)時(shí)間軸標(biāo)識(shí)按時(shí)間先后順序由左至右標(biāo)記（原廠(chǎng)軟件為由右至左）。本模塊也具備查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能，進(jìn)行風(fēng)向風(fēng)速的均值計(jì)算后，可顯示半小時(shí)及一小時(shí)產(chǎn)品。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）本系統(tǒng)基于Javascript+html5框架，采用B/S結(jié)構(gòu)模式，使用者僅需在瀏覽器上登錄系統(tǒng)，就可以查看相關(guān)產(chǎn)品，后臺(tái)服務(wù)器采用故障轉(zhuǎn)移集群模式，可保證系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，可靠性較強(qiáng)。

（2）本系統(tǒng)是對(duì)南寧機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品的二次開(kāi)發(fā)，其中包含水平風(fēng)速的垂直切變空間分布、最大探測(cè)高度、水平風(fēng)速等值線(xiàn)、垂直風(fēng)速等值線(xiàn)以及風(fēng)羽圖等五個(gè)模塊。系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔友好，各類(lèi)產(chǎn)品列表清晰直觀(guān)，有較好的視覺(jué)體驗(yàn)，彈窗及音效告警可有效提高使用者工作效率，具有較好的應(yīng)用前景。

（3）對(duì)于氣象專(zhuān)業(yè)用戶(hù)而言，垂直風(fēng)切變分布、最大探測(cè)高度及垂直風(fēng)速等值線(xiàn)等產(chǎn)品可為其預(yù)測(cè)強(qiáng)對(duì)流（雷雨大風(fēng)）天氣發(fā)生、發(fā)展及結(jié)束提供有力的氣象依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮彥華.白云機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)切變的時(shí)空特點(diǎn)及其大氣環(huán)流形勢(shì)分析[J].廣東氣象，2004（4）：5-6.

[2]黃奕銘，區(qū)志中.廣州新白云機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)切變的變化特征及其影響[J].廣東氣象，2006（4）：34-37.

[3]何文，沈舉鵬，賴(lài)誠(chéng)，等.基于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的低空風(fēng)切變特征及其對(duì)航空影響分析[J].江西科學(xué)，2015（4）：541-545.

[4]劉瑞婷，阮征，魏鳴，等.風(fēng)的空間不均勻分布對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響研究[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2016，32（2）：229-236.

[5]阮征，何平，葛潤(rùn)生.風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)對(duì)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的探測(cè)研究[J].大氣科學(xué)，2008，32（1）：133-140.

[6]楊波，魏東.二次開(kāi)發(fā)風(fēng)廓線(xiàn)探測(cè)資料及其在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].氣象科技，2010，38（4）：413-417.

[7]王令，王國(guó)榮，古月，等.風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)垂直徑向速度應(yīng)用初探[J].氣象，2014，40（3）：290-296.