新一代天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法

謝曉林，胡 迪，羅宇昂，李 翔，景號然

(1.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，成都 610072；3.四川省氣象臺，成都 610072)

0 引言

根據(jù)中國氣象局要求，2018—2020年全國新一代天氣雷達部署完善后已經(jīng)基本完成技術(shù)和標準統(tǒng)一，所有業(yè)務(wù)雷達實現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式標準化[1]。雷達數(shù)據(jù)的傳輸方式由FTP文件傳輸升級為數(shù)據(jù)流傳輸，體掃的每1個仰角層都會形成1個單獨的文件，傳輸時效大大提高，由6 min/個文件升級為1 min/個單仰角文件和1個完全體掃文件[2]。

由于技術(shù)體制的升級，研究一種能夠?qū)崟r監(jiān)控雷達標準格式數(shù)據(jù)的可視化系統(tǒng)并應(yīng)用于業(yè)務(wù)，對提高天氣預報時效和監(jiān)測雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面具有十分重要的意義。文章闡述了一種針對新一代天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。

1 總體設(shè)計

新一代天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控系統(tǒng)能對天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)的傳輸?shù)綀筮M行監(jiān)控，能讀取文件內(nèi)容，進行實時可視化展示，可以監(jiān)控雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量，并進行統(tǒng)計分析。系統(tǒng)可對四川12部新一代天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)進行可視化監(jiān)控，同時也支持對其他非業(yè)務(wù)天氣雷達數(shù)據(jù)的可視化，系統(tǒng)分為在線和本地兩種查看模式。

在線模式可自動連接數(shù)據(jù)服務(wù)器，查看對應(yīng)站點的實時數(shù)據(jù)，可任意打開并讀取數(shù)據(jù)進行可視化操作，如選擇不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品、剖面、截圖等，可自動可視化回放。在線模式也可實時可視化監(jiān)控數(shù)據(jù)質(zhì)量，系統(tǒng)30 s自動刷新，讀取最新數(shù)據(jù)并顯示，讀取數(shù)據(jù)后，能自動分析數(shù)據(jù)質(zhì)量，如數(shù)據(jù)正常則生成LOG日志文件，異常則生成ALARM告警文件。系統(tǒng)能自動統(tǒng)計一定時間區(qū)間內(nèi)的雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，并形成報表。

由于連接數(shù)據(jù)服務(wù)器需要內(nèi)網(wǎng)支持，為了方便用戶查看本地歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在線模式運行時，監(jiān)控的所有數(shù)據(jù)會自動保存到本地，并以站號和時間分類。打開本地數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)進行常規(guī)分析，如切換產(chǎn)品或剖面等，支持對本地數(shù)據(jù)的回放，生成數(shù)據(jù)質(zhì)量報表。

具體功能和流程圖如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 標準格式數(shù)據(jù)讀取

根據(jù)數(shù)據(jù)文件名中“_FMT”標志可以判斷該文件為標準格式數(shù)據(jù)，如：

Z_RADR_I_Z9280_20210820150349_O_DOR_SC_CAP_FMT.bin.bz2表示成都雷達站2021-08-20T15：03：49生成的雷達標準格式完整體掃數(shù)據(jù)，雷達型號為CINRAD/SC，通過文件名中“_CUT”標識可以判斷出該文件為標準格式數(shù)據(jù)的單層仰角數(shù)據(jù)，如：

Z_RADR_I_Z9280_20211018024441_O_DOR-CUT_SAD_CAP_43_7_FMT.bin.bz2表示該完整體掃數(shù)據(jù)中的第7個層仰角數(shù)據(jù)，仰角為4.3°。

圖1 系統(tǒng)功能流程

由于所有標準格式數(shù)據(jù)都被壓縮成bz2的壓縮文件，首先需要對文件進行解壓。系統(tǒng)集成了Windows的封裝解壓程序bunzip2.exe文件，該文件可通過WinExec()函數(shù)進行調(diào)用，達到解壓bz2文件的目的。調(diào)用方法為：WinExec(./bunzip2.exe-kf *.bz2，SW_HIDE)，其中‘-kf’表示解壓后保留原有壓縮文件并覆蓋同名文件，SW_HIDE表示隱藏調(diào)用方式，函數(shù)返回范圍值大于31表示調(diào)用成功。

解壓后的標準格式雷達數(shù)據(jù)為bin二進制文件，分為多個區(qū)塊，每個區(qū)塊描述一組信息。數(shù)據(jù)可分為公共數(shù)據(jù)塊和徑向數(shù)據(jù)塊兩部分，其中公共數(shù)據(jù)塊用于提供站點信息和任務(wù)配置等公共信息。徑向數(shù)據(jù)塊用于存儲天氣雷達的探測資料，包括3個子塊:徑向頭、徑向數(shù)據(jù)頭和徑向數(shù)據(jù)。編寫程序時，每個數(shù)據(jù)塊對應(yīng)一個結(jié)構(gòu)體，再按照字節(jié)數(shù)整塊讀取。將所有的數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)體和讀取函數(shù)封裝成1個C++類即可。讀取完成后，所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)都保存在對應(yīng)的1個三維數(shù)組中，以便處理數(shù)據(jù)和畫圖時使用。

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量直接關(guān)系到雷達能否充分發(fā)揮其總體效益，直接影響短臨預報的及時性和準確性。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)異常則報警并生成告警文件。

2.2.1 同頻干擾識別

同頻干擾現(xiàn)象是由于本站周邊存在頻點相同或相近的電磁波發(fā)射設(shè)備造成電磁波干擾引起的[3]。四川全省共有9部S波段天氣雷達，其中7部雷達頻點都為2.88 GHz，相鄰最近距離為120 km左右。如成都雷達站北方會受到綿陽雷達的同頻干擾，回波圖形上會出現(xiàn)放射狀的弧形回波，強度能達到40 dBZ以上，嚴重影響了成都雷達的數(shù)據(jù)質(zhì)量和雷達業(yè)務(wù)運行。

識別同頻干擾圖形需要對該異?；夭ㄟM行特征提取，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，同頻干擾主要出現(xiàn)在低層仰角，一般在3.4°以下最為明顯；干擾回波圖形呈放射狀的弧形狀，類似于扇葉的形狀；干擾回波較強，最大值超過40 dBZ，徑向廓線雜亂，而氣象回波廓線具有連續(xù)性，同頻干擾回波和氣象回波的徑向廓線特征如圖2所示；同頻干擾回波的相關(guān)系數(shù)CC在強干擾帶為1.04，在弱干擾帶低于0.9，均值低于0.5。

圖2 氣象回波與同頻干擾徑向廓線特征圖

圖3給出了2021-09-01系統(tǒng)識別到的1次成都雷達同頻干擾回波，當日成都無降水，成都雷達西北方向出現(xiàn)較強回波，反射率因子最大值為64 dBZ，強干擾帶呈現(xiàn)弧形分布，且強度高于40 dBZ，相關(guān)系數(shù)多為1.04。當日系統(tǒng)識別到同頻干擾84次，雷達保障人員通過對硬件設(shè)備和濾波器的改良后，該異?；夭▎栴}得到解決。

圖3 成都雷達同頻干擾回波

2.2.2 地物雜波干擾

地物雜波干擾主要是由于雷達周邊山體、高樓、高塔，因反射雷達部分主波或者旁瓣信號而造成的。這是一個不可避免的現(xiàn)象，針對地物雜波而研究的抑制和消除方法已經(jīng)比較成熟，經(jīng)過處理后的雷達數(shù)據(jù)受到的地物雜波干擾主要是一些新型的地物，如風力發(fā)電機等或由于系統(tǒng)故障未進行地物濾波導致的[4]。

因此，系統(tǒng)識別地物雜波干擾的方法主要是針對上述原因：一是針對未被濾除的地物回波，雷達回波圖長時間存在某一固定位置且面積較大的強回波區(qū)域，則判斷為地物雜波干擾；二是針對系統(tǒng)故障未進行地物濾波的情況，該情況雷達回波圖上會出現(xiàn)大面積強度大，而速度為0 m/s左右的回波區(qū)域。圖4給出了2020-09-08系統(tǒng)識別到的1次廣元雷達地物雜波干擾，可見雷達北方10 km處存在1個強回波區(qū)域，強度超過60 dBZ，速度在-11 m/s左右，無法滿足固定地物速度在0 m/s左右的判定，所以雷達系統(tǒng)無法濾除，經(jīng)過與當?shù)乩走_站聯(lián)系后，發(fā)現(xiàn)這是一片風力發(fā)電機群，風葉旋轉(zhuǎn)時雷達能觀測到有回波和速度，雷達系統(tǒng)無法濾波抑制，該問題暫時未得到解決。

圖4 廣元雷達地物干擾回波

2.2.3 雷達系統(tǒng)異常

系統(tǒng)能識別由于雷達系統(tǒng)異常而導致的數(shù)據(jù)質(zhì)量異常問題，包括因標定問題導致的雷達回波偏強或者偏弱、因雷達伺服系統(tǒng)標定異常導致的雷達仰角和方位角誤差過大、因雷達高壓未開導致的雷達數(shù)據(jù)為空回波等問題。系統(tǒng)能通過識別和監(jiān)控天氣雷達地物回波位置和面積的方法，對上述問題進行識別，識別流程如圖5所示。

根據(jù)中國氣象局相關(guān)規(guī)定，在對天氣雷達進行周、月、年維護時，需要對雷達參數(shù)進行標定，如雷達未進行正確標定或者參數(shù)存在異常跳變后，回波強度會隨之出現(xiàn)較大跳變。在雷達系統(tǒng)運行正常的情況下，雷達的地物回波強度和面積不應(yīng)存在較大變化，系統(tǒng)通過算法識別出地物回波后，通過監(jiān)控地物回波的強度變化間接反映雷達回波強度的準確性[5]。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，雷達地物回波的強度變化范圍在3 dBZ內(nèi)，平均值低于1.4 dBZ。系統(tǒng)以3 dBZ為閾值，當雷達地物回波突變量超過該閾值時進行報警，提示監(jiān)控人員雷達回波強度可能出現(xiàn)偏差過大的問題。

圖5 雷達系統(tǒng)異常回波識別流程圖

當雷達伺服系統(tǒng)標定異常時，會導致雷達仰角和方位角存在較大偏差，雷達回波位置會出現(xiàn)偏移，影響預報員預報精確性。通過監(jiān)控雷達地物回波的位置和面積大小，可識別該異常回波。當?shù)匚锘夭ǖ奈恢冒l(fā)生整體變化時，識別為雷達伺服系統(tǒng)方位角誤差過大；當?shù)脱鼋堑匚锘夭娣e變大或者變小時，識別為雷達伺服系統(tǒng)仰角誤差過大。

當雷達因高壓故障時，雷達還在繼續(xù)體掃的情況，這樣的雷達數(shù)據(jù)里并沒有掃描內(nèi)容，稱為空圖異常，圖像和晴空雷達圖像相似，觀測員很難發(fā)現(xiàn)雷達故障，同時也影響預報員對天氣的判斷。系統(tǒng)監(jiān)測到雷達地物回波和其他所有產(chǎn)品都為空值時，則判斷為空圖異常，發(fā)出告警信息。

2.3 剖面分析

由于雷達數(shù)據(jù)僅有9個仰角層，天線發(fā)射的電磁波脈沖寬度在1°左右，直接剖面出來的圖像結(jié)構(gòu)太過離散，所以應(yīng)對剖面數(shù)據(jù)進行差值處理，讓剖面圖像形成一個連續(xù)的整體，這樣的剖面圖像更為直觀，更有利于分析回波的垂直結(jié)構(gòu)。

常用的差值方法有3種，分別為線性差值、雙線性差值和Barnes差值。線性差值較為簡單，取上下兩個仰角的反射率因子插值。而雙線性差值則多了一組水平方向上的數(shù)據(jù)插值[6]。

Barnes插值法是一種指數(shù)權(quán)重插值法，十分適合在球坐標系中使用，基本公式為：

(1)

式中，w表示相關(guān)插值點的權(quán)重系數(shù)；R0，θ0，Φ0表示相關(guān)插值點的徑向距離、方位角和仰角；Rg，θg，Φg表示待插值點的坐標；Kr，Kθ，KΦ表示平滑系數(shù)，文章取1。

(2)

式中，fg表示待插值點的插值結(jié)果；f0(k)表示待插值點相關(guān)區(qū)域內(nèi)，第k個距離庫的反射率值；N表示待插值點的相關(guān)區(qū)域內(nèi)的距離庫數(shù)。

公式(1)表示各個插值相關(guān)點的權(quán)重系數(shù)，公式(2)決定待插值點的值。圖6給出了分別采用上述3種插值法得到的垂直剖面效果，可見線性插值和雙線性插值法在近處易出現(xiàn)空缺，在仰角層交界的區(qū)域容易出現(xiàn)空點，連續(xù)性和整體性都不如Barnes插值的結(jié)果，插值得到的圖像效果最好的是Barnes插值法。

圖6 RHI對比圖

2.4 格點化

由于在識別異常回波和配置地圖文件時，都需要對回波位置進行準確定位，需要按照經(jīng)緯度對雷達回波進行格點化操作。

地圖文件格式為SHP二進制文件，讀取方式與雷達數(shù)據(jù)類似，通過格式說明文件編寫對應(yīng)代碼即可，得到經(jīng)緯度信息后需要轉(zhuǎn)到屏幕坐標才能進行畫圖和定位[7]。另外雷達數(shù)據(jù)僅包含中心點的經(jīng)緯度信息，同樣需要將所有雷達距離庫的坐標轉(zhuǎn)換到屏幕坐標才能進行畫圖。經(jīng)過上述轉(zhuǎn)換后，屏幕坐標和經(jīng)緯度則有了對應(yīng)關(guān)系，即可對雷達回波進行準確定位。

由于經(jīng)緯度坐標的起始原點和屏幕坐標的原點不一致(圖7)，通過縱向坐標和橫向坐標的相似比，即可得到對應(yīng)關(guān)系，最后引入經(jīng)緯度和屏幕的大小，得到如下公式：

(3)

式中，x和y表示屏幕坐標；lon和lat表示經(jīng)度和緯度；W和H表示屏幕的寬度和高度；文章中W=H=400；lonmax和lonmin表示經(jīng)度范圍的上限和下限；latmax和latmin表示緯度范圍的上限和下限。

圖7 地圖坐標轉(zhuǎn)換屏幕坐標示意圖

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)分為兩個部分，分別為數(shù)據(jù)獲取部分和數(shù)據(jù)顯示部分。

數(shù)據(jù)獲取部分可以選擇不同的站點和不同的數(shù)據(jù)獲取途徑，分為在線和本地。在線模式可以實時獲取近期服務(wù)器中存儲的標準格式雷達數(shù)據(jù)，并進行實時更新顯示[8]；本地模式可展示計算機中存儲的所有雷達數(shù)據(jù)，并進行歷史回放。

數(shù)據(jù)顯示部分，顯示用戶打開的標準格式雷達數(shù)據(jù)，可以選擇不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)品內(nèi)容，不同仰角和距離圈。在圖上可以進行垂直剖面、任意方向剖面、截圖和地圖加載等功能的操作。

4 系統(tǒng)運行評估

通過對新一代天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了四川省12部新一代天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)的傳輸時效和數(shù)據(jù)質(zhì)量的可視化監(jiān)控。天氣雷達站監(jiān)控人員通過該系統(tǒng)能及時有效地獲取到雷達數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)、數(shù)據(jù)質(zhì)量和雷達回波剖面等信息，雷達標準格式數(shù)據(jù)通過流傳輸?shù)姆绞?，相對于原有方式，傳輸及時性提到10 min以上。為了檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將系統(tǒng)部署到全省12個雷達站，并在本地增加50組虛擬用戶進行1個月的系統(tǒng)穩(wěn)定性測試。網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境基于四川省氣象局內(nèi)網(wǎng)20～50 M的寬帶，操作系統(tǒng)基于WINDOWS-10，CPU性能不低于INTEL I3，內(nèi)存不低于4 G，測試結(jié)果見表1，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，用戶體驗良好。

表1 系統(tǒng)頁面響應(yīng)測試記錄表

5 結(jié)束語

文章設(shè)計的新一代天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對四川12部新一代天氣雷達標準格式數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控，并能實時監(jiān)控數(shù)據(jù)質(zhì)量，系統(tǒng)自2021年初試運行以來，僅出現(xiàn)極少BUG，并得到及時修復，如今運行穩(wěn)定。

雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量不高影響了天氣雷達數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，文章設(shè)計開發(fā)的標準格式數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)一些常見的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，但雷達故障點較多，從數(shù)據(jù)上能反映出的問題有限，繼續(xù)開發(fā)天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量異?；夭ǖ淖R別方法，還需進一步研究。