新一代多普勒天氣雷達三維數字化拼圖系統研究

摘要：我國正在進行新一代多普勒天氣雷達的建設工作，組網雷達三維數據拼圖對提高災害性天氣的監測和預警能力、改善臨近預報、深化雷達資料應用具有重要意義。研發了基于新一代多普勒天氣雷達原始數據的三維組網數字化拼圖軟件系統，介紹了軟件系統的體系結構與實現等內容。

關鍵詞：多普勒天氣雷達; 雷達拼圖; 災害性天氣; 臨近預報; 軟件系統

中圖分類號：TP311.56文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0226-02

提高對強降水、冰雹、雷暴、龍卷等災害性天氣的預報準確率，增強對臺風、大范圍暴雨等災害性天氣預警和監測能力，對社會經濟發展、交通運輸、人民群眾生命財產安全等具有重要意義。這也是氣象部門的首要任務之一。多普勒天氣雷達探測資料具有很高的時空分辨率，目前已經成為監測和預警災害性天氣最重要的工具。美國在20世紀80年代末完成了156部天氣雷達的布網工作，明顯提高了對災害性天氣的預警能力。我國從1998年底開始多普勒雷達建設，目前已經安裝近100部。至2010年將部署158部多普勒雷達，基本對中部和東部地區形成全網探測。但單部雷達探測范圍有限，很難捕捉到災害性天氣系統的全貌，不利于對天氣系統的預警和監測。組網多普勒雷達三維數字化拼圖技術就是研究如何融合多部雷達資料、充分有效發揮組網天氣雷達功能的一種比較成熟的技術。組網拼圖技術有助于全面了解災害性天氣系統的特征，對其生成、發展、成熟、消散、消亡的整個生命史進行跟蹤分析和研究，強化上游天氣過程的監測，從而提高預報準確率。

英國在20世紀80年代初就開展了雷達拼圖技術研究和業務化工作。美國在20世紀90年代末還將基于雷達原始數據的雷達拼圖產品在因特網上向公眾發布，拼圖產品的應用明顯改進了強對流系統的預警、預報效果。目前，我國部分地區開展的雷達拼圖主要是雷達圖像拼圖。這種方式數據精度低，只能給出水平面上二維圖像，無法制作剖面產品，并且拼圖中的很多關鍵技術無法解決;其次不能真實反映天氣系統的三維結構，不利于雷達資料的應用，不能滿足天氣預報業務和科學研究的需要。因此發展新一代多普勒天氣雷達三維數字化拼圖技術，是當前的一項緊迫任務。

鑒于上述原因，本文研發了基于雷達原始數據的多部天氣雷達三維數字化拼圖軟件系統，以期促進組網拼圖應用，提高多普勒雷達在災害性天氣監測和預警中的作用。

1C++與Fortran混合編程技術

軟件系統使用Visual C++與Visual Fortran混合編程。C++是面向對象的語言，具有編寫代碼效率高、可讀性好、結構合理、易于維護、可重用性好等優點，易于高效開發軟件系統的框架^[1~3]。Fortran語言提供了精度高、功能豐富的數學庫，而且可以方便地在不同平臺上移植，在科學計算中得到了廣泛應用。實踐表明，混合編程技術可以充分發揮不同語言的優點，提高軟件研發效率^[4~6]。

本文使用的混合編程技術主要包括兩類，即C++調用Visual Fortran的數學函數庫以及C++與Fortran源代碼混合編程。對于前者，文獻[7]詳細討論了其技術細節。對于后者，安裝了Visual Fortran和Visual C++后，就可以進行源代碼級混合編程。若兩個軟件系統的主板本號碼相同，則編程比較方便。將C++和Fortran程序同時編譯時，由于Fortran和C++庫函數中存在相同的函數名，編譯器鏈接時會出錯。此時，應該對編譯器進行如下設置，在Project Settings→Fortran→Category下拉列表框中選擇Libraries，Use Run－time下拉列表框中選擇static;C/C++→Category下拉列表框中選擇Code Generation，Use Run－time library下拉列表框中選擇single－threaded;而后在Link→Project Option框中加入“/force”即可。

Fortran的函數在編譯后會變成大寫字母。C++語言大小寫敏感。因此C++語言調用Fortran函數時要使用大寫字母。從C語言傳遞參數到Fortran函數時，要傳遞變量的地址。當C++語言傳遞字符串參量時，要將字符串內容和長度分為兩個參數傳入Fortran函數。

2軟件系統體系結構

系統采用軟件工程中自頂向下、逐步求精、面向對象的設計思想。雷達數據三維拼圖算法對內存和計算性能要求很高。使用指針變量C++與Fortran間傳遞數據，避免共享文件方式傳遞數據而降低軟件性能，提高了系統內存的利用率和計算性能。通過嚴謹的編程風格防止內存泄漏^[8]。插值計算量很大，首先建立極坐標與笛卡爾坐標系之間坐標變換的鏈表，在插值中通過索引方式對空間進行定位，加快數據處理速度。

2．1系統組成

軟件系統采用模塊化的設計思想，分為八個子系統，即雷達基(原始)數據自動識別監測、時間同步數據采集、基數據轉換、數據質量控制、單部雷達數據三維插值計算、多部雷達三維數據拼圖、拼圖數據格式轉換、產品自動生成與分發，各子系統相互獨立(圖1)。用戶通過修改系統的參數文件，定制系統的本地化功能，極大地增強了系統的靈活性和適用范圍。

每個模塊由一個或者多個類實現，模塊間的數據傳遞通過類的公有變量實現;通過指針變量來存儲和交換數據，提高動態利用內存的效率。

1)雷達基(原始)數據自動識別監測子系統實時監測用戶定制的多個雷達基數據目錄中是否有新的數據生成并能自動識別其雷達數據類型。如果有新的數據生成，則將其文件名放入新文件隊列。

2)時間同步數據采集子系統當兩部雷達的體掃數據間隔小于90 s，即認為這兩個雷達基數據時間同步，將同步的數據文件名放入拼圖文件名隊列，供后續子系統調用。

3）基數據轉換子系統自動將多普勒雷達原始數據轉換成系統規定的標準數據格式。目前，我國多普勒雷達來自三個廠家，雷達數據格式不一致，差異很大，這使得相關編程很繁瑣。系統定義了一種標準數據格式，該數據格式與實際雷達數據格式相互獨立。當系統需要處理新的數據格式時，只需編寫相應的數據轉換模塊。

4）數據質量控制子系統對雷達回波強度資料進行去噪聲、消除奇異點、補缺測點等質量控制。這是雷達資料應用的前提。

5）單部雷達數據三維插值計算子系統將單部雷達回波強度數據從極坐標插值到笛卡兒坐標系中，用戶可以通過參數文件選擇三維數據插值算法、水平和垂直格距等。目前系統提供經緯度插值和XYZ插值功能。

6）多部多普勒雷達三維數據拼圖子系統將多個單雷達三維網格數據變換到統一坐標系中。如果一個空間區域能夠被兩部以上雷達探測，則稱為重疊區。由于重疊區與各部雷達距離不同，以及受地球曲率、地物遮擋、電磁波衰減、雷達波束展寬效應影響，不同雷達對重疊區的探測值有時差異很大，處理重疊區探測值是拼圖中最關鍵的環節之一。目前系統提供五種流行的多部雷達重疊區三維數據融合技術，即最大值算法、最近探測距離選取算法、算術平均值算法、Cressman橢圓距離權重插值算法和e指數距離權重插值算法。這五種算法各有優缺點和適用范圍，用戶可根據實際業務和研究工作需求，選擇相應的重疊區插值算法。用戶還可以通過參數文件定制系統的數字化拼圖空間區域、網格分辨率等信息。

7）拼圖數據格式轉換子系統將三維拼圖格點數據轉換成業界流行的數據可視化軟件支持的三維網格數據格式，如Surfer、GrADS、Vis5D等格式，供用戶對數據進行深入的可視化研究^[9]使用。

8）產品自動生成與分發子系統將上述各種格式的三維格點數據輸出到用戶定制的目錄中，并根據用戶定制自動生成相應的圖像產品，包括位圖和矢量圖像產品，并將其分發到指定路徑中。

2．2系統輸出數據格式

綜上所述，系統生成的產品有兩類格式:a)三維網格數據格式，它有助于用戶作進一步的研發使用;b)基于格點數據的位圖和矢量圖像，它有利于用戶直接瀏覽產品，同其他天氣預警系統無縫集成。

2．3功能庫/組件技術

目前，軟件重復開發比較普遍，如何高效地利用和推廣已有的軟件資源來組建功能強大的軟件系統，而功能庫/組件的設計理念是一種切實可行的解決方案^[10~12]。

將功能模塊制作成庫或者組件，提高了系統的可用性，也有利于系統維護、升級和推廣。本系統的子模塊已經制作成庫，通過相應的接口協議將其集成為軟件系統。當需要增加新的功能時，只需編寫相應的功能庫將其集成到系統即可。

2．4系統運行方式

根據實際需求，系統提供后臺自動運行和人機交互運行兩種方式，工作方式可通過菜單自由切換。

在后臺自動運行模式下，系統監視用戶定制的一組雷達原始數據輸入目錄。當有新的數據生成時，首先進行時間同步數據采集，生成同步數據隊列；根據參數文件，自動完成單雷達基數據插值、多部多普勒雷達三維數據拼圖、格點數據格式轉換、位圖和矢量圖像生成，并將產品按照類型依次寫入用戶定制的目錄組中。

在人機交互模式下，用戶使用菜單運行軟件，通過參數文件選擇軟件系統的功能及輸出產品。

3實例

軟件系統使用Install Shield軟件制作成標準的安裝軟件，安裝簡便。安裝后，用戶只需對拼圖系統的輸入路徑、輸出產品種類和路徑以及拼圖算法中的各種參數進行本地化定制，即可運行。

軟件可以作為一個單獨的系統運行;也可以作為氣象臺的一個相對獨立的子系統與其他系統集成，組成功能豐富的天氣預報系統。例如，數值預報系統一般運行在UNIX上，通過網絡技術可以將本系統的三維數據直接寫入數值預報系統的數據輸入目錄，為數值預報提供初始場。天氣預報系統的用戶端經常使用Web瀏覽器分析各種預報產品。此時，拼圖系統可以將圖像產品直接寫入Web瀏覽器定制的目錄，供用戶調用。

4結束語

本文詳細介紹了基于我國業務組網的新一代多普勒天氣雷達原始數據的三維數字化拼圖軟件系統的體系結構和組成。混合編程加速了軟件研發；功能庫技術的應用有利于軟件系統的維護、升級和擴展，也提高了功能模塊的可重用性；可定制的參數文件豐富了軟件的功能和適用范圍，使得軟件系統的本地化非常容易實現。

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