西藏地區多普勒天氣雷達資料的自動處理和入庫

李春艷, 來志云, 次仁措姆, 劉 勇

(西藏自治區氣象局信息網絡中心,西藏拉薩850000)

0 引言

目前,如何提高暴雨、冰雹、大風等災害性強對流天氣系統臨近預報的準確率,是大氣科學熱點之一,也一直是大氣科學中的一大難題,主要困難是對這類空間尺度上百公里乃至幾十公里的強對流系統的三維結構、發生發展的機理,甚至在強對流云團中發生了什么樣的微物理過程都了解甚少[1-3]。在探測人類賴以生存的大氣的各種實踐中,天氣雷達以其高時空分辨率、及時準確的遙感探測能力成為災害性天氣,特別是在中小尺度災害性天氣監測和短時天氣預報等方面成為極為有效的工具。隨著美國新一代天氣雷達NEXRAD(Next-Generation Weather Radars)WSR-88D(Weather Surveillance Radar-1988 Doppler)在20世紀90年代業務布網的完成,對基于多普勒雷達資料的短時臨近預報給予了極大的關注,使短時災害預報技術取得了很大進展[4]。

根據《我國新一代天氣雷達監測網站點布局方案》,中國已完成126部新一代天氣雷達的建設,從而構成中國新一代天氣雷達的業務探測網,截止2011年,西藏地區共建成拉薩、日喀則、林芝和那曲4部C波段多普勒天氣雷達。由于4部多普勒雷達現在只是單站單點使用,豐富的資料沒有實現全區共享,導致多普勒天氣雷達的強大功能沒有完全發揮,基于上述考慮,2008年在西藏氣象科研主管部門的牽頭下,由信息網絡中心組織開展了《西藏地區多普勒雷達資料管理平臺》項目建設,經過一年多的開發建設工作,項目已正式投入業務運行,實現了西藏地區多普勒雷達資料的管理、應用及共享。

1 系統運行環境及開發工具

系統采用Windows系統(Windows 2003 Sever/Windows-xp)作為網絡操作平臺系統,具有用戶熟悉的圖形界面,對各種應用軟件都能夠提供良好的支持、兼容性。系統的軟件開發環境是以C++BUIDER 6.0作為開發平臺,雷達數據庫的建庫、插入、修改、刪除等結合SQL語言實現,考慮到氣象部門的實際情況和后期網頁開發的需要,雷達資料數據庫系統是目前廣泛使用的MYSQL數據庫系統。雷達基數據的壓縮和解壓縮通過在系統中嵌入WINZIP軟件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)實現。

2 系統主要功能

西藏自治區的新一代多普勒雷達在布點時由于受資料生成顯示軟件和通信網絡條件的制約,4部多普勒雷達只能單站單點使用,沒有實現雷達資料全區共享。中國氣象局網站上的部分GIF圖像格式的雷達產品,在資料的時效性和信息量方面與雷達觀測本站相比都存在較大差距。為了解決此問題,充分發揮多普勒雷達的強大功能,研究設計了全區多普勒天氣雷達資料的自動處理和入庫系統。系統實現的主要功能有:

(1)多普勒天氣雷達資料的實時監控和接收;

(2)多普勒天氣雷達基數據的顯示處理;

(3)多普勒天氣雷達基數據及圖形產品的自動入庫。

3 系統功能的具體實現

通過對系統需求的詳細設計和分析,把多普勒雷達資料的實時接收處理過程作為研究對象,在細化過程的同時確定每個子系統的實現功能。下面以系統主要功能模塊為例,簡要介紹系統的開發思路和實現方法。

3.1 多普勒天氣雷達資料的監控和接收模塊

模塊監控和接收兩種多普勒天氣雷達資料,一種是基數據文件,每個雷達站6分鐘左右生成一個,文件大小為12M 左右;另一種是GIF格式圖片文件,每個雷達站1小時生成5個,分別為1小時降水量、液態含水量、徑向速度、組合反射率和基本反射率。

采用目錄監控技術(findfirst函數和findnext函數相結合),實時監控數據傳輸服務器中指定的多普勒雷達資料接收目錄,一旦發現有新的文件,則判斷是否為雷達基數據文件或GIF圖片文件,如果是則記錄其文件名、文件大小和文件生成日期等信息,并將該文件移動到指定目錄,為下一步處理作好準備,具體例程如下:

3.2 多普勒天氣雷達基數據的顯示處理模塊

3.2.1 多普勒天氣雷達基數據的數據結構

多普勒天氣雷達可以探測降水的分布、強度和降水云系的垂直結構,還可以測定降水粒子的徑向運動速度,并通過這種速度信息推斷風場結構特征。西藏自治區的多普勒雷達采用成都784廠生產的CINRAD/CD雷達。

一個多普勒天氣雷達基數據(體掃數據)資料由基本數據和探測數據兩部分構成,基本數據包括站址基本情況、性能參數、觀測參數等,數據位于文件頭部。探測數據記錄雷達波束探測到的降水粒了反射信息,其存放結構如下:

struct DATA{

unsigned char m-dbz;//強度值,實際dBz=(m-dbz-64)/2;

unsigned char m-vel;//速度值,實際Velocity=最大可測速度*(m-vel-128)/128

unsigned char m-undbz;//無訂正強度值,實際dBz=(m-undbz-64)/2;unsigned char m-sw;//譜寬值,實際sw=最大可測速度的256分之一

//無回波時為零。

};

西藏自治區的多普勒雷達信息按照極坐標方式采集存儲,以250m為1個探測數據記錄單位,1條波束可以采集1000個記錄,即一條波束探測半徑可以達250km,雷達掃描1周探測360次,可采集36萬個記錄,雷達1次體掃設定9個探測角度,所以1次體掃能采集探測數據為9×360×1000個記錄。

3.2.2 多普勒天氣雷達基數據圖像畫面的布局和物理量彩色色標

多普勒天氣雷達基數據圖像顯示的內容應包括省(區)名、站名、產品名稱,觀測的各種參數(如時間、觀測仰角、觀測距離標尺)、圖像的色標和物理量單位名稱,及附屬數據(或附屬圖像),整個畫面由640×480象素組成。圖像區大小為480×480,用來顯示回波圖像或產品圖像。其他部分用來顯示雷達站名、雷達型號、觀測時間、仰角(或方位角或高度)及量程范圍以及色標和附屬數據(圖1)。圖像一般采用以雷達天線為中心的直角坐標系。地心到天線所指方向為垂直方向,過天線與地球相切的平面為水平面,此面與天線經度面的交線為南北方向。

多普勒天氣雷達基數據圖像顯示的物理量有回波強度、徑向速度、譜寬及無訂正回波強度。雷達顯示圖像中的物理量按其性質可分為兩類:一類是量值變化可出現正值和負值,如徑向風速,另一類量值只出現正值,如回波強度、譜寬。相應的圖像的色標也相應分成兩類.為了便于業務人員使用,基數據圖像采用彩色顯示,并且彩色顯示方案采用中國氣象局規定的統一標準(表1、表2)。

圖1 多普勒天氣雷達基數據圖像畫面的布局

表1 適用于徑向速度的彩色表

表2 適用于回波強度、速度譜寬的彩色表

3.2.3 多普勒天氣雷達基數據圖像的地圖疊加

地圖疊加時利用了MICPAS3系統中西藏各縣的經緯度數據(行政區界),通過坐標變換,將經緯度數據變換到直角坐標系后,再進行疊加,如圖2所示。

圖2 拉薩雷達站的地圖疊加

3.2.4 多普勒天氣雷達基數據圖像的自動生成

在掌握了雷達基數據存貯格式,確定基數據圖像畫面的布局和物理量彩色色標,以及地圖的疊加方式后,可自動生成基數據圖像產品如圖3～圖6所示。另外考慮到BMP圖像格式占用磁盤空間大,系統自動將BMP格式轉換為JPEG格式存放(可節省10倍左右存貯空間)。具體例程如下:

TJPEGImage*jpg=new TJPEGImage();

jpg-＞Assign(Form1-＞Image1-＞Picture-＞Bitmap);

jpg-＞CompressionQuality=80; //設置圖像質量80%

jpg-＞Compress(); //圖像壓縮

jpg-＞SaveToFile(file-out); //生成JPEG圖像

delete jpg;

3.3 多普勒雷達基數據及圖形產品的自動入庫模塊

3.3.1 雷達資料數據庫設計及庫表結構

雷達資料數據庫的設計充分考慮了雷達資料的特點,如:數據量大、產品種類多、屬性復雜;實時性要求高;具有廣泛的用戶群體等以及用戶的需求;系統的軟硬件配置;系統的可靠性、可用性、可維護性和可移植性等因素,使系統具有良好的可伸縮性。針對不同的雷達數據類型,設計了以下4種數據庫表:

(1)基數據表

(2)基數據圖像產品表

(3)接收的1小時1次的GIF格式圖像表

(4)歷史基數據表

為了以后查詢、檢索和下載等操作的方便,各個數據庫表在結構上都包含了日期、時間、資料類型、站名、目錄名、文件名以及一些預留字段。

3.3.2 歷史多普勒雷達基數據的壓縮存貯

一部多普勒雷達大約每6分鐘完成1個體掃,生成1個12M的基數據文件,1天將產生240多個基數據文件,這樣1天的數據量將達到2.8G,而全區4個雷達站總的數據量將達到10G以上,這將對目前的網絡通信和計算機存貯容量形成較大的壓力,同時也不便于雷達資料的共享使用。為此,系統先將歷史多普勒雷達基數據按站按天歸類,然后將每站每天所有的基數據自動壓縮成一個文件,并按站號和日期進行編號,方便以后的檢索、查詢和下載。

這里基數據的壓縮是通過在系統中嵌入WINZIP軟件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)實現,壓縮效率比較高,壓縮后的文件大小平均僅為原文件大小的1/20。

3.3.3 雷達數據自動入庫和維護

雷達數據的自動入庫和維護利用MYSQL提供的C++數據接口,采用C++BUIDER6編程解決。

自動入庫例程如下:

MYSQL mysql,*sock;

typedef unsigned int SOCKET;

MYSQL-RES*res;

char qbuf[512];

mysql-init(&mysql);

sock=mysql-real-connect(&mysql,″localhost″,″root″,″111111″,″product1″,3306,NULL,0);

mysql.reconnect=1;

if(!(res=mysql-list-tables(sock,NULL)))

{

}

mysql-free-result(res);

sprintf(qbuf,INSERT-QUERY,sta-num,mdate,mtime,dir2,file-name,″1″,level);

mysql-query(sock,qbuf);

mysql-close(sock);

4 結束語

目前,西藏全區共建成了拉薩、日喀則、林芝和那曲四部C波段多普勒天氣雷達。但豐富的資料沒有實現全區共享,多普勒天氣雷達的強大功能沒有完全發揮。基于此,在Windows操作系統平臺下,采用C++BUIDER6.0作為開發工具,結合MYSQL數據接口技術、WINZIP軟件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)、目錄監控技術以及利用MICPAS3系統中西藏各縣的經緯度數據,研究設計了全區多普勒天氣雷達資料的自動處理和入庫系統。初步實現了:(1)多普勒天氣雷達資料的實時監控和接收;(2)多普勒天氣雷達基數據的顯示處理;(3)多普勒天氣雷達基數據及圖形產品的自動入庫。為下一步實現全區共享多普勒雷達資料打下良好的基礎。

[1] 萬玉發.聯合雷達網和衛星定量監測與預報長江流域大范圍降水[J].應用氣象學報,1998,(9):94-103.

[2] 伍志方,張春良,張沛源.一次強對流天氣的多普勒特征分析[J].高原氣象,2001,20:202-207.

[3] 姚祖慶,黃炎.上海地區強對流短時預報工作流程及其應用[J].氣象,2000,26:15-18.

[4] 邱崇踐,余金香,Xu Q.多普勒雷達資料對中尺度系統短期預報的改進[J].氣象學報,2000,58:244-249.