運(yùn)用天氣雷達(dá)三維探測 提高人工防雹作業(yè)效率

劉巖等

摘要：天氣雷達(dá)能夠?qū)邓到y(tǒng)進(jìn)行三維探測，使用三維矢量描述雷達(dá)回波的立體信息，可以直觀地顯示降水系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，有助于對天氣變化過程進(jìn)行深入分析。本文對天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)及人影防雹作業(yè)點防護(hù)范圍三維可視化相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：相對于二維平面的分析顯示，三維可視化技術(shù)可以提高人影工作者對天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)與人影高炮立體防護(hù)范圍的直觀理解，更有效地分析出整個回波的輪廓、云內(nèi)部回波分布情況及其與防雹作業(yè)點的相對位置，對于把握強(qiáng)天氣過程的演變狀況與指導(dǎo)防雹作業(yè)很有意義。

關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；三維產(chǎn)品；人工防雹

中圖分類號： P482 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.19.071

天氣雷達(dá)是用來探測大氣中的雨、雪、冰雹等降水系統(tǒng)及其分布、發(fā)展和演變的主要探測工具之一，能夠監(jiān)測降水系統(tǒng)的強(qiáng)度及其分布，并通過這些信息來分析風(fēng)暴的空間結(jié)構(gòu)、能否在未來發(fā)展成惡劣天氣等情況[1-2]。人工防雹就是采用人為的辦法對一個地區(qū)上空可能產(chǎn)生冰雹的云層施加影響，使云中的冰雹胚胎不能發(fā)展成冰雹，或者使小冰粒在變成大冰雹之前就降落到地面。科學(xué)計算三維可視化技術(shù)，是指運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)圖像處理等技術(shù)，將計算過程與計算結(jié)果產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維圖像，在屏幕上顯示出來，以進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)，這種技術(shù)可以在很大程度上發(fā)掘雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中的有效信息，為雷達(dá)分析工作提供了一種新的方式。相對于二維平面的產(chǎn)品顯示，三維可視化技術(shù)可以將雷達(dá)數(shù)據(jù)對應(yīng)的三維影像與人影防雹作業(yè)點的立體防護(hù)范圍直接重建在計算機(jī)屏幕上顯示出來，使人影工作者對整個天氣系統(tǒng)更加直觀地進(jìn)行理解，更有效地分析出雷達(dá)回波的輪廓、云體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與防雹作業(yè)點的相對位置[3]。

本文在現(xiàn)有的雷達(dá)數(shù)據(jù)三維可視化技術(shù)的研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)行了雷達(dá)數(shù)據(jù)三維空間定位算法、垂直剖面算法與等值面算法、人影防雹立體防護(hù)范圍等三維可視化技術(shù)的研究工作，并以研究成果作為理論基礎(chǔ)，在人影防雹三維業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研制中得到應(yīng)用，實現(xiàn)了天氣雷達(dá)回波體掃數(shù)據(jù)的任意方向的三維剖面、回波輪廓構(gòu)建與防雹范圍等更加細(xì)致的三維顯示與交互操作。

1人影防雹三維業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研制

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)圖形學(xué)與計算機(jī)圖像處理技術(shù)在各個行業(yè)得到了迅速普及和深入應(yīng)用。在人影信息三維可視化的實現(xiàn)過程中，為了滿足操作靈活、便捷等特點，本文在雷達(dá)數(shù)據(jù)三維空間定位算法、垂直剖面算法與等值面算法等研究工作基礎(chǔ)上，研制了人影防雹三維業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了雷達(dá)數(shù)據(jù)三維產(chǎn)品與高炮立體防護(hù)范圍的實時顯示。系統(tǒng)界面如圖1所示。

軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按照需求設(shè)計分為建立坐標(biāo)系、顯示地理信息、解析雷達(dá)資料、繪制雷達(dá)垂直剖面圖像、計算雷達(dá)等值面圖像、繪制高炮立體防護(hù)范圍等模塊，如圖2所示。

其中坐標(biāo)變換模塊提供了由經(jīng)緯度、高度確定的數(shù)據(jù)點在地球坐標(biāo)系中的定位方法；地理信息模塊給出了地理信息文件的解析與顯示方法；雷達(dá)資料分析模塊能夠讀取雷達(dá)體掃資料基數(shù)據(jù)文件，并轉(zhuǎn)換成球坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)排列格式；雷達(dá)垂直剖面計算模塊可以由用戶選取任意方向的沿地球球面延伸的基線，經(jīng)過插值繪制垂直方向的雷達(dá)數(shù)據(jù)；雷達(dá)等值面計算模塊通過選取關(guān)心的閾值，通過等值面算法計算出雷達(dá)回波三維輪廓信息；高炮防護(hù)范圍顯示模塊將人影高炮作業(yè)射表中的某一方位角彈道軌跡沿著垂直軸旋轉(zhuǎn)一周，用三維可視化的方法將顯示出立體防護(hù)范圍，如圖3所示。

2人影防雹三維業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用

以2010年7月4日長春雷達(dá)觀測到的強(qiáng)風(fēng)暴天氣系統(tǒng)為例，使用人影防雹三維業(yè)務(wù)系統(tǒng)對天氣雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)進(jìn)行三維顯示與分析。2010年7月4日6時18分長春雷達(dá)西偏北150公里處有一對流天氣系統(tǒng)進(jìn)入雷達(dá)觀測范圍并開始發(fā)展，如圖4所示。該時刻雷達(dá)回波高度達(dá)到10公里，30dBZ回波輪廓構(gòu)成了密實的回波帶，45dBZ回波體積較小，持續(xù)向東南方向移動，圖a為雷達(dá)體掃1.5度仰角PPI圖像，圖b為任意選定的垂直剖面圖像，圖c為30dBZ與45dBZ反射率閾值的等值面圖像，圖d為雷達(dá)回波與高炮防護(hù)范圍相對位置。

6時31分天氣系統(tǒng)已發(fā)展成比較強(qiáng)的對流系統(tǒng)，如圖5所示。PPI圖像可以觀察到“V”型槽口，回波結(jié)構(gòu)緊密，剖面圖像顯示回波高度已達(dá)到12公里，強(qiáng)回波中心超過55dBZ并達(dá)到5公里。30dBZ與45dBZ回波輪廓體積較大且清晰，開始展現(xiàn)出穹窿狀結(jié)構(gòu)，并在回波移動方向上觀測到弱的前傾和懸垂，此時回波結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入高炮立體防護(hù)范圍，應(yīng)開始防雹作業(yè)。

7時49分天氣系統(tǒng)發(fā)展至成熟階段，回波高度達(dá)到15公里以上，垂直剖面圖像上可以觀測到懸垂結(jié)構(gòu)，等值面圖像可以觀測到高空回波伸展?fàn)顩r，如圖6所示。該時刻系統(tǒng)移動到雷達(dá)中心西偏南70公里處，回波中心附近的區(qū)域自動站觀測到11.9毫米的10分鐘累積降水，反射率垂直剖面顯示18.5dBZ回波頂高達(dá)到12公里，并清楚地展示出風(fēng)暴低層的弱回波區(qū)和中高層的懸垂結(jié)構(gòu)。使用30dBZ與45dBZ的閾值對反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行等值面重構(gòu)，顯示出雷達(dá)回波三維圖像，由該圖像可觀察到回波頂移過低層反射率的高梯度區(qū)而位于一個持續(xù)的被中層懸垂所包圍的弱回波區(qū)，高層回波輪廓向風(fēng)暴的移動方向伸展，這對天氣系統(tǒng)下一時刻的發(fā)展趨勢有一定的指示意義。此時雷達(dá)回波的移動方向沒有防雹作業(yè)點，仍應(yīng)密切關(guān)注該天氣系統(tǒng)的發(fā)展變化。

8時41分天氣系統(tǒng)發(fā)展成積層混合云，且系統(tǒng)的對流部分已經(jīng)衰減，如圖7所示。剖面圖像顯示出回波高度降低為7公里，強(qiáng)回波中心位于3公里高度附近，30dBZ回波輪廓仍然連續(xù)而清晰，45dBZ回波接近低空且體積較小，可以對該對流系統(tǒng)停止防雹作業(yè)。

8時51分已經(jīng)觀測不到對流系統(tǒng)，如圖8所示。此時回波分割為兩個較大的層狀云塊，反射率強(qiáng)度降低至20dBZ以下，剖面圖像顯示出回波高度較低且并不連續(xù)，30dBZ與45dBZ回波輪廓已經(jīng)完全觀測不到，對該對流天氣系統(tǒng)的防雹作業(yè)結(jié)束。

3 結(jié)語

本文將三維可視化技術(shù)應(yīng)用在天氣雷達(dá)與人影防雹作業(yè)中，研發(fā)出基于天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的人影防雹三維業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并使用此系統(tǒng)對2010年7月4日長春雷達(dá)觀測到的強(qiáng)風(fēng)暴數(shù)據(jù)進(jìn)行三維分析顯示。該系統(tǒng)實現(xiàn)了地理信息、地形貼圖等基本功能的集成，且在充分考慮到人影防雹業(yè)務(wù)實時需求的基礎(chǔ)上，兼顧了雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的分析顯示功能，將三維可視化技術(shù)與雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)產(chǎn)品相結(jié)合，彌補(bǔ)了常規(guī)雷達(dá)回波分析中其空間范圍有限和二維顯示單一的缺陷，直觀地顯示出雷達(dá)回波輪廓結(jié)構(gòu)與人影高炮立體防護(hù)范圍的相對位置，無論從宏觀和微觀上都能更全面地把握回波分布情況和發(fā)展?fàn)顩r，為更細(xì)致地指導(dǎo)人影防雹作業(yè)過程提供了依據(jù)和保障。

參考文獻(xiàn)

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[3] 張志強(qiáng)，劉黎平，王紅艷.三維可視化技術(shù)在雷達(dá)三維組網(wǎng)產(chǎn)品顯示中的運(yùn)用[J].氣象科技，2010，38（05）：605-608.

作者簡介：劉巖，本科學(xué)歷，吉林省人工影響天氣辦公室，工程師，研究方向：人工影響天氣。