基于多普勒天氣雷達(dá)的民航氣象監(jiān)測(cè)與臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)

王暉　魏巍

【摘 要】航空氣象對(duì)航空飛行安全、準(zhǔn)點(diǎn)有著至關(guān)重要的影響，本文首先對(duì)多普勒天氣雷達(dá)主要產(chǎn)品和臨近預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行介紹，然后介紹了基于多普勒天氣雷達(dá)的民航氣象監(jiān)測(cè)與臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要功能。

【關(guān)鍵詞】多普勒天氣雷達(dá)；民航氣象；實(shí)況監(jiān)測(cè)；臨近預(yù)報(bào)

0 引言

國(guó)際民航組織統(tǒng)計(jì)顯示，在世界航空業(yè)務(wù)中，因天氣原因造成的飛行事故數(shù)量已經(jīng)上升到占總事故的將近三分之一，其中強(qiáng)對(duì)流天氣是造成飛行事故的主因。[1]

目前我國(guó)民航日飛行量已經(jīng)超過(guò)1萬(wàn)架次，預(yù)計(jì)未來(lái)十年，中國(guó)民航運(yùn)輸量仍然保持持續(xù)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。大飛行量、大流量的運(yùn)行背景，使得民航在保證飛行安全的前提下，保障航班“正點(diǎn)”和“效率”的壓力空前增大。隨著航班量的增加，天氣對(duì)航空運(yùn)輸安全與效益的影響日益突出，天氣因素已經(jīng)成為制約我國(guó)航空事業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸之一。因天氣原因造成航班延誤導(dǎo)致旅客與航空公司糾紛日漸增多，甚至影響社會(huì)穩(wěn)定。

新一代天氣雷達(dá)作為現(xiàn)代化的探測(cè)手段，可以有效地監(jiān)測(cè)暴雨、冰雹、龍卷等災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展；同時(shí)還具有良好的定量測(cè)量回波強(qiáng)度的性能，可以定量估測(cè)大范圍降水[2]。我國(guó)即將建成由216部新一代多普勒天氣雷達(dá)組成的全國(guó)性雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)[3]，中國(guó)民用航空局空中交通管理局航空氣象中心可以通過(guò)中國(guó)氣象局同城用戶服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取全國(guó)新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過(guò)研制氣象監(jiān)測(cè)與臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可以更好的滿足民航對(duì)氣象服務(wù)“定時(shí)、定點(diǎn)、定量”的要求，提高對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力和服務(wù)水平。

1 建設(shè)內(nèi)容

系統(tǒng)對(duì)接收到的全國(guó)新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和產(chǎn)品加工，通過(guò)疊加精細(xì)化地理信息數(shù)據(jù)，輸出帶有機(jī)場(chǎng)中心點(diǎn)，50km為單位的距離圈產(chǎn)品，其上可以疊加機(jī)場(chǎng)走廊，機(jī)場(chǎng)詳細(xì)信息，不含經(jīng)緯度。供用戶監(jiān)視和分析重要天氣的發(fā)生、發(fā)展和變化過(guò)程。同時(shí)，產(chǎn)品可以以指定圖片形式輸出，供共享使用。

多普勒天氣雷達(dá)的主要產(chǎn)品包括（表1）：

系統(tǒng)總體由兩部分組成，產(chǎn)品處理與產(chǎn)品顯示（圖1）。

產(chǎn)品處理：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷達(dá)PUP目錄的變化，當(dāng)監(jiān)測(cè)到新的數(shù)據(jù)來(lái)到時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行產(chǎn)品的二次計(jì)算并輸出二次加工產(chǎn)品，最終根據(jù)產(chǎn)品的樣式將雷達(dá)PUP產(chǎn)品和二級(jí)計(jì)算產(chǎn)品進(jìn)行圖像產(chǎn)品的繪制，生成圖像產(chǎn)品文件。

產(chǎn)品顯示：通過(guò)IE、Firefox、Chrome等瀏覽器訪問(wèn)部署好的WEB服務(wù)器，可以調(diào)閱雷達(dá)圖像產(chǎn)品，查閱用戶所關(guān)心雷達(dá)圖像產(chǎn)品，雷達(dá)圖形產(chǎn)品推送到前臺(tái)后、可以對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行放大、漫游、前翻、后翻、動(dòng)畫等操作；同時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)行空間地理信息圖層的疊加，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行圖層顯示和隱藏。

產(chǎn)品顯示工具可定時(shí)向用戶推送最新的、用戶所關(guān)心的雷達(dá)產(chǎn)品圖片，用戶可對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品圖片進(jìn)行動(dòng)畫播放。

2 主要功能

1）雷達(dá)產(chǎn)品處理子系統(tǒng)主要功能

基于PUP產(chǎn)品的目錄規(guī)范和命名規(guī)范，雷達(dá)圖像產(chǎn)品生成模塊監(jiān)測(cè)PUP數(shù)據(jù)文件目錄，當(dāng)新的PUP數(shù)據(jù)文件到達(dá)時(shí)，輪詢PUP數(shù)據(jù)所在的目錄。對(duì)新到的PUP進(jìn)行處理，生成圖像產(chǎn)品文件。

①數(shù)據(jù)監(jiān)控

圖像產(chǎn)品生成模塊啟動(dòng)后，檢測(cè)pup目錄下是否有新數(shù)據(jù)到達(dá)，若有新的數(shù)據(jù)到達(dá)，對(duì)新到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

②數(shù)據(jù)解析

針對(duì)已經(jīng)生成的PUP產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對(duì)雷達(dá)PUP數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從數(shù)據(jù)文件中獲取PUP產(chǎn)品數(shù)據(jù)后調(diào)用繪圖功能進(jìn)行圖像產(chǎn)品的繪制。

③投影變換

針對(duì)不同投影方式的地理信息數(shù)據(jù)，對(duì)雷達(dá)PUP數(shù)據(jù)進(jìn)行極坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換，如笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，生成相應(yīng)投影下的雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

④反演處理

對(duì)需要進(jìn)行二次反演計(jì)算的產(chǎn)品，然后加載雷達(dá)數(shù)據(jù)反演算法，生成雷達(dá)二次反演數(shù)據(jù)產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)二次產(chǎn)品進(jìn)行圖像產(chǎn)品的繪制。

⑤圖形處理與規(guī)范化

產(chǎn)品文件存儲(chǔ)時(shí)將雷達(dá)產(chǎn)品生成的底色為透明，產(chǎn)品生成的格式設(shè)置為PNG（PNG透明圖向產(chǎn)品，便于疊加地圖等基本信息），實(shí)時(shí)生成雷達(dá)產(chǎn)品圖像文件，生成的雷達(dá)圖像文件按照指定目錄規(guī)范和和命名規(guī)范進(jìn)行存儲(chǔ)，以便于根據(jù)時(shí)間條件、空間條件進(jìn)行產(chǎn)品文件定位。輸出帶有機(jī)場(chǎng)中心點(diǎn)，50km為單位的距離圈產(chǎn)品，其上可以疊加機(jī)場(chǎng)走廊，機(jī)場(chǎng)詳細(xì)信息，不含經(jīng)緯度（圖2）。

2）雷達(dá)產(chǎn)品顯示子系統(tǒng)主要功能

產(chǎn)品加工將雷達(dá)圖像產(chǎn)品圖形圖片化后，發(fā)布在圖形服務(wù)器上，通過(guò)WEB瀏覽器進(jìn)行調(diào)閱和交互操作，檢索調(diào)閱雷達(dá)圖像產(chǎn)品，查閱所關(guān)心雷達(dá)圖像產(chǎn)品，雷達(dá)圖形產(chǎn)品推送到前臺(tái)后、可以對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行放大、漫游、前翻、后翻、疊加、過(guò)濾等操作。

①產(chǎn)品檢索

產(chǎn)品文件按照各自的雷達(dá)站點(diǎn)和產(chǎn)品特征分別存放在不同的子目錄。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)用新接收的產(chǎn)品代替過(guò)期產(chǎn)品。產(chǎn)品檢索實(shí)際上就是從本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足用戶需求的產(chǎn)品。可選參數(shù)：雷達(dá)站點(diǎn)、產(chǎn)品名、產(chǎn)品號(hào)、體掃開始的日期（Date）和時(shí)間（Time）、數(shù)據(jù)級(jí)數(shù)（Level）， 分辨率（Resolution）， 仰角（Slice）等。

圖3是杭州多普勒天氣雷達(dá)2015年1月29日7時(shí)230km組合反射率產(chǎn)品，圖4是35dBz以上回波230km組合反射率30分鐘臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

②地理信息疊加

雷達(dá)圖像可以根據(jù)用戶關(guān)心的地理信息如省界、市界、縣界、市名、縣名、航線等地理信息進(jìn)行疊加顯示。

③產(chǎn)品疊加

雷達(dá)圖像產(chǎn)品可以疊加掃描日期和時(shí)間等產(chǎn)品相關(guān)屬性，可做相關(guān)產(chǎn)品疊加顯示，如回波疊加速度。

④放大/縮小

被顯示的產(chǎn)品可以被放大1、 2、 4、 8 倍，背景地圖同時(shí)也被放大。放大的操作并不影響其它顯示功能。在沒有產(chǎn)品顯示的狀態(tài)下，也可以單獨(dú)對(duì)顯示的地圖進(jìn)行放大。

⑤空間量算

提供空間要素的幾何量算功能，包括空間要素的距離量算功能和空間要素的地理特征要素量算功能。

空間要素的距離量算功能，可對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與線、點(diǎn)與面、線與線、線與面、面與面、任意線段的距離量算，且可以進(jìn)行長(zhǎng)度單位的設(shè)置。如量算出雷達(dá)回波到機(jī)場(chǎng)的直線距離。

空間要素的地理特征要素量算功能，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊點(diǎn)要素進(jìn)行量算，量算出點(diǎn)要素的坐標(biāo)（X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)）。如量算回波所在的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

⑥動(dòng)畫/動(dòng)畫制作

如果選擇了多個(gè)產(chǎn)品形成循環(huán)隊(duì)列， 系統(tǒng)提供動(dòng)畫顯示不同掃描時(shí)間的圖形產(chǎn)品演變。

暫停動(dòng)畫（Pause）和停止動(dòng)畫（Stop）是在播放過(guò)程中對(duì)動(dòng)畫的控制命令，它們使動(dòng)畫停在當(dāng)前幀或下一幀圖像產(chǎn)品。

向前（Forward）是指顯示循環(huán)隊(duì)列中下一時(shí)次的圖像產(chǎn)品，如果當(dāng)前顯示的產(chǎn)品處在隊(duì)首，則顯示隊(duì)尾的產(chǎn)品。向后（Back）是指顯示循環(huán)隊(duì)列中上一時(shí)次的圖像產(chǎn)品，如果當(dāng)前顯示的產(chǎn)品處在隊(duì)尾，則顯示隊(duì)首的產(chǎn)品。

加速、減速命令實(shí)際上就是改變動(dòng)畫時(shí)幀之間的時(shí)間間隔（Rate），加速是減小時(shí)間間隔，減速是增加時(shí)間間隔。

動(dòng)畫制作是把多個(gè)產(chǎn)品形成循環(huán)隊(duì)列顯示內(nèi)容保存為GIF設(shè)置動(dòng)畫圖象，以便在其他平臺(tái)上和材料顯示、分析和應(yīng)用。

⑦區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)級(jí)

圖形產(chǎn)品含有多重?cái)?shù)據(jù)級(jí)，顯示時(shí)它們是以不同的顏色來(lái)區(qū)分的。為了突出某些數(shù)據(jù)級(jí)數(shù)的顯示，過(guò)濾功能就是將圖像中用戶選擇數(shù)據(jù)級(jí)數(shù)的顏色所對(duì)應(yīng)的區(qū)域用背景色代替，這樣它可以幫助操作員更清楚的辨認(rèn)那些模糊不清的數(shù)據(jù)級(jí)。執(zhí)行顏色恢復(fù)能恢復(fù)圖象顯示的缺省狀態(tài)。

單色過(guò)濾

僅將選擇的顏色用背景色代替，也就是等于某一產(chǎn)品閾值的區(qū)域進(jìn)行過(guò)濾。

向上過(guò)濾

將色帶中所選擇顏色以上色彩都用背景代替，也就是大于某一產(chǎn)品閾值的區(qū)域進(jìn)行過(guò)濾。

向下過(guò)濾

將色帶中所選擇顏色以下色彩都用背景代替，也就是小于某一產(chǎn)品閾值的區(qū)域進(jìn)行過(guò)濾。

顏色恢復(fù)

執(zhí)行該操作將使產(chǎn)品的顯示恢復(fù)為沒有進(jìn)行過(guò)濾操作前的缺省狀態(tài)。

⑧產(chǎn)品保存

用戶可以把當(dāng)前被激活視窗的顯示內(nèi)容保存為PNG格式圖象，以便在其他平臺(tái)上和材料顯示、分析和應(yīng)用。

⑨隱藏產(chǎn)品

將當(dāng)前顯示視窗中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)置為不可見。

3 小結(jié)與展望

通過(guò)本系統(tǒng)，民航氣象用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各機(jī)場(chǎng)及其附近雷達(dá)回波情況，及時(shí)判斷強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)的概率和持續(xù)時(shí)間，通過(guò)客觀化臨近預(yù)報(bào)方法提供的臨近預(yù)報(bào)產(chǎn)品，用戶可每6分鐘一次，獲取未來(lái)2小時(shí)內(nèi)逐6分鐘定時(shí)、定點(diǎn)、定量的回波預(yù)報(bào)，大大提升了預(yù)報(bào)員工作效率和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

目前，民航氣象用戶正積極投入CDM協(xié)同決策系統(tǒng)的建設(shè)浪潮中，天氣雷達(dá)實(shí)況監(jiān)測(cè)與臨近預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)將通過(guò)CDM系統(tǒng)深入整合管制信息，為實(shí)現(xiàn)民航氣象更好地為管制服務(wù)提供堅(jiān)實(shí)和科學(xué)的手段。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐輝.30%的飛行事故與天氣有關(guān).http：//www.weather.com.cn/index/lssj/04/378 271.shtml[OL]，

[2]李箐.新一代多普勒天氣雷達(dá). http：//news.weather.com.cn/2014/10/2214834.shtml[OL].

[3]周海光.新一代多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（1）：270-275.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]