一種空管氣象雷達預警系統的設計與實現

摘 要：提出一種符合空管氣象運行實際的預警系統，系統主要針對汕頭空管站所處潮汕機場夏季多雷暴的現狀，設計實現一種有效的雷暴預警預報功能，軟件通過C#設計與實現。

關鍵詞：空管氣象；雷達；預警預報

1 概述

當前民航飛行受天氣影響出現的航班延誤等問題日益嚴重，天氣因素成為影響空中交通管制的重要因素。特別是雷暴，其在東南沿海地區的航空氣象中更為常見。雷暴是一種對流運動強烈發展而形成的天氣現象，相關航空規定禁止飛行物在雷暴區和積雨云中飛行。另一方面，空管對天氣信息的把握主要依賴氣象雷達。因此，空管氣象雷達如果對雷暴能夠有一定的預警預報功能對于我們的保障工作無疑是錦上添花。本文從汕頭空管站的運行實際出發，提出一種空管氣象雷達預警系統，針對雷暴的預警預報提出一些看法，并通過軟件實際加以設計和實現。

2 系統的總體思路

通過空管氣象雷達的回波資料，系統必須進行預處理，濾除相應的雜波和層狀云等信息后，結合閾值設置和判別將可行的區域識別為雷暴。因此，系統主要有特征相似、距離優先以及上限設置等三個判別條件對對流云圖進行跟蹤和處理。當然，過程必須包含本地雷暴的歷史經驗權重，對雷暴的具體質心以及體系進行線性回歸預算。系統必須包含以下主要功能：數據處理；雷暴識別與跟蹤預警；預警顯示和分析。其中數據處理包含數據的整體管理和數據的有效性控制，雷暴識別與跟蹤預警則重點關注雷暴的區域更新、速度更新等，對雷暴進行跟蹤和預警；預警顯示則在于對降雨量、垂直積分降水總量以及雷暴質心等計算，雷暴分析則在于雷暴的統計分析、風場計算等主要分析計算功能。

根據空管實際工作，設計的數據來源主要有雷達數據、觀測數據。這兩個主要數據來源通過數據預處理（包括雜波濾除、亮帶過濾、頂高過濾和異常過濾）形成標準的氣象雷達數據，根據數據再進一步進行雷暴的跟蹤識別、風場計算和降水量計算。

在空管氣象雷達上，雷暴主要體現是反射率高于某一特定閾值的一個連續區域。因此，系統定義一個完整的雷暴則需要一個更大的體積區域，該區域反射率小于等于系統設定的閾值。雷暴生成和運動的軌跡在實際中比較復雜，因此系統在軟件設計上必須有相應的數據模型描述雷暴的生成，甚至包括過去狀態、現在狀態以及預測狀態，為預警系統提供數據手段。MDV格式是一種可以實現內部數據壓縮以及良好數據元支持的格狀數據模式，并且在實際工作中，MDV可以提供以時間時刻命名的文件檢索方式，其對反射率、溫濕度和風速等具體氣象信息有豐富的記錄功能。因此，本文的預警系統，一方面采集來自氣象雷達的數據，另一方面通過MDV數據進行輔助。介于觀測數據主要通過航空報文采集分析，因此，系統在實現上必須有一個良好的數據結構分析和統一處理。系統實現上主要以C#進行軟件設計，并且在數據庫設計上采用SQL server。這兩者有較好的數據封裝交互接口，對于軟件設計而言可以減少設計開發的壓力。數據結構統一上，通過txt文本文件實現雷暴的描述，主要數據包括觀測的時間、雷暴數量以及反射閾值。在上述經驗值參與運算的設想下，系統對于當前雷達回波圖和歷史回波圖必須建立相應的聯系，識別出歷史回波圖對當前有影響，則軟件對其進行相應的標示等級。與此同時，定義一個雷暴類，該類在屬性上包含有歷史、當前和預測值三個主要子類。再之，雷暴的主要形態在氣象雷達圖上主要體現在時間、經緯度位置以及特征參數，當前空管氣象雷達主要采用國際時，而經緯度坐標則必須考慮相應的投影坐標平面轉換（此處篇幅所限不贅述），雷暴的特征參數則主要在于雷暴單體頂部、最大反射率以及運動描述的質心。

3 基于氣象雷達的預警技術設計

氣象雷達是空管氣象信息的主要獲取手段之一，其通過電磁波散射而顯示出回波特征形成圖像信號對雷暴等天氣信息進行描述。其中，雷達的回波強度來自雷達參數設置以及氣象降水體散射特征，通過回波的強度和分布，預報人員可以推斷天氣系統的性質從而預測天氣狀況。參考相關文獻雷暴的回波閾值設定可以定義為30～40dB。因此，雷暴識別可以通過距離、方位和高度進行氣象雷達回波圖的計算。在回波圖坐標上選擇反射率大于閾值的線面，線面組成了不同的柵格，通過不同線面上的包含與被包含的關系的計算可以得出相鄰間的連線。這種處理可以降低軟件算法的計算維度，提高算法效率。

雷暴分析則首先計算相應的雷暴參數，包括雷暴頂與底、體積、傾斜角和方向以及反射率高度等。再之，在三維立體空間里建立起區域功能的反射率柱狀圖，通過用橢圓算法定義出雷暴的行狀，在二維空間中通過預計區域內數據組參數組成變化定義橢圓的參數，主要在長半徑和短半徑兩個主要方向上。與此同時，組成轉換參考方差矩陣中的特征向量計算，通過特征向量一致性計算得出在笛卡爾坐標上橢圓的長短半徑從而得出雷暴的形狀。

在雷暴的預警和跟蹤上，系統采用對空管氣象雷達一小時掃描計算雷暴。此處主要考慮對于雷暴的最優匹配以及雷暴分裂的處理。雷暴匹配必須考慮在某一時刻出現的雷暴位置和另一時刻出現雷暴位置之間的連線軌跡問題。假設軌跡有N條，根據觀測人員的經驗，真實軌跡應當在所有軌跡中較短的部分，雷暴通常的大小為3～10kM，單位時間內移動的距離在1～10kM范圍內，因此軌跡越短，符合實際雷暴移動的概率越大，系統將計算不同時間段雷暴質心之間的軌跡連線，并且在后臺計算出包括形狀和大小在內的雷暴信息，對于預計的移動速度則可以通過閾值設置（來自空管氣象觀測工程師的經驗值）。通過這樣處理，軌跡確定的過程可以轉換為軟件算法上的最優選擇設計。通過最優選擇算法設計，系統可以解決最優匹配問題。將上述的變量集中轉換為向量，匈牙利法可以找出向量矩陣中最多零元素的行列，通過零元素的查找得出相應的坐標位置，并且循環計算產生新的矩陣。這種最優化設計可以通過不斷迭代得出最優解，在軟件設計上也較為簡單，性能實現也有不錯的表現。當然，在重疊計算上，系統必須通過重疊面積在時刻1和時刻2的比例的計算評估得出雷暴的唯一性。而在雷暴分裂的處理上，系統通過匹配算法，設定在T1時刻有比T2時刻更多的雷暴，并且T1～T2間有雷暴消失，計算T2時刻雷暴的具體參數并根據上述算法加以預測，確定其區域還是屬于T2時刻的雷暴區域時，系統認為T1雷暴與T2雷暴是來自同一個雷暴。

4 系統軟件實現

系統主要采用c#設計，考慮空管的實際工作情況，采用C/S模式設計。因此軟件設計主要包括服務器數據庫設計和前端客戶端兩部分。數據庫包括數據管理和數據控制，分別在SQL server上建立表進行數據存儲，并且服務器端提供相應的數據交互能力為技術維護提供手段。數據控制則包括對數據的預處理，服務器軟件一是必須識別雷達數據圖像信息，并且將過濾好的準確數據回傳到客戶端；二是通過卡爾曼網格處理過濾亮帶發射率，并且計算數據格的中間值作雜波處理；三是進行數據相關融合，去除不必要的數據。這些數據處理由于部署在服務器端，與數據庫的交互更為高效。前端客戶端則處理來自服務器的各種經過處理的數據，通過軟件算法實現解決雷暴識別與跟蹤、雷暴預警與分析，為現場提供技術支持。

5 結束語

本文提出一種基于雷暴預警的氣象雷達預警系統，該系統能夠滿足空管氣象的運行，為現場技術保障提供一種建議，同時也為相關研究拋磚引玉。

參考文獻

[1]黃文彥.雷暴臨近預報系統設計與實現[J].電子科技大學，2011 （12）：276.

作者簡介：周曉璇（1991，1-），女，漢族，廣東澄海人，本科，民航汕頭空管站助理工程師，研究方向：空管氣象設備保障。