CINRAD/CC天氣雷達標準格式基數據與現行業務格式基數據的對比分析

甄廷忠,陳關清,唐學軍,張 琪

(1.云南省昆明市氣象局，云南 昆明 650501；2.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300)

0 引言

我國新一代天氣雷達監測網包括不同廠家多種型號的多普勒天氣雷達，雷達數據資料的存儲和應用多以基數據為主[1]，基數據是雷達獲取的原始數據，包括回波強度、徑向速度、速度譜寬等，以二進制形式保存成文件，即基數據文件[2-3]。以前，不同雷達廠家對基數據文件的存儲格式有不同的定義[2-3]，給雷達觀測資料的科學研究和業務應用帶來不便，基數據的傳輸也以文件傳輸為主，傳輸時效性不高[4]。為解決這些問題，2017年在全國范圍內實施組網天氣雷達數據流傳輸試驗方案，昆明和昭通天氣雷達站被列為試點臺站，通過新增雷達數據流傳輸軟件，實現標準格式雷達基數據流的輸出和上行傳輸，與現行基數據文件傳輸業務雙軌運行[5],兩種格式基數據的生成和上傳示意圖如圖1所示。

圖1 兩種格式基數據的生成和上傳示意圖Fig.1 Generation and upload of base data in two formats

圖中現行業務格式基數據是指按照中國氣象局文件“關于印發《新一代天氣雷達基本數據格式和顯示要求》的函”(中氣測發[2001]6號文)1.0版本格式存儲的基數據。標準格式基數據是指2018年7月16日中國氣象局綜合觀測司發布《天氣雷達基數據標準格式(v1.0)》要求格式存儲的基數據。

雷達數據流傳輸試驗以來，氣象業務人員積極開展雷達基數據業務切換工作，在開發最新業務應用軟件的過程中發現標準格式基數據存在一些問題，會對氣象業務服務工作造成比較大的影響，有必要對標準格式基數據的準確性加以驗證。標準格式基數據是一種全新定義格式的數據，將在2019年替換現行業務格式基數據[6]，在新舊數據替換的過程中，也有必要科學、嚴謹的對新舊數據的完整性、準確性、差異性進行定性、定量的對比和分析。

1 兩種格式基數據結構的對比

1.1 命名方式

現行業務格式基數據的命名格式為“yyyyMMddHH.mmx”[6],其中yyyy是4位數字，代表年；MM為兩位數字，代表月；dd為兩位數字，代表日；HH為兩位數字，代表時；mm為兩位數字，代表分；x代表掃描方式，如平掃(PPI)、高掃(RHI)、體掃(VPPI)、單庫 FFT、等高PPI(CAPPI)5種方式，分別用 P、R、V、F、C 表示[7]。日期時字符串“yyyyMMddHH.mm”是指體掃結束時間。

標準格式基數據的命名格式為：“Z[T]_RADR_I_Iiiii_YYYYMMDDhhmmss_O_DOR_雷達型號_掃描方式_FMT.bin”[8]，其中Z[T]_RADR_I_為固定代碼；Iiiii為雷達臺站號，如昆明為Z9871；YYYYMMDDhhmmss為日期時間字符串(年月日時分秒)，是指體掃開始時間。

兩種格式基數據的名稱均包含了日期時間字符串和掃描方式等信息，現行業務格式基數據文件名比標準格式基數文件名缺少了雷達臺站號、雷達型號兩個信息，需要特別注意的是現行業務格式基數據以北京時間的體掃結束時間命名，標準格式基數據是以世界時間的體掃開始時間命名，文件名命名時間統一成世界時后相差6 min左右。

1.2 數據結構

現行業務格式基數據包括雷達信息和探測數據兩個文件頭，雷達信息文件頭主要用來存儲雷達站點經緯度、天線高度、觀測時間、雷達參數等信息[9]，雷達信息區塊的數據大小是固定的1 024個字節[10]；探測數據區塊包括N個仰角(N根據觀測模式的不同而不同)、每個仰角包括512個徑向、每個徑向有反射率因子、徑向速度和譜寬3種基本數據，每種基本數據有由近及遠依次排列的500個距離庫數據[1]。現行業務格式雷達基數據的探測數據大小為：N×512×3×500=N×256 000個短整型(short int)數據，探測數據大小只與仰角層數成正比關系。

標準格式基數據分為多個區塊，每個區塊描述一組信息，如站點配置塊用來描述雷達站的信息，包括經緯度、天線架設高度等。標準格式基數據可分為公共數據塊和徑向數據塊兩部分，如表1所示(其中N表示第N個仰角，M表示第M個徑向，K表示第K個數據類型，I表示徑向數據長度)。公共數據塊用于提供數據站點信息、任務配置等公共信息；徑向數據塊用于存儲天氣雷達的探測資料，包括3個子塊：徑向頭、徑向數據頭以及徑向數據[11]。公共數據塊數據大小為32+128+256+256×N=416+256×N個字節，數據大小與仰角層數成正比關系。徑向數據塊的數據大小為(64+32×K+I×K)×M個字節，數據大小與徑向數量、徑向數據長度、數據類型數量成正比關系。

兩種格式基數據在數據存儲順序、存儲類別和數據大小等方面都完全不同，但可以簡單的理解為現行業務格式基數據是以體積掃描數據為單位存儲，標準格式基數據是以徑向掃描數據為單位存儲。兩種格式基數據的最大區別在于現行業務格式基數據每個仰角層的徑向數為固定值512個，角度分辨率為0.7°；標準格式基數據每個仰角層的徑向數不固定，為≤361的正整數，角度分辨率約為1°，比現行業務格式基數據的角度分辨率低0.3°。在實際業務運行中，標準格式基數據使用數據流傳輸，可能因傳輸軟件不完善造成徑向數據丟失。

表1 標準格式基數據整體結構Tab.1 Overall structure of standard format-based data

2 兩種格式基數據在相同天氣過程中的對比分析

2.1 昭通雷達在一次天氣過程中對比分析

2017年08月24日20時20分，昭通南部地區出現強回波，并伴隨雷電大風天氣，如圖2所示。

分別對比圖2中a和b、c和d得知，昭通標準格式基數據存在徑向強度數據缺失、徑向速度數據失真(紅色橢圓標注)和徑向放射狀回波減弱的現象(藍色方框標注)，未出現回波強度明顯減弱現象。通過編程讀取兩種格式基數據，得到圖2a和圖2b中紅色方框范圍內最大回波強度、最大回波強度所在方位和距離如表2所示，現行業務格式基數據紅色方框內最大回波強度值比標準格式基數據大1 dBz，所在方位相差0.02°，距離完全相同。圖2c和圖2d正速度區藍色方框內和負速度區紅色方框內速度極值、其所在方位和距離如表3所示，現行業務格式基數據與標準格式基數據最大正速度值相同，其所在方位相差0.33°，距離相差3.3 km；最大負速度值也相同，其所在方位相差0.55°，距離相同。

圖2 昭通2017年8月24日20時20分0.5°基本反射率(現行業務格式a、標準格式b)、徑向速度(現行業務格式c、標準格式d)Fig.2 The Basic Reflectivity (current business format a, standard format b) and Radial Velocity (current business format c, standard format d) of 0.5 degree at 20∶20 on August 24, 2017 in Zhaotong

表2 昭通2017年8月24日20時20分現行業務格式0.5°基本反射率和標準格式0.5°基本反射率選定區域(紅色方框)最大回波強度和最大回波強度所在方位和距離Tab.2 The azimuth and distance of the maximum echo intensity and maximum echo intensity in the selected area (red box) of 0.5 degree basic reflectance for Current Business Format and Standard Format at 20∶20 on August 24, 2017 in Zhaotong

表3 昭通2017年8月24日20時20分現行業務格式0.5°徑向速度和標準格式0.5°徑向速度正速度區選定區域(藍色方框)和負速度區選定區域(紅色方框)速度極值及其所在方位和距離Tab.3 The velocity extremum and azimuth and distance of positive (red box) and negative (blue box) velocity regionsof 0.5 degree radial velocity for Current Business Format and Standard Format at 20∶20 on August 24, 2017 in Zhaotong

2.2 昆明雷達在幾次天氣過程中的對比分析

2.2.1 天氣過程1 2018年6月8日夜間受切變線、地面輻合線的影響，昆明主城及南部縣區出現中到大雨，局部暴雨至大暴雨天氣。雷達回波如圖3所示。

分別對比圖3中a和b、c和d得知，昆明標準格式基數據存在徑向強度和速度數據缺失現象(紅色橢圓標注)；標準格式基數據的回波強度比現行業務格式有明顯減弱，伴隨回波顯示面積縮小[12-14]；現行業務格式基數據回波圖有“掃尾”現象(圖3a中紅色箭頭所示)。通過編程讀取兩種格式基數據，得到圖3a和圖3b紅色方框范圍內最大回波強度、最大回波強度所在方位和距離如表4所示，現行業務格式基數據紅色方框內最大回波強度值比標準格式基數據大23 dBz，所在方位和距離完全相同。圖3c和圖3d正速度區藍色方框內和負速度區紅色方框內速度極值、其所在方位和距離如表5所示，現行業務格式基數據與標準格式基數據最大正速度值相同，其所在方位相差1.02°，距離相差0.3 km；最大負速度值相差2 m/s，其所在方位相差0.2°，距離相同。

圖3 昆明2018年6月8日20時49分0.5°基本反射率(現行業務格式a、標準格式b)、徑向速度(現行業務格式c、標準格式d)Fig.3 The Basic Reflectivity (current business format a, standard format b) and Radial Velocity (current business format c, standard format d) of 0.5 degree at 20∶49 on June 8, 2018 in Kunming

表4 昆明2018年6月8日20時49分現行業務格式0.5°基本反射率和標準格式0.5°基本反射率選定區域(紅色方框)最大回波強度和最大回波強度所在方位和距離Tab.4 The azimuth and distance of the maximum echo intensity and maximum echo intensity in the selected area (red box) of 0.5 degree basic reflectance for Current Business Format and Standard Format at 20∶49 on June 8, 2018 in Kunming

表5 昆明2018年6月8日20時49分現行業務格式0.5°徑向速度和標準格式0.5°徑向速度正速度區選定區域(藍色方框)和負速度區選定區域(紅色方框)速度極值和其所在方位和距離Tab.5 The velocity extremum and azimuth and distance of positive (red box) and negative (blue box) velocity regionsof 0.5 degree radial velocity for Current Business Format and Standard Format at 20∶49 on June 8, 2018 in Kunming

2.2.2 天氣過程2 2018年8月21日17—21時受輻合區影響，昆明市區出現了局地暴雨天氣，并伴隨短時強降水、明顯雷暴活動、局地大風(19.3 m/s)等強對流天氣，雷達回波如圖4所示。

圖4 昆明2018年8月21日19時02分0.5°基本反射率(現行業務格式a、標準格式b)、徑向速度(現行業務格式c、標準格式d)Fig.4 The Basic Reflectivity (current business format a, standard format b) and Radial Velocity (current business format c, standard format d) of 0.5 degree at 19∶02 on August 21, 2018 in Kunming

表6 昆明2018年8月21日19時02分現行業務格式0.5°基本反射率和標準格式0.5°基本反射率選定區域(紅色方框)最大回波強度和最大回波強度所在方位和距離Tab.6 The azimuth and distance of the maximum echo intensity and maximum echo intensity in the selected area (red box) of 0.5 degree basic reflectance for Current Business Format and Standard Format at 19∶02 on August 21, 2018 in Kunming

表7 昆明2018年8月21日19時02分現行業務格式0.5°徑向速度和標準格式0.5°徑向速度正速度區選定區域(藍色方框)和負速度區選定區域(紅色方框)速度極值和其所在方位和距離Tab.7 The velocity extremum and azimuth and distance of positive (red box) and negative (blue box) velocity regionsof 0.5 degree radial velocity for Current Business Format and Standard Format at 19∶02 on August 21, 2018 in Kunming

分別對比圖4中a和b、c和d得知，昆明標準格式基數據的回波強度有明顯減弱，伴隨回波顯示面積縮小，徑向放射狀弱回波減弱(紅色橢圓框標注)；現行業務格式基數據回波圖有“掃尾”現象(a、c中紅色箭頭所示)。通過編程讀取兩種格式基數據，得到圖4a和圖4b紅色方框范圍內最大回波強度、最大回波強度所在方位和距離如表6所示，現行業務格式基數據紅色方框內最大回波強度值比標準格式基數據大29 dBz，所在方位相差1.09°，所在距離相差0.6 km。圖4c和圖4d正速度區藍色方框內和負速度區紅色方框內速度極值、其所在方位和距離如表7所示，現行業務格式基數據與標準格式基數據最大正速度值相差1 m/s，其所在方位相差0.75°，距離相差3.3 km；最大負速度值相差1 m/s，其所在方位相差0.61°，距離相同。

3 基數據讀取及制圖的正確性驗證

開展數據流傳輸試驗以來，中國氣象局未下發標準格式基數據應用的權威軟件，無法從正面證明基數據讀取和制圖完全正確。但通過編程開發了相同型號(CC)新舊批次(昆明為云南省最新批次，昭通為云南省最老批次)雷達的兩種格式基數據在同一軟件中的讀取和制圖，昭通標準格式基數據回波強度沒有出現明顯減弱的現象，從側面證明昆明標準格式基數據回波強度明顯減弱的正確性。

4 分析

昭通標準格式基數據與現行業務格式基數據在回波強度、徑向速度及其所在方位和距離均相差較小。昆明標準格式基數據與現行業務格式基數據徑向速度極值相差較小；部分方位超過1°的原因是標準格式基數據角度分辨率為1°，分屬兩個徑向即有可能超過1°；部分距離超過1 km的原因是徑向速度值在較大范圍內都是同一個數值，距離在同數值區域范圍內都是正常的。昆明現行業務格式基數據存在“掃尾”現象是操控計算機Windows系統影響，與基數據格式無關。

昆明和昭通都出現了標準格式基數據徑向數據缺失和徑向放射狀回波減弱的現象。徑向數據缺失的原因有：①雷達伺服系統運行時有跳動現象，現行業務格式基數據存儲時可以補足徑向數據，數據流傳輸時無法補足徑向數據，造成標準格式基數據徑向數據缺失。②徑向數據流傳輸因網絡或軟件原因達不到時效要求，造成標準格式基數據徑向數據缺失。徑向放射狀回波減弱的原因是標準格式基數據角度分辨率比現行業務格式基數據低0.3°。

昆明標準格式基數據比現行業務格式基數據回波強度嚴重減弱，回波強度極值減弱23～29 dBz，伴隨回波顯示面積縮小現象, 昭通未出現回波減弱現象。回波減弱的原因可以排除饋線、天線、接收機、信號處理和人為操作等[15-16]，可能的原因是昆明和昭通因雷達批次不同，雷達伺服系統有區別，導致數據流傳輸軟件也不完全一樣，數據流傳輸軟件bug的可能性最大。

5 總結

氣象雷達基數據標準格式的發布第一次在全國范圍內實現了不同廠家、不同型號的天氣雷達基數據格式的統一，為全國氣象雷達數據提供了標準，有利于更加便捷、高效的開展全國氣象雷達數據的業務應用。昆明天氣雷達站從2017年6月開始執行天氣雷達標準格式數據流傳輸以來，數據流傳輸軟件運行穩定，數據傳輸時效較現行業務明顯提高。對比昆明和昭通兩個試點雷達站的標準格式基數據和現行業務格式基數據發現：

①兩種格式基數據命名方式和數據存儲結構不同。

②角度分辨率不同：現行業務格式基數據每個仰角層的徑向數為固定值512個，角度分辨率為0.7°；標準格式基數據每個仰角層的徑向數不固定，為≤361的正整數，角度分辨率約為1°，比現行業務格式基數據的角度分辨率低0.3°。

③標準格式基數據存在徑向數據缺失和徑向放射狀回波減弱現象。

④部分批次雷達(如昆明)的標準格式基數據出現回波強度嚴重減弱，伴隨回波顯示面積縮小現象。昆明標準格式基數據回波強度極值減弱23～29 dBz，昭通無此現象。