基于Surfer的天氣雷達基本反射率產品的繪制

雷永恒，江濤，陳晨，劉峰

（湖南省氣象技術裝備中心，長沙410007）

0 引言

新一代天氣雷達在短臨天氣預報中發揮著重要的作用，其基本反射率產品應用范圍最廣。高精度位置信息、格點化的基本反射率數據，一直是天氣雷達產品使用的關注點和研究基礎。Surfer為美國Golden Software公司開發的一款三維繪圖功能的畫圖軟件，具有強大的插值和繪圖功能。馬英蓮、陳歡歡等人對Surfer軟件插值方法進行了比較[1-2]，認為空間連續性變化不規則時，采用克里金插值方法繪圖效果最好。Surfer軟件在氣象行業使用廣泛，如繪制氣象要素等值線圖（如雨量、氣溫等），成為氣象工作者首選工具[3-5]。Surfer軟件具有強大的二次開發功能，基于Surfer繪圖功能開發的系統應用軟件，在不少行業領域，尤其氣象領域得到廣泛的應用[6]。利用Surfer強大的數據插值和高精度格點化地理信息的優勢，繪制天氣雷達基本反射率產品，疊加多種氣象產品圖層，對了解氣象監測實況和改進短臨預報方面，有著良好的應用前景。

1 資料和方法

1. 1 資料來源

天氣雷達基本反射率產品使用的原始基數據來源于衡陽市新一天氣雷達（CINRAD/SA型）2019年5月3日23時26分體掃數據，共11個cut，9個仰角(0.5,1.5,2.4,3.4,4.3,6.0,9.9,14.3,19.5)，反射率數據分辨率為1km。Surfer采用XYZ類型數據格式，常見格式如下：

107.7829 22.79117-10.2341 107.7876 23.56245-15.1339 107.7922 21.18411 21.1484……

三列數據分別表示經度、緯度、屬性值，第一、二列分別用來表示X、Y坐標，Z坐標代表屬性值，可用不同的顏色進行填充。

1. 2 基數據格式與預處理

CINRAD/SA型天氣雷達生成的基數據為二進制格式，按照每個徑向排列，為了滿足方位空間精度要求，每個cut的徑向文件大于360個，少于400個，通常在370個左右。每個徑向由460個距離庫組成，分辨率為1km，故其監視范圍可達460km。業務化的CINRAD/SA天氣雷達，以vcp21模式工作，由于多普勒天氣雷達探測存在兩難的情況，vcp21工作模式時，在0.5和1.5度先采用CS（連續監測）模式獲取最大探測距離反射率數據，在第二圈0.5和1.5采用CS（連續多普勒）模式獲取最大探測速度，因此，在低仰角的時候，0.5和1.5均掃描兩圈。一次讀取一個徑向數據，讀取次數N=，其中Mb為一個基數據所對應的文件大小，正常情況N為整數。一個仰角或者體掃是否結束由該徑向第41-42字節控制，若該字節值為2，代表為該仰角最后一個徑向數據數，若該字節值為4，代表為該體掃最后一個徑向數據。徑向數據讀取與處理時，需要注意反射率強度值計算方式，當徑向反射率強度讀取數據為0（低于信噪比，為無回波）或1（距離模糊）時，對其置空，否則為(讀取值-2)/2.0-32。

1. 3 基本反射率產品水平投影方法

新一代天氣雷達采用立體連續掃描方式，某一個仰角的基本反射率數據，可看成在該仰角上的距離半徑為460公里，方位360度范圍內的立錐體。若在平面上進行投影顯示，可用如下公式進行轉換：

R'=R*cosα

上述R'為天氣雷達站徑向掃描距離庫在水平位置上的投影，R為徑向距離庫，取值為0-460km，α為新一代天氣雷達掃描仰角。

1. 4 任一點經緯度信息求取方法

已知雷達站的經緯度(long1,lat1)，掃描區域內的任何一點的經緯度可由以下公式計算獲得：

long2=long1+d*sin(ψ)/[R*cos(lat1)*2*PI/360];

lat2=lat1+d*sin(ψ)/[R*2*PI/360];

式中R為赤道半徑，PI為圓周率，long1、lat1分別為雷達站址經度和緯度，d為求取點與雷達站之間的直線距離，ψ為方位角。

1. 5 Surfer格點數據插值方法

Surfer繪制等值線時，提供反距離加權插值法、克里金插值法、最小曲率法、改進謝別德法、自然鄰點插值法、最近鄰點插值法、多元回歸法、徑向基函數法、線性插值三角網法、移動平均法、數據度量法、局部多項式法十二種方法，其中克里金插值法在氣象數據應用最廣，本文數據插值格點后的天氣雷達基本反射率數據，就是采用的克里金插值算法。

1. 6 Surfer繪制天氣雷達基本反射率產品圖步驟

（1）資料處理。利用MATLAB小程序，讀取天氣雷達基數據，自動生成三維Excel文件數據(x,y,z),其中x為經度、y為緯度、z為天氣雷達基本反射率值。

（2）將Excel文件生成為.grd文件。打開Surfer在菜單中點擊“grid”|“data”，選擇要網格化的Excel文件并確定。

（3）插值方法與格點大小選擇。格點化數據時，應注意 Column A、Column B、Column C三列與 X、Y、Z對應關系，grid method選擇格點插值的方法，grid line geometry選擇X,Y坐標范圍，一般與匹配的地圖范圍相適應，天氣雷達基數據網格點數一般取默認值的20倍，點擊確定后即可生成gridz.grd格點數據文件。

（4）對格點數據進行白化。白化的目的是保存地圖內的數據，打開“grid”|“blank”，找到剛才生成的grd格點后的數據，然后再選擇已經做好的區域邊界地圖bln文件，輸出白化后的格點數據out.grd文件。

（5）繪制天氣雷達基本反射率產品回波圖和疊加地圖邊界。打開“map”|“new”|“contour map”，如需繪制白化后的格點數據out.grad，新建等值線圖。雙擊剛才生成的等值線圖，可設置等值線屬性，如levels選擇advance可自定義天氣雷達回波圖顏色。打開“map”|“new”|“base map”，選擇bln格式的地圖邊界，勾選bln和等值線圖層，再點擊“map”|“overlay maps”，進行地圖重置，使兩圖地理信息重合。

1. 7 Surfer格點數據的導出

點擊“File”|“Open”|菜單，打開插值后的格點數據，如上述生成的gridz.grd文件，點擊“File”|“Save as”|，另存為保存類型選擇DAT XYZ grid格式，即可導出使用插值算法后的緯度、經度、屬性值三維數據xyz.dat。

2 應用實例與分析

2. 1 真實性檢驗

圖1為分別采用Surfer和PUP（Principal User Processor）繪制的衡陽天氣雷達2019年7月13日02時32分0.5度基本反射率產品，可見兩者圖像形狀、強度、位置信息的一致性吻合的很好。Surfer繪制的基本反射率產品地理信息豐富，畫面更細膩，也可導出數字化后的圖像信息（經度、緯度、反射率強度值），對天氣雷達數據的分析和處理、研究等方面優勢明顯。

圖1利用Surfer和PUP分別繪制的衡陽天氣雷達2019年7月13日02時32分0.5度基本反射率產品

2. 2 Surfer白化后的天氣雷達基本反射率

工作實際中，常常只需要獲得地圖區域內的相關氣象產品，這個時候，就需要對相關氣象產品進行白化處理。天氣雷達反射率基本產品，由于其探測距離半徑可達到460公里，很容易超過湖南區域范圍。天氣雷達基本反射率與其他氣象產品，如雨量、氣溫等進行區域地圖疊加顯示，為保持氣象信息的一致性，一般需要進行白化處理。圖2是進行白化后的衡陽天氣雷達2019年7月13日02時32分0.5度基本反射率產品，對比圖1可見，湖南區域之外的回波進行了白化消除處理，不在地圖內顯示。

圖2 Surfer白化后繪制的衡陽天氣雷達2019年7月13日02時32分0.5度基本反射率產品

3 結語

利用Surfer專業的數據插值和高精度位置功能，繪制的格點化的天氣雷達基本反射率產品圖，不僅圖像細膩，而且能展示更多的有用信息。應用插值算法進行格點化的XYZ三維數據，為天氣雷達探測業務和研究人員，研究不同天氣雷達一致性比較和設備標定，提供良好的基礎。將天氣雷達基本反射率產品與其他氣象監測信息進行融合疊加，豐富了Surfer在氣象行業中的應用范圍。