運用天氣雷達三維探測 提高人工防雹作業效率

劉巖等

摘要：天氣雷達能夠對降水系統進行三維探測，使用三維矢量描述雷達回波的立體信息，可以直觀地顯示降水系統的發展狀況，有助于對天氣變化過程進行深入分析。本文對天氣雷達數據及人影防雹作業點防護范圍三維可視化相關技術進行了研究，結果表明：相對于二維平面的分析顯示，三維可視化技術可以提高人影工作者對天氣雷達回波數據與人影高炮立體防護范圍的直觀理解，更有效地分析出整個回波的輪廓、云內部回波分布情況及其與防雹作業點的相對位置，對于把握強天氣過程的演變狀況與指導防雹作業很有意義。

關鍵詞：天氣雷達；三維產品；人工防雹

中圖分類號： P482 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.19.071

天氣雷達是用來探測大氣中的雨、雪、冰雹等降水系統及其分布、發展和演變的主要探測工具之一，能夠監測降水系統的強度及其分布，并通過這些信息來分析風暴的空間結構、能否在未來發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上空可能產生冰雹的云層施加影響，使云中的冰雹胚胎不能發展成冰雹，或者使小冰粒在變成大冰雹之前就降落到地面。科學計算三維可視化技術，是指運用計算機圖形學、計算機圖像處理等技術，將計算過程與計算結果產生的數據轉換為三維圖像，在屏幕上顯示出來，以進行交互處理的理論、方法和技術，這種技術可以在很大程度上發掘雷達回波數據中的有效信息，為雷達分析工作提供了一種新的方式。相對于二維平面的產品顯示，三維可視化技術可以將雷達數據對應的三維影像與人影防雹作業點的立體防護范圍直接重建在計算機屏幕上顯示出來，使人影工作者對整個天氣系統更加直觀地進行理解，更有效地分析出雷達回波的輪廓、云體內部結構及其與防雹作業點的相對位置[3]。

本文在現有的雷達數據三維可視化技術的研究成果基礎上，進行了雷達數據三維空間定位算法、垂直剖面算法與等值面算法、人影防雹立體防護范圍等三維可視化技術的研究工作，并以研究成果作為理論基礎，在人影防雹三維業務系統的研制中得到應用，實現了天氣雷達回波體掃數據的任意方向的三維剖面、回波輪廓構建與防雹范圍等更加細致的三維顯示與交互操作。

1人影防雹三維業務系統的研制

隨著計算機軟硬件技術的迅猛發展，計算機圖形學與計算機圖像處理技術在各個行業得到了迅速普及和深入應用。在人影信息三維可視化的實現過程中，為了滿足操作靈活、便捷等特點，本文在雷達數據三維空間定位算法、垂直剖面算法與等值面算法等研究工作基礎上，研制了人影防雹三維業務系統，實現了雷達數據三維產品與高炮立體防護范圍的實時顯示。系統界面如圖1所示。

軟件系統的結構按照需求設計分為建立坐標系、顯示地理信息、解析雷達資料、繪制雷達垂直剖面圖像、計算雷達等值面圖像、繪制高炮立體防護范圍等模塊，如圖2所示。

其中坐標變換模塊提供了由經緯度、高度確定的數據點在地球坐標系中的定位方法；地理信息模塊給出了地理信息文件的解析與顯示方法；雷達資料分析模塊能夠讀取雷達體掃資料基數據文件，并轉換成球坐標系中的數據排列格式；雷達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，經過插值繪制垂直方向的雷達數據；雷達等值面計算模塊通過選取關心的閾值，通過等值面算法計算出雷達回波三維輪廓信息；高炮防護范圍顯示模塊將人影高炮作業射表中的某一方位角彈道軌跡沿著垂直軸旋轉一周，用三維可視化的方法將顯示出立體防護范圍，如圖3所示。

2人影防雹三維業務系統的應用

以2010年7月4日長春雷達觀測到的強風暴天氣系統為例，使用人影防雹三維業務系統對天氣雷達體掃數據進行三維顯示與分析。2010年7月4日6時18分長春雷達西偏北150公里處有一對流天氣系統進入雷達觀測范圍并開始發展，如圖4所示。該時刻雷達回波高度達到10公里，30dBZ回波輪廓構成了密實的回波帶，45dBZ回波體積較小，持續向東南方向移動，圖a為雷達體掃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為雷達回波與高炮防護范圍相對位置。

6時31分天氣系統已發展成比較強的對流系統，如圖5所示。PPI圖像可以觀察到“V”型槽口，回波結構緊密，剖面圖像顯示回波高度已達到12公里，強回波中心超過55dBZ并達到5公里。30dBZ與45dBZ回波輪廓體積較大且清晰，開始展現出穹窿狀結構，并在回波移動方向上觀測到弱的前傾和懸垂，此時回波結構已經進入高炮立體防護范圍，應開始防雹作業。

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

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

8時51分已經觀測不到對流系統，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，30dBZ與45dBZ回波輪廓已經完全觀測不到，對該對流天氣系統的防雹作業結束。

3 結語

本文將三維可視化技術應用在天氣雷達與人影防雹作業中，研發出基于天氣雷達數據的人影防雹三維業務系統，并使用此系統對2010年7月4日長春雷達觀測到的強風暴數據進行三維分析顯示。該系統實現了地理信息、地形貼圖等基本功能的集成，且在充分考慮到人影防雹業務實時需求的基礎上，兼顧了雷達原始數據的分析顯示功能，將三維可視化技術與雷達體掃數據產品相結合，彌補了常規雷達回波分析中其空間范圍有限和二維顯示單一的缺陷，直觀地顯示出雷達回波輪廓結構與人影高炮立體防護范圍的相對位置，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展狀況，為更細致地指導人影防雹作業過程提供了依據和保障。

參考文獻

[1] 張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達氣象學[M].北京：氣象出版社，2001.

[2] 俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業務應用[M].北京：氣象出版社，2006.

[3] 張志強，劉黎平，王紅艷.三維可視化技術在雷達三維組網產品顯示中的運用[J].氣象科技，2010，38（05）：605-608.

作者簡介：劉巖，本科學歷，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。