強對流監測跟蹤預警系統研發

陶威 向華 周之栩

（浙江省湖州市氣象局，浙江湖州 313000）

1 概述

湖州市地形特殊，西部以丘陵、山地為主，東部為水鄉平原，北臨太湖，河網縱橫交錯，季風顯著，四季分明；雨熱同季，降水充沛，降水對人們生活生產具有重要影響。同時夏季強回波經常短時間生消，且對本市影響很大。目前國內很多學者對強對流天氣過程進行分析，得到了很多成果。如樊利強等[1]對北京一次強對流天氣分析得出近地面輻合線是颮線生成的主要觸發機制,而低層東風系統對輻合線的發展起著重要的作用；張妤晴等[2]對廈門2020 年7 月29 日局地短時強降水的成因和預報誤差進行分析得出相控陣雷達和風廓線雷達對局地短時強降水均有很好的指示作用；鄭媛媛等[3]對一次強對流進行天氣雷達觀測分析得出該超級單體南邊出現兩條明顯的出流邊界，一條位于鉤狀回波的西南，另一條位于東南，這是超級單體風暴的典型特征之一。從這些研究中均能發現對短時強對流的研究均離不開多普勒天氣雷達，新一代天氣雷達系統是監測和預警強對流天氣的主要工具之一[4-5]。因為強回波的短時性和實時性，給預報服務工作帶來巨大挑戰[6-8]。因為天氣雷達系統和自動站系統不統一，且缺少提醒功能，所以很多專家學者對強對流天氣提醒進行了一系列研究。如早期吳國銳等[9]將香港天氣雷達回波圖和廣東省自動站實況數據進行分析對比，將預警信息通過電話對預報員進行天氣提醒；而鄭媛媛等[10]則將多普勒天氣雷達進行組網，擴大預警范圍，增加預警時間；李勇等[11]則建立了一套強對流自動化提醒系統，實現了對氣象數據的自動采集、加工和發布；岳平等[12]將靜止衛星紅外云圖加入到汛期強對流天氣系統中，為強對流天氣研究提供衛星參數；杜小松等[13]則利用VB 語言編程，采用人機交互的方法，自動讀取雷達和自動站資料，實現對惠州市未來3 小時的強對流天氣預警；鄭永光等[14]利用多源資料建立了包括雷達回波追蹤、對流系統識別追蹤分析、閃電密度監測技術等強對流天氣綜合監測業務系統。由于現在應用中，湖州地區預報員對龍卷、中氣旋等中小尺度天氣過程的監測分析，仍以單站雷達產品為主。常用分析工具有兩個：一是主用戶處理器（Principal User Processor，PUP），二是浙江雷達組網監測應用。但是這兩個分析工具都缺少強對流天氣提醒功能，當強對流天氣突發時預報員容易遺漏，且預報員在編輯天氣提醒短信時需要查看自動站實況，分析該強對流天氣的演變，這容易導致預警短信的更新不及時。因此，有必要進行湖州本市范圍以外50KM 以及本市范圍內強回波的監測、識別、跟蹤與檢驗，預警短信的自動生成系統的建設和業務應用，為預報服務保駕護航。本研究根據前人研究思路，借鑒王剛等、黃成南等在WebGIS 方面的研究成果，結合使用JAVA、WebGIS 和HTML5 技術開發了新一代天氣雷達產品綜合顯示系統，該系統開發用戶界面結合以上兩種分析工具的優點，同時實現天氣實況與雷達回波對比分析顯示功能，實現雷達回波的質量控制，強化局地小范圍災害性天氣監測，最大限度發揮新一代天氣雷達的應用效益，通過該系統可以實現對轄區內的強對流天氣實時跟蹤監視以及提前預警，減輕值班人員的工作量，提高業務科技水平，提高災害性天氣應對的反應時間，更好的為地方經濟建設和防災減災服務。

2 資料與方法

2.1 資料

資料：湖州本市雷達資料，湖州本市及外延50KM 范圍以內自動站資料。

2.2 方法

方法：通過光流法對本市及外延50KM 范圍以內回波進行監測、識別、跟蹤，同時將識別到的回波通過中尺度自動站實時風雨數據對回波進行檢驗，防止回波的漏報和空報。

光流法: 它是空間運動物體在觀察成像平面上的像素運動的瞬時速度，是利用圖像序列中像素在時間域上的變化以及相鄰幀之間的相關性來找到上一幀跟當前幀之間存在的對應關系，從而計算出相鄰幀之間物體的運動信息的一種方法。一般而言，光流是由于場景中前景目標本身的移動、相機的運動，或者兩者的共同運動所產生的。其計算方法可以分為三類：（1）基于區域或者基于特征的匹配方法。（2）基于頻域的方法。（3）基于梯度的方法。簡單來說，光流是空間運動物體在觀測成像平面上的像素運動的“瞬時速度”。光流的研究是利用圖像序列中的像素強度數據的時域變化和相關性來確定各自像素位置的“運動”。研究光流場的目的就是為了從圖片序列中近似得到不能直接得到的運動場。

3 系統總設計

3.1 系統設計

根據功能需求，將系統設計為資料下載、資料顯示、監測預警、雷達外推、產品制作五個模塊，其中核心模塊為監測預警、雷達外推和產品制作。資料顯示是綜合顯示自動氣象站數據（基于SQL 數據庫實時獲取1 小時數據和5 分鐘加密數據）、新一代多普勒天氣雷達基數據（SA）和各種預警信息的展示。監測預警的功能主要是監測自動氣象站和新一代多普勒雷達回波值，達到設定的預警閾值后以聲音、圖標等方式提醒值班人員。雷達外推主要是利用光流法外推獲取雷達范圍內1 小時的降水和風場預報數據，并生成預報動態圖。

根據以上模塊功能設計了湖州市強對流監測預警流程圖，首先對ftp 服務器進行動態監測，當服務器有新的雷達基數據時，自動將雷達基數據拷貝到本地路徑，并進行解壓和解碼，在軟件上進行顯示，同時獲取自動站的五分鐘加密數據和1 小時數據（根據時間選擇獲取不同的自動站數據）并進行顯示；基于閾值對自動站數據和雷達基數據進行判定，是否進行預警；基于前兩個時次的雷達數據和自動站數據進行光流法外推，判定未來趨勢；基于前面閾值進行聲音和圖標預警（根據災害要素閾值級別對應不同的預警信號圖標并進行展示），同時生成初始的預警文件，預警文件包含發布單位、發布時間、發布預警類型、回波強度、回波方位、未來移動方向以及可能產生的強對流天氣等信息；值班人員根據預警文件開展預警和服務。

圖1 湖州市強對流監測預警流程圖

3.2 基數據下載與處理

3.2.1 ftp 下載是實現自動下載網絡中ftp 服務器中的文件功能，它需要ftp 路徑、ftp 文件名、用戶名、密碼、下載到本地的路徑和文件名，需要引用的類主要是System.Net 和System.IO。

3.2.2 在引用中添加System.Net 和System.IO 等類。

3.3 數據顯示

Bitmap 類和Graphics 類是C# 圖像處理中最重要的3 個類，Bitmap 對象封裝了GDI+中的一個位圖, 此位圖由圖形圖像及其屬性的像素數據組成。Graphics 對象是GDH+的關鍵所在，許多對象都是由Graphics 類表示的, 該類定義了繪制和填充圖形對象的方法和屬性，一個應用程序只要需要進行繪制或著色,它就必須使用Graphics 對象。

3.3.1 雷達顯示

3.3.2 自動站數據顯示

g.DrawString （Std [i].Name, ft, bsT, x, y + 3）;//自動站名顯示，ft 為字體格式，bsT 為畫筆顏色，x，y 為對于的坐標值，需要經過轉化

g.DrawString（Rt.ToString（"f1"）, ft, bsR, x - 32, y）;//顯示雨量值，當大于0 時顯示

g.DrawString （Th.ToString （"f1"）, ft, bsT, x - 32, y - 15）;//顯示溫度值

DrawWind（g, FD, FS, x, y）;//顯示風向和風速，FD 為風向，FS 為風速

3.3.3 預警信息顯示

通過解析雷達和自動站數據，將雷達和自動站數據疊加在一張底圖上，當自動站值和雷達回波達到設定的閾值時，在右側的信息欄顯示預警信息，在站點附近顯示預警圖標，并以聲音方式提醒值班人員。

3.4 預警閾值及回波定位

3.4.1 預警閾值

根據強對流天氣中的標準，1 小時降水量≥20mm，風速≥17m/s，最高氣溫≥35℃，雷達回波≥35dbz 等閾值條件進行預警（可根據情況進行調整）。同時根據災害的不同級別設置不同等級的預警，如暴雨預警信號降水量區間為[20,30）,[30,40）,[40,50）,[50,+∞）對于的是藍、黃、橙、紅色預警信號，雷電預警信號降水量區間（根據預報經驗）為[10,30）,[30,50）,[50,+∞）對于的是黃、橙、紅色預警信號，高溫預警信號最高氣溫區間為[35,38）,[38,42）,[42,+∞）對應的是黃、橙、紅色預警信號，大風預警信號最大風速區間為[12,17）,[17,24）,[24,30）,[30,+∞）對于的是黃、橙、紅色預警信號。

3.4.2 回波定位

將雷達回波極坐標轉化為直角坐標（誤差范圍在允許范圍內），然后根據shp 文件的經緯度信息定位回波范圍。

4 核心功能實現

傳統雷達產品程序只是一個查看工具，沒有提醒與制作短信功能，而強對流天氣恰恰有突發性與短時性特點，而預報員并不能時時查看雷達產品，強對流天氣容易漏報且實時性不夠。該天氣雷達產品綜合顯示系統（圖2）產品窗口分為2 個子區域: 圖像區、標注區。圖像區用于圖形產品、字符產品以及背景地圖等的顯示; 標注區用于顯示產品的一些標識信息，包括自動站號、天氣實況、出現強降水和大風的站點等。同時在后臺生成預警短信并有聲音提示，預警信息包含的內容為：回波生成地點、移動方向與移動速度、強弱變化以及預計對本市的風雨影響。

圖2 天氣雷達產品綜合顯示系統客戶端功能界面

5 結論與探討

5.1 該系統基于湖州市氣象部門天氣雷達資料的數據源現狀，提出基于光流法雷達產品處理技術方案，自動對強對流天氣報警并生成預警短信，該系統結構具有高性能、低耦合、高可靠等特性，雷達產品處理響應時間快速，為短時臨近預報預警業務贏得寶貴的時間。

5.2 該系統通過應用GIS 技術將自動氣象站數據、多普勒天氣雷達產品整合在一張底圖上，可將天氣實況與雷達回波對比分析，實現對預警短信的質量控制，進一步挖掘天氣雷達的應用潛力，充分發揮雷達的建設效益。

但該系統對回波的生消和強度變化判斷并不精準，尤其是夏天局地生成的回波，容易遺漏，這需要我們進一步研究。