基于新一代天氣雷達產品預警系統設計研究與應用

張東明 盧興來 王志誠 王 晗

(浙江省大氣探測技術保障中心,浙江 杭州 310000)

0 引 言

新一代天氣雷達是中小尺度災害性天氣最有效的監測工具。近年來，雷達觀測數據共享、組網拼圖、資料同化等業務研究和應用取得了顯著的進展[1],新一代天氣雷達業務軟件已在業務中被廣泛使用。雷達觀測數據質量對上述業務研究和應用有重要影響。只有觀測數據穩定精準，才可以為預報方法的改進提供科學的依據。

新一代天氣雷達網在歷次災害性天氣過程的預報服務中發揮了重要作用。隨著雷達網不斷擴大和精細化預報服務需求的增加,對雷達運行維護及回波數據質量提出了更高的要求。現行工作制度與業務流程存在一定的盲區,限制或影響了雷達性能的發揮,主要體現在以下兩個方面。

(1)對雷達資源管理平臺(PUP)數據沒有進行綜合分析初篩。以金華雷達站2020年3月10日雷達故障為例,雷達故障造成錯誤數據上傳,最后以這個錯誤數據為基礎產生的服務產品，產生了嚴重的不良影響。分析這次事故的原因,主要為在使用雷達觀測數據之前，沒有進行嚴格的質量控制,觀測數據在雷達運行保障、信息傳輸、產品應用各環節，都沒有進行回波準確性數據分析或預警。

(2)雷達強回波無有效自動預警手段提醒相關技術人員及時關注。從建設第一部新一代天氣雷達開始,針對雷達的運行保障、回波分析、預報服務等，相繼出臺了一些工作制度和業務流程,明確了工作分工和崗位職責。但是,隨著新一代天氣雷達站數量的急劇增加,建立在人工基礎上的各項工作制度和業務流程，無法滿足新一代天氣雷達運維、使用的需求,通過人工方式無法快速發現、解決或排除雷達運行中出現的軟、硬件故障和錯誤回波數據輸出問題,亟待通過技術手段,提高相關技術人員發現上述問題的時效。

1 雷達故障對探測技術的影響

新一代天氣雷達由雷達數據采集系統(RDA)產生反射率、速度、譜寬3種基數據,通過網絡傳輸到雷達產品生成子系統(RPG),RPG根據用戶設定生產相應雷達產品,PUP讀取RPG產品文件,供用戶分析。隨著新一代天氣雷達組網觀測技術的發展,雷達故障產生的異常數據和回波對雷達觀測產品精準度的影響越來越大。

當雷達出現故障時,對雷達數據主要產生以下影響:(1)數據完整性出現異常或無數據。主要是雷達硬件系統出現故障,對探測數據的完整性會產生影響。根據統計分析可知，伺服系統故障會導致80%的數據不完整,發射機故障會導致90%的數據不完整,接收機系統故障會導致30%的數據不完整[2]。(2)數據位置信息錯誤。伺服系統故障常常影響探測數據的方位和仰角信息。當雷達探測數據的位置信息錯誤時,會導致相鄰體掃回波的位置、范圍突變，出現絲狀回波、V形缺口等圖形。(3)數據強度出現異常。分析表明，發射機或接收機故障是影響雷達數據強度信息異常的主要原因,如連續異常高的回波強度、無回波、回波強度無變化或呈規律性變化等,回波表現為相鄰體掃強度、范圍差別很大,出現環狀、餅狀回波等[3]。統計分析多年雷達運行情況發現，異常情況主要有3種:(1)空圖。雷達看起來在正常運轉,但是雷達所有產品數據均為零。(2)圓餅圖。由于接收系統或信號處理故障,雷達會產生極值數據形成圓餅圖。(3)部分極值圖。可能在部分區域內充滿極值[4]。

2 異常數據初篩識別方法

2.1 數據完整性信息識別

新一代天氣雷達的數據完整性取決于仰角層數和掃描線數的完整,不同工作模式的仰角層數又存在差異。以浙江省雷達的工作模式為例,完整的掃描包括9個仰角11層數據,其中，在0.5和1.5的位置掃描2次,兩條掃描線之間的方位角改變量一般小于水平波束寬度(1°),每個仰角層的掃描線大于360條才能閉合,每條掃描線的字節數為2432,文件大小應為9.6 MB左右[5-6]。當仰角層數為NA、每層掃描線數為NB時，數據完整性異常值為:

NA≠11或NB<360

(1)

2.2 數據位置信息識別

當天氣雷達伺服系統發生故障時,會導致掃描線方位角錯位或缺失,仰角值會突然增高或降低[7]。當相鄰兩條掃描線徑向數據出現序號不連續、方位角之差的絕對值大于2°時,說明此時有掃描線的缺失或錯位現象,只要出現一次，即可判斷為出錯。相鄰掃描線的徑向數據序號步長為ΔT,方位角之差的絕對值為ΔA。出錯判斷依據為:

ΔT≠1,ΔA>2°

(2)

2.3 數據強度信息識別

雷達故障導致數據錯誤會引起回波形態、范圍和強度的變化,可能會出現餅狀、環狀等回波圖[8]。氣象回波在演變過程中,其移動速度、高度、強度等均有一定的合理限度,在時間和空間上的發展具有一定的延續性[9]。通過比較相鄰體掃的回波特征參數，可以識別數據錯誤。需要對相鄰的正常數據進行圖像特征相關性分析，才能識別出錯誤數據[10]。

2.4 產品數據異常信息識別

基于數字圖像處理技術的雷達回波初篩分析及預警系統,對新一代天氣雷達典型產品進行數字圖像處理,提取相關圖像特征,形成各類判斷指標,判定回波數據質量情況,推出報警或提醒等信息,部分實現雷達回波智能分析功能[11]。研究上述極值出現的情況,分析圖像信息,設定閾值,推出報警信息,觸發人工干預,避免這類異常數據連續多次傳輸,理論上可以實現最多一次錯誤數據傳輸。

(1)首先將雷達回波圖每條徑向上的數據解析出來,對一條徑向上出現非零同值的現象進行特征值提取分析,并作出錯誤報警。

(2)針對雷達回波圖相鄰點位、區塊點位進行閾值對比判斷,將出現嚴重跳變的現象進行錯誤預警。

3 雷達產品預警系統技術實現

3.1 系統總體設計思想

基于雷達產品分析雷達故障報警系統采用C/S架構,可單機運行,基于面向對象模塊化設計技術,使用圖形、表格、聲音、微信推送等方式實現系統展示、分析以及報警的功能,以滿足雷達站的業務需求[12]。系統采用實時資料讀取,解析新一代天氣雷達PUP產品數據模塊名稱及塊標記和包代碼列表。基于模塊化設計思想,系統由PUP產品文件頭讀取模塊、數據記錄讀取模塊、圖形展示模塊、數據分析研判模塊等組成,全部自編程完成PUP產品讀取解析。新一代天氣雷達產品預警系統設計流程圖如圖1所示。

圖1 新一代天氣雷達產品預警系統設計流程圖

3.2 系統數據解析

產品文件分為多個區塊,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。產品數據可分為公共數據塊、產品頭塊和產品數據塊3個部分[13]。

系統通過讀取PUP產品文件位置，實現自動數據解析,分解為公共數據塊、產品頭塊、產品數據塊3個模塊。用戶可通過解析模塊查看當前雷達的參數值,實現雷達全參數追蹤[14]。

為提高內存利用效率,系統通過指針變量或動態數組來存儲和交換讀取到的各數據記錄,利用文件名中的產品標識或文件頭中的產品號，識別產品類型,確定柵格數據、徑向數據顯示方式[15]。

3.3 系統功能實現

基于新一代天氣雷達產品，預警系統分為設置欄、產品展示欄、PUP產品特征值分析欄、預警信息欄等。

(1)設置欄。該模塊可以進行用戶初始設置,實時查看文件變化,分析寫入文件大小，并與常規數據文件比較;監控雷達的基本工作信息,例如天線高度以及工作頻率等基礎信息。圖2為雷達產品基礎數據模塊。

圖2 雷達產品基礎數據模塊

(2)產品展示欄。此模塊可以對雷達產品數據進行繪制,實現回波圖實時動態顯示。圖3為雷達產品數據回波反射率顯示圖。

圖3 雷達產品數據回波反射率顯示圖

(3)PUP產品特征值分析欄。此模塊可以對雷達回波強度進行統計分析,并對回波強度進行平均值、方差等計算。圖4為PUP產品特征值分析功能實現圖。

圖4 PUP產品特征值分析功能實現圖

計算新一代天氣雷達產品整幅圖的平均值、方差如下。

(a)平均值:

(b)方差:

S2=

(4)預警信息欄。系統通過后臺算法實現報警及預警信息的展示,同步寫入日志,準確記錄報警、預警及人工干預信息。

4 結 語

目前，該系統已經在寧波、舟山雷達站試運行。系統通過對新一代天氣雷達產品數據的完整性、位置信息和回波特征進行分析,研究提出相應的質量控制方法,并通過軟件實現對新一代天氣雷達產品數據的特征值提取,實現PUP產品完整性預警、數據位置識別預警、強天氣預測預警、PUP產品回波分析預警等功能。相關結論如下。

(1)質量控制算法主要完成對掃描數據方位角和仰角信息數據完整性等進行比較。通過比較相鄰體掃和臨近的連續正常體掃數據回波特征參數,可以較好地實現系統對強回波以及錯誤數據的診斷。

(2)實現多種預警方式推送。根據劃分的預警等級，以長音報警、短語音播報、微信推送等多種方式實現推送。系統及其產品已經在浙江省相關業務單位投入運行。

該系統尚存在一些不足,有待后期改進。

(1)系統功能尚存在不足。今后將根據全國天氣雷達故障數據進行反推,通過訓練實現雷達故障反推,對維護維修人員進行指導。

(2)今后將考慮采用回波投影精細化模塊,通過分析處理圖像數據，獲取雷達回波矢量的大小與移動方向。