靜止軌道微波衛星熱帶氣旋高分辨率觀測仿真

杜 偉，劉 浩

（1.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院大學 計算機與控制學院，北京 100049）

與低地球軌道探測相比，靜止軌道[1-4]全天候、大視場以及凝視觀測[5]等的特點有助于連續監測熱帶氣旋、強降雨等短時間內快速變化的災害性天氣系統的連續變化過程[6-8]。2006 年，靜止軌道毫米波大氣探測儀（Geostationary Interferometric Microwave Sounder，GIMS）作為中國下一代靜止軌道氣象衛星的概念被提出，迄今已先后完成了兩代樣機研制[9-10]。其中，第二代載荷樣機（GIMS-II）可實現50 km 分辨率、5 min 觀測周期的全圓盤觀測能力[11]。

目標亮溫建模系統可以為靜止軌道微波輻射計生成輸入亮溫數據集，來指導靜止軌道微波輻射計的指標設計。文中介紹了在Linux 平臺下搭建目標亮溫建模系統，以及解決亮溫文件從產生到顯示的文件同步方法。亮溫文件可以自動實現在不同操作系統之間的傳輸，不僅可以解決亮溫顯示問題，而且可以作為模擬亮溫數據實時輸入未來靜止軌道微波輻射計，以驗證其參數設置。

1 目標亮溫建模系統概述

臺風災害是我國最嚴重的極端災害性天氣之一[12-14]，每年7 月份在我國東南部頻發，造成了不可估量的經濟損失和人員損失，并且臺風來臨時伴隨著大風、強降雨等災害，臺風變化迅速，且臺風來臨時伴有多個臺風，因此有效地觀測臺風、暴雨等天氣系統的內部結構變得刻不容緩。目前用于觀測臺風內部系統的在軌靜止軌道氣象衛星探測器多數依賴于光學、紅外線手段，微波波段在軌氣象衛星多為極軌衛星。盡管靜止軌道微波衛星在觀測臺風天氣系統中有著不可比擬的優勢，然而，高空間分辨率與高時間分辨率制約了靜止軌道微波衛星的發展。目前，靜止軌道微波衛星處在設計仿真階段，但實際上目前并沒有實際的靜止軌道在軌衛星數據用于輸入輻射計系統，來驗證輻射計的設計參數是否合理，所以需要目標亮溫建模系統來模擬靜止軌道衛星的探測亮溫數據，并作為輻射計系統的輸入來驗證輻射計的設計指標。另一方面，利用目標亮溫建模系統生成的亮溫文件實時顯示臺風的運動軌跡，也有助于研究人員對臺風的分析。

采用逐6 小時，以1°×1°為單元網格的全球再分析資料作為輸入，通過數值天氣預報模式WRF[15]得到指定時刻、指定空間分辨率格點上的氣象預報，利用氣象數據分析軟件（Grid Analysis and Display system，GrADs）提取預報輸出大氣環境參數作為RTTOV[16]的輸入，同時配置GIMS 參數信息，實現靜止軌道上多個頻率通道的亮溫圖像模擬。

2 技術支撐

2.1 服務器集群

集群技術可以利用多個計算機進行并行計算，從而獲得較高的運算速度，且成本低、可靠性高、靈活性好、性能高。而且集群中的多個計算機之間可以進行簡單通信，如文件同步。由于RTTOV 中需要同時獲得多個頻率通道的亮溫數據集，并且多個頻率通道相互之間沒有關系，可以用來將多個頻率通道分到不同的服務器節點上進行獨立的運算。

2.2 文件訪問

為實現目標亮溫建模系統各個模塊之間的對接，需要解決文件訪問沖突的問題，即當前一個模塊輸出文件時需要鎖定該文件，接收該模塊輸出文件的進程不得修改和訪問未寫入完成的文件，否則會得到錯誤的文件輸出，如圖1 所示。以WRF模塊與ARWpost 模塊為例，其他模塊之間同理所得。解決該矛盾的方法采用Linux 的命令lsof，在Linux 系統中，一切皆文件，lsof 命令是一個列出當前系統打開文件的工具，在終端下輸入lsof 即可顯示該系統打開的文件，若當前文件不在列表中，即可得到該文件已寫入完成，ARWpost模塊可以對其進行訪問，否則ARWpost 將一直等待直到該文件寫入完成，代碼如下：

圖1 文件訪問過程

代碼中的-f 用來判斷file1 是否存在，lsof 用來列出當前是否有進程打開file1，wc 用來計算當前打開file1 的進程，若等于0，則說明file1 已經寫完，可以允許下一級程序對其操作，ARWpost 程序可以對其進行讀操作，讀完之后刪除file1。While 用來循環判斷當前處理的文件是否已經完成。

2.3 文件同步工具

實驗中利用WinSCP 工具進行兩個平臺的文件同步，如圖2 所示。亮溫文件產生模塊作為服務器端，亮溫顯示模塊作為客戶端，通過WinSCP 工具來同步兩個模塊之間的亮溫文件。

圖2 文件同步過程

3 文件同步實驗

采用流水作業方法的目標亮溫建模系統在Linux 平臺上已經搭建完成，優化的目標亮溫建模系統可以滿足實際應用中對時效性的要求，而亮溫顯示模塊是用Matlab 語言編寫成的界面，工作在Windows 平臺上，如何實現兩個平臺上的文件自動同步，成為制約該實驗的關鍵。為解決該問題，文中提出利用WinSCP 軟件來實現兩個平臺上的文件傳輸，WinSCP 操作界面示意圖如圖3 所示。

圖3 WinSCP操作界面示意圖

文件傳輸協議有SFTP 協議、SCP 協議、FTP 協議和WwbDAV 協議，實驗選擇了SCP 協議，主機名為實驗連接的主機名，端口號選擇22，當利用界面手動傳輸文件時需要手動填寫圖3 的內容，即可在客戶機上連接目標服務器，連接成功時，示意圖如圖4 所示，即可實現手動在Linux 系統和Windows 系統之間自由拖拽文件。

圖4 WinSCP連接成功示意圖

該實驗的目的是為了實現兩個平臺之間文件的自動傳輸，編寫腳本文件run.txt，run.txt 腳本主要是實現打開WinSCP 工具，利用命令將服務器文件傳輸至 客戶端，在DOS 命令下輸入WinSCP.exe ∕console ∕run.txt，既可以成功從服務器端∕home∕hpc∕wrf-rttov∕rttov∕output∕amsua∕目錄下復制亮溫文件gims.txt 到本地目錄。

4 亮溫顯示系統

目標亮溫建模顯示系統是用Matlab 寫的GUI界面，系統界面主要分成3 部分，第一部分為配置參數模塊，第二部分為亮溫顯示區域，第三部分為運行區。在界面上輸入時間、輸出文件間隔、頻率通道則可以自動地指示Linux 平臺上的目標亮溫建模系統[17]，修改相應的配置文件并執行目標亮溫系統輸出亮溫文件，顯示模塊將自動判斷亮溫文件是否生成，若生成，則處理并顯示，系統工作流程如圖5 所示。

圖5 系統工作流程

圖6 的GUI 界面亮溫顯示模塊上輸入模擬積分時間起止點，修改相應的配置文件，通過WinSCP 工具將配置文件傳入Linux 平臺，調用editNamelist 腳本程序修改WPS、WRF、ARWpost 的相應參數文件，修改完成后，調用run 腳本來執行優化后的調用方法。其中editNamelist 為編輯修改數據腳本，主要利用sed 命令，run 腳本是用來將所有的執行腳本匯總起來一次性調用所有執行文件。

圖6 亮溫顯示模塊

5 結論

文中介紹了目標亮溫建模系統的意義及工具WinSCP 的使用，解決了目標亮溫建模系統產生的亮溫數據文件自動傳輸到亮溫顯示模塊的問題[18]，實現在GUI 上輸出起止時間、通道頻率等參數，則目標亮溫建模系統能自動開始工作，并實時傳輸文件至顯示端進行顯示，主要可應用于天氣預報業務展示中。