天氣雷達網資料拼圖方法分析

朱靜群

摘要：天氣雷達在我國災害性天氣監測及預警方面發揮著重要作用，當前全國各地也已完成了新一代天氣雷達觀測網的建設工作。為更好地發揮天氣雷達在天氣監測及預警方面的作用，有必要將多部雷達網資料進行組網拼圖，以解決單部雷達探測范圍的有效性、數據不完整等問題，進而更大范圍地進行災害性天氣的監測和預警。基于此，本文以某省多部天氣雷達網資料為例，提出應用RabbitMQ消息中間技術，對多部天氣雷達網資料進行拼圖處理，歸納總結天氣雷達網資料拼圖的處理要點，以供參考。

關鍵詞：天氣雷達；組網拼圖；拼圖處理

我國天氣雷達系統建設時間始于1988年，目前，全國已建233部多普勒天氣雷達系統。該系統在我國氣象業務中具有重要的作用，以多普勒效應為基礎，當雷達發射波束與降水粒子為相對運動時，通過探測接受信號與發射信號的差異，測得定散射體相對雷達的速度，同時還能推演出大氣風場、氣流垂直速度分布等的情況。因此，多普勒天氣雷達在研究降水形成、分析天氣系統、災害性天氣監測等方面具有重要意義。

天氣雷達網生成的數據資料，需要通過組網拼圖的方式，完整反映各種尺寸天氣系統的移動演變過程，進而實現更大范圍的天氣監測。基于這一訴求，國內氣象學者紛紛開展天氣雷達組網拼圖技術的研究，胡鵬宇等人（2022）以TITAN系統為基礎框架，引入了大數據處理技術，構建了遼寧省及周邊地區10部雷達組網拼圖系統，并實現了雷達數據的分布式處理；陳鮑發等人（2020）構建了基于天氣雷達風暴識別跟蹤信息的拼圖系統，形成了多部雷達的組合STI產品。天氣雷達網資料拼圖的傳統方法是以多核處理器并行的方式進行拼圖處理，這種方式并不能滿足當前氣象業務精細化發展的需求。因此，如何有效提升雷達拼圖的時效性，是當前亟待解決的問題。從現有的研究情況來看，各氣象學者均積極引入了各種先進技術，進行天氣雷達資料的組網拼圖處理。消息中間是一種可分布式數據交換的技術，可在不同計算機之間進行異步數據的傳遞，正因為這一優勢，該技術目前在氣象數據傳遞和處理中被廣泛應用。

當前，氣象業務逐漸朝著精細化的方向發展，也因此提高了天氣雷達拼圖的時效性要求。為滿足氣象業務的精細化發展要求，本研究對天氣雷達拼圖處理系統進行優化設計，主要通過應用RabbitMQ消息中間技術構建、分布、并行的雷達組網拼圖處理系統。

一、雷達資料

天氣雷達工作過程中，主要對9個仰角進行探測，探測模式為VCP21體模式，探測范圍約為460km，探測頻次為6min/次，主要探測反射率因子、徑向速度、速度譜寬這三類數據。探測所得的數據，可通過流傳傳輸方式傳至省氣象信息中心，并以統一的標準格式存儲。

由于探測所得的全部仰角數據，是在傳至信息中心后生成全體基數據文件，其時效性滯后。為了快速獲得雷達拼圖產品，實現全省覆蓋，采取雷達組網拼圖處理方法，是基于單站逐仰角反射率因子數據進行的，由此可形成覆蓋全省的反射率因子雷達拼圖產品。

二、拼圖流程

由于傳統雷達組網拼圖方式的工作效率較低，且拼圖產品滯后時間較長，難以滿足氣象業務精細化的需求。為提高雷達拼圖產品的時效性，在雷達組網拼圖處理系統中引入了RabbitMQ消息中間技術。這一流程大致包括以下幾個步驟：

其一，數據提取。通過數據接口對省氣象信息共享綜合平臺，獲取最新時次單站逐仰角雷達數據，然后對獲取的數據進行解碼，由此提取反射率因子數據。然后將解碼后的數據傳送至MQ消息隊列中。

其二，數據處理。雷達接收端接收到信號后，逐一進行數據的處理，包括數據質控、網格化處理、數據緩存等，從而獲得網格化的單站逐仰角反射率因子雷達數據。

其三，拼接處理。獲取網格化反射率因子數據后，采用多進程并行的方式進行單站逐仰角數據的拼接，從而獲得探測區雷達拼圖產品。

三、關鍵技術

（一）RabbitMQ

RabbitMQ是一種應用程序對應用程序的通信方法，其技術優勢在于可實現數據的可靠傳遞及異步數據交換。RabbitMQ是在AMQP的基礎上進行的，可規范統一眾多消息中間件標準，具有高安全性、高可靠性的特征。隨著計算機技術的快速發展，其逐漸朝著高性能、分布式集群計算等方向發展。而基于AMQP協議標準，RabbitMQ不僅能在不同的操作系統中運行，而且支持多種開發語言客戶端，適用于分布式系統中進行消息存儲和轉發處理。

RabbitMQ主要由服務端和客戶端這兩個部分構成。其中，服務端主要由交換主題和隊列構成，客戶端主要分為消息發布者和信息消費者這兩類客戶。RabbitMQ可提供多種交換主題，用以滿足不同業務應用場景的需要。交換主題主要負責接收消息，之后結合路由鍵值信息將信息發送至消息隊列中。RabbitMQ的傳輸模式，可降低消息發布與消息消費之間的耦合程度。

在天氣雷達拼圖處理中，通過應用MQ消息中間技術進行Topic模式和路由鍵值的模糊匹配，可實現隊列與Excchange綁定，進而完成一個消息發布與多個消息對立的并列處理。在對各雷達站逐仰角數據文件同步處理的過程中，為提高數據的處理效率，文中建立了多個消息隊列，每個消息隊列負責一個逐仰角雷達數據的處理。消息處理客戶端主要分為雷達數據下載和雷達數據處理這兩個模塊。其中，在雷達數據下載模塊，可從省氣象信息共享平臺上下載最新時次的雷達數據，并可對下載的雷達數據進行解碼處理，處理后的數據根據消息體結構進行消息封裝，并發送至相應的消息隊列中；雷達數據處理模塊負責提取消息隊列中的消息體數據，并進行數據質控處理、網格化處理和緩存處理。數據處理完成后，可實時監控消息隊列的更新情況，由此實現消息的實時調度處理。

（二）雷達數據質控處理

考慮雷達探測過程中會受地形、建筑物等因素的限制，為提高雷達數據質量，有必要對雷達探測數據進行質控處理。文中主要采用回波紋理變化方法，具體的處理步驟如下：

（1）剔除回波孤立點。剔除雷達反射率孤立點的目的是減少孤立點的噪聲影響。孤立點計算公式為：

PX=N/Ntotal

在式（1）中，N為5個方位角和5個距離庫像素內全部反射率為非缺省值個數；Ntotal為所有像素個數，共25個。在Px＜75％時，說明次點標記的孤立點已被剔除。以南昌雷達站為例，對該點孤立點進行剔除，剔除前后對比見圖1。對比發現，南昌雷達0.5[°]仰角反射率因子孤立點得到有效剔除。

（2）回波紋理變化處理。通過像素點與同一錐面上像素點的反射率因子的方差均值來體現雷達反射率因子水平紋理變化的特征，計算公式為[TDBZ=j=1Nbeami=2NgateZi，j-Zi-1，jNbeam×Ngate]。在公式中，[TDBZ]為雷達反射率因子的[TDBZ]值；[Z]表示反射率因子；[i]用于表示不同方位角像素點的位置；[j]用于表示不同距離庫方向像素點的位置；[Nbeam]為方位角個數，取值7；[Ngate]指距離庫的個數，取值7。當TDBZ值＞25dBz時，則說明該點雷達反射率因子有水平上不連續的情況出現，需要對此點的回波進行剔除處理。圖2a為南昌雷達站0.5仰角反射率因子的TDBZ值，結合圖片可得知，TDBZ值分布在雷達站附近，由于受到附近建筑物、地物遮擋影響，使得雷達探測回波呈現出不連續的狀態。因此，就需要對區域雷達探測回波紋理變化處理，紋理變化處理后見圖2b。可以發現，在回波紋理變化處理后，有效剔除了該區域的不連續回波。

（三）雷達數據網格化處理

在雷達基數據文件中，反射率因子主要通過極坐標的方式進行存儲，換句話說，反射率因子相對雷達位置用方位、仰角、距離等數據表示。為了便于雷達網數據資料的拼接，還需要對坐標格式的雷達數據進行網格化處理，將坐標格式的雷達數據轉變為等經緯度的網格數據。在具體的處理過程中，主要采用雙線性插值方法處理，先通過直角坐標網格點經緯度數據獲得雷達位置的距離與方位角坐標，并找出臨近的四個極坐標數據，然后對這四個極坐標數據插值，便可獲得直角坐標網格點的反射率值。

（四）數據緩存處理

結合雷達資料可知，研究區探測頻率為6min/次，但考慮到區域內各雷達站的啟動時間及傳輸時效有所差異，可能在同一時次內雷達探測數據無法同步生成。因此，為了能提高雷達拼圖的效率，同時避免在拼圖處理時出現數據重復處理的情形，需要對各時次生成的雷達數據進行緩存處理，待全部雷達數據緩存后，再從緩存數據中提取雷達反射率因子數據，然后進行拼圖處理。在雷達網格化數據緩存處理方面，本研究采用Redis緩存技術，該技術通過鍵值進行數據存取處理，且能設置數據緩存的期限，滿足數據動態緩存的業務需求。為便于在拼圖處理中快速獲取同一時次的雷達數據，要先對數據緩存時間進行標準化處理，結合雷達探測的頻次，每個小時設置10個時次，主要為00、06、12、18、24、30、36、42、48、54min，采取鄰近的方法對雷達探測時間進行標準化處理，如雷達探測時間為10：10，根據上述處理規則，數據緩存時間為10：12。數據緩存時間經標準化處理后，基于Key值唯一性的原則，設置緩存數據的Key值。

（五）雷達組網拼圖處理

在對雷達數據進行網格化處理后，為實現多部雷達的組網拼圖處理，可基于單站逐仰角雷達反射率因子數據進行拼接，這一過程中，可能會出現重疊的部分。對于重疊部分，通常有最大值、最小距離和平均值這三種處理方法。為了避免出現遺漏，并突出表現強對流天氣，本文在處理重疊區域時采用了最大值方法。該方法主要是針對重疊區域提取反射率因子的最大值。此外，針對雷達重疊區域，傳統的拼圖處理方法具有操作復雜、處理耗時長等弊端，本研究提出了一種快速、簡便的組網拼圖方法，具體思路為：先在研究區域范圍內生成一個1000×1000網格初始場，然后根據雷達站的坐標及網格場，計算出各個點的拼圖網格點，并進行拼圖網格初始場的更新，可獲得同一網格各部雷達的反射率數據，接著將拼圖網格場劃分為若干子區域，計算各個子區域網格點反射率的最大值，最后基于各個子區域網格點反射率的最大值進行拼接處理，獲得最終的雷達拼圖產品。采用這一組網拼圖的方法，可避免對重疊區域的重復計算，并經分區處理，減少網格點遍歷次數，進而提高雷達組網拼圖的處理效率。

四、系統實現

本研究基于分布式并行設計思想，采用消息中間技術對雷達拼圖處理時效進行優化，進一步結合雷達數據質控方法及高效便捷的拼圖方法，實現了對該省多部雷達的同步觀測和組網拼圖。在該拼圖系統中，通過流傳輸和分布式處理方法，可按需生成雷達單站及組網產品，為天氣分析、臨近預報、氣象災害監測等業務的開展提供基礎支持。實踐證明，經過優化，雷達資料預處理時間顯著縮短，有效解決了雷達拼圖產品的時效性問題。

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