周義兵，王　毅，周淑巧，占世林

(1.安康市氣象局，陜西安康　725000；2.南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，南京　210044)

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基于雷達(dá)基數(shù)據(jù)的探測(cè)回波自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周義兵1，王毅1，周淑巧2，占世林1

(1.安康市氣象局，陜西安康725000；2.南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，南京210044)

摘要：利用天氣雷達(dá)廠商提供的雷達(dá)基數(shù)據(jù)類 CINRADPolarDat處理解析雷達(dá)基數(shù)據(jù)，對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，實(shí)時(shí)檢索新一代天氣雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)，提取回波強(qiáng)度、范圍大小、位置等基本信息作為報(bào)警判據(jù)，并將報(bào)警判據(jù)分為安全級(jí)、觀察級(jí)、預(yù)警級(jí)和警報(bào)級(jí)四個(gè)警戒級(jí)別進(jìn)行報(bào)警提示。系統(tǒng)通過Microsoft Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境采用VB6.0語言編程，實(shí)現(xiàn)了新一代天氣雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)警功能，自動(dòng)判斷警戒級(jí)別并通過發(fā)出文字、聲音、手機(jī)短信及撥打電話等不同報(bào)警方式提醒業(yè)務(wù)服務(wù)人員，避免突發(fā)災(zāi)害天氣遺漏，做到臨近突發(fā)災(zāi)害性天氣快速跟蹤預(yù)警與服務(wù)。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；基數(shù)據(jù)；自動(dòng)報(bào)警

我國在“十二五”期間布設(shè)新一代天氣雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，極大地增強(qiáng)了災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)水平，提高了天氣監(jiān)測(cè)的時(shí)空分辨率，使得中小尺度突發(fā)性天氣提前預(yù)警成為可能，在氣象防災(zāi)減災(zāi)工作中發(fā)揮了重要作用。

一般情況下，天氣雷達(dá)在汛期全天候開機(jī)，每6 min完成一次體掃；在非汛期每日的10時(shí)到15時(shí)開機(jī)。這樣的工作模式可以保證在雷達(dá)的有效探測(cè)范圍內(nèi)，基本不會(huì)漏掉對(duì)任何一次天氣過程的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r的監(jiān)測(cè)。盡管如此，但由于業(yè)務(wù)服務(wù)人員無法做到全天候關(guān)注雷達(dá)監(jiān)測(cè)資料，即使雷達(dá)探測(cè)到異常情況或強(qiáng)回波，由于業(yè)務(wù)服務(wù)人員未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，也會(huì)造成重大天氣遺漏或預(yù)報(bào)服務(wù)失誤。鑒于此，開發(fā)雷達(dá)探測(cè)實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)非常必要。

1設(shè)計(jì)思路

目前，國內(nèi)有人做過雷達(dá)預(yù)警類似的工作，俞小鼎等[1]對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的雷達(dá)識(shí)別和預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)雷達(dá)探測(cè)回波自動(dòng)報(bào)警提供了有力的支撐。但是基于實(shí)時(shí)探測(cè)回波自動(dòng)分析報(bào)警仍然處在空白狀態(tài)?；趯?shí)際工作的需求，考慮到自動(dòng)報(bào)警的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，采取直接對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集單元RDA實(shí)時(shí)生成的基數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解碼，一旦系統(tǒng)判斷探測(cè)數(shù)據(jù)超過閾值，立即發(fā)出報(bào)警的設(shè)計(jì)思路，從而確保預(yù)警準(zhǔn)確及時(shí)。

2功能及界面設(shè)計(jì)

2.1功能設(shè)計(jì)

雷達(dá)探測(cè)回波自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在Microsoft visual studio2005開發(fā)環(huán)境中采用Visual basic程序集編寫，該系統(tǒng)可定時(shí)自動(dòng)檢索RDA生成的實(shí)時(shí)體掃基數(shù)據(jù)，通過對(duì)雷達(dá)基數(shù)據(jù)的分析解碼，判斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)強(qiáng)回波的范圍、大小、位置等數(shù)據(jù)信息，并依據(jù)給定的不同警戒閾值，采用窗口文字、聲音、手機(jī)短信以及撥打電話等報(bào)警方式發(fā)出報(bào)警。其功能主要有報(bào)警方式選擇、自動(dòng)跟蹤、工作日志、效果檢驗(yàn)等，輔助功能有手動(dòng)選擇雷達(dá)基數(shù)據(jù)顯示PPI圖像、分層顯示、PPI/RHI圖像切換、放大、縮小、降水估測(cè)等。

2.2界面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要為業(yè)務(wù)服務(wù)人員使用，因此在界面設(shè)計(jì)時(shí)，考慮其在日常工作中使用一些其他業(yè)務(wù)軟件的習(xí)慣，突出軟件界面的美觀性、易操作性，功能分區(qū)簡潔大方等因素，共設(shè)計(jì)了四方面的功能：圖像顯示、選項(xiàng)選擇、功能操作和信息顯示。圖像顯示窗用于顯示當(dāng)前或歷史體掃PPI圖像，雙擊實(shí)現(xiàn)放大或縮小功能，單擊實(shí)現(xiàn)降水估算功能；選項(xiàng)選擇主要為系統(tǒng)工作選擇關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)或報(bào)警閾值；功能操作主要包括軟件自動(dòng)監(jiān)控、手動(dòng)選取、圖像操作和報(bào)警效果檢驗(yàn)及系統(tǒng)工作日志查看；信息顯示窗口主要顯示雷達(dá)基本參數(shù)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。

2.3報(bào)警系統(tǒng)流程算法

系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)監(jiān)控工作模式后，首先讀入?yún)?shù)文件，獲取基數(shù)據(jù)目錄、檢索時(shí)間間隔、不同警戒閾值和報(bào)警短信手機(jī)號(hào)碼等信息，時(shí)間控制器開始工作，按照設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)啟動(dòng)最新基數(shù)據(jù)檢索模塊，一旦發(fā)現(xiàn)新的基數(shù)據(jù)文件進(jìn)入基數(shù)據(jù)分析模塊，提取回波強(qiáng)度、范圍和位置等信息，通過與警戒閾值對(duì)比做出不同的報(bào)警方式。報(bào)警系統(tǒng)工作流程見圖1 。

圖1　報(bào)警模塊流程圖

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1基數(shù)據(jù)解碼

每個(gè)體掃數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一個(gè)單獨(dú)的文件，文件大小約16 MB，由文件頭和數(shù)據(jù)兩部分成，一個(gè)徑向數(shù)據(jù)為4 132 bytes固定長度：其中，前128 bytes存儲(chǔ)本次掃描相關(guān)的雷達(dá)信息頭、收集時(shí)間、方位角、仰角、徑向數(shù)據(jù)序號(hào)、距離庫數(shù)、RVW數(shù)據(jù)指針及體掃模式等信息，從第129 bytes開始到文件尾為數(shù)據(jù)部分。129～928 bytes存放基本反射率數(shù)據(jù)，距離庫總數(shù)為800，929～2 528 bytes存放徑向速度數(shù)據(jù)，距離庫總數(shù)為1 600，2 529～4 128 bytes存放速度譜寬數(shù)據(jù)，距離庫總數(shù)1 600，4 129～4 132 bytes為保留字節(jié)。

3.2地物過濾

地物過濾一直是雷達(dá)探測(cè)回波分析的難點(diǎn)之一，由于安康雷達(dá)站地處山區(qū)，在有效探測(cè)范圍內(nèi)周圍高大山脈往往會(huì)出現(xiàn)在低仰角回波當(dāng)中，如果人工分析可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)識(shí)別出來，但通過編程自動(dòng)分析雷達(dá)強(qiáng)回波時(shí)，地物強(qiáng)回波勢(shì)必造成干擾，特別是在下雨之前或濕度增大時(shí)，地物回波也會(huì)明顯增強(qiáng)，容易報(bào)虛警。鑒于此，采取兩種有效方式消除地物回波：一是針對(duì)地物回波的位置固定性采取地物對(duì)消；二是利用新一代天氣雷達(dá)探測(cè)原理，地物回波的徑向速度為“0”的基本特征排除地物強(qiáng)回波信息。

3.3自動(dòng)跟蹤

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，充分考慮到雷達(dá)探測(cè)工作狀態(tài)，汛期雷達(dá)一般采用VCP21工作模式，每6 min完成一次完整體掃，并生成本次體掃基數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。為了讓報(bào)警系統(tǒng)能夠與雷達(dá)工作同步，專門設(shè)計(jì)了雷達(dá)基數(shù)據(jù)存放路徑、定時(shí)搜索基數(shù)據(jù)文件時(shí)間間隔等可調(diào)參數(shù)文件，方便在使用過程中適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，確保報(bào)警延時(shí)較小或最小，經(jīng)過多次測(cè)試，考慮不影響工作和計(jì)算機(jī)性能的情況下，時(shí)間間隔可以設(shè)置為1.5～3.5 min較為合理。

3.4報(bào)警分級(jí)和檢驗(yàn)

體掃基數(shù)據(jù)中超過閾值的點(diǎn)數(shù)即反映了降水目標(biāo)物的大小和強(qiáng)弱，故以一次體掃中達(dá)到或超過閾值的采樣體積的數(shù)量(強(qiáng)回波信息點(diǎn)數(shù))為基本判斷依據(jù)，將報(bào)警分為安全級(jí)(Ⅰ級(jí))、觀察級(jí)(Ⅱ級(jí))、預(yù)警級(jí)(Ⅲ級(jí))、警報(bào)級(jí)(Ⅳ級(jí))四級(jí)，根據(jù)報(bào)警級(jí)別的危險(xiǎn)程度采取窗口提示信息、雷聲報(bào)警、警報(bào)音報(bào)警及發(fā)送手機(jī)短信和電話呼叫報(bào)警等方式，報(bào)警方式依據(jù)報(bào)警級(jí)別一級(jí)一級(jí)累加。通過解析大量歷史基數(shù)據(jù)，并結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)段實(shí)際發(fā)生的天氣狀況進(jìn)行比對(duì)，初步確定了不同報(bào)警級(jí)別的閾值，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了檢驗(yàn)反饋模塊，正常工作進(jìn)入自動(dòng)監(jiān)控模式以后，自動(dòng)記錄每次體掃的分析結(jié)果(強(qiáng)回波信息點(diǎn)數(shù))，通過檢驗(yàn)分析，為以后進(jìn)一步訂正和完善合理的報(bào)警分級(jí)閾值積累數(shù)據(jù)資料。

4系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1智能性

智能自動(dòng)化是雷達(dá)探測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最基本要求，一些可調(diào)參數(shù)設(shè)定以后，系統(tǒng)從自動(dòng)檢測(cè)最新基數(shù)據(jù)、自動(dòng)分析雷達(dá)回波、自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警分級(jí)到自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，全程智能自動(dòng)化，無需人工干預(yù)。

4.2準(zhǔn)確性

該報(bào)警系統(tǒng)在解析大量歷史基數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)應(yīng)的天氣實(shí)況，并采取有效的地物對(duì)消措施以后確定不同報(bào)警級(jí)別的閾值，系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確性高，虛報(bào)和誤報(bào)率低。

4.3實(shí)時(shí)性

系統(tǒng)開發(fā)的目的首先考慮軟件的實(shí)時(shí)性，報(bào)警必須及時(shí)，通過設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)的時(shí)間間隔參數(shù)，可以調(diào)整參數(shù)以力求報(bào)警系統(tǒng)與雷達(dá)探測(cè)實(shí)時(shí)同步。

4.4移植性

雷達(dá)探測(cè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是各級(jí)業(yè)務(wù)服務(wù)人員需要的工具之一，在開發(fā)中注重系統(tǒng)的可移植性，雷達(dá)型號(hào)、基數(shù)據(jù)存放路徑、報(bào)警分級(jí)閾值、時(shí)間間隔等重要參數(shù)均設(shè)計(jì)為可選取或調(diào)整的，方便用戶使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞小鼎,王迎春,陳明軒，等.新一代天氣雷達(dá)與強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警[J].高原氣象,2005，24(3):456-463.

[2]楚志剛,銀燕,顧松山.新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式自動(dòng)識(shí)別方法研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化, 2013(7)：180-184.

[3]朱雷平,朱黎明,于雪濤,等.基于CINRAD/CB雷達(dá)基數(shù)據(jù)的反射率因子地學(xué)可視化研究[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2014(19):43-47.

[4]李豐, 劉黎平, 王紅艷,等.C波段多普勒天氣雷達(dá)地物識(shí)別方法[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2014，25(2):158-165.

[5]賀音.國家自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].陜西氣象,2015(6):38-40.

文章編號(hào)：1006-4354(2016)03-0022-03

收稿日期：2015-12-08

作者簡介：周義兵(1974—)，男，漢族，陜西鎮(zhèn)安人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)研究和氣象信息分析處理。

中圖分類號(hào)：TP311.52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

周義兵，王毅，周淑巧,等.基于雷達(dá)基數(shù)據(jù)的探測(cè)回波自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].陜西氣象，2016(3)：22-24.