錫林浩特天氣雷達組網系統設計及應用

謝東　王新清　郭永梅

摘 要：本文以錫林浩特天氣雷達為中心，開展6部天氣雷達組網系統的研發，涵蓋單站產品、組網產品的生成和顯示模塊，建立了中心端和應用端的運行模式，設計了不同雷達的入網接口，既方便了旗縣氣象站的應用，又可以接入更多的局地雷達。經過試驗運行，結果表明：錫林浩特天氣雷達組網系統運行穩定，使用方便，大大改進了雷達觀測和應用成效。

關鍵詞：錫林浩特;天氣雷達;入網接口

中圖分類號：P412.25文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0138-03

Abstract：Taking Xilinhot weather radar as the center， this paper carried out the research and development of 6 weather radar networking systems， covering the generation and display modules of single station products and networking products， established the operation modes of the center end and application end， and designed the network access interfaces of different radars， which not only facilitated the application of county weather stations， but also could access more local radars. The test results show that the Xilinhot weather radar networking system is stable and easy to use， which greatly improves the effectiveness of radar observation and application.

Keywords： Xilinhot;weather radar;network access interface

天氣雷達在天氣監測、預警及防災減災等過程中發揮著重要作用。天氣雷達組網系統在有效監測強對流天氣過程中發揮著重要作用，不僅大幅度提升了氣象災害預警預報的準確率，而且在一定程度上推動了我國氣象業務的發展。由于錫林郭勒盟地域遼闊，新一代天氣雷達布網稀疏，不足以覆蓋全盟范圍的天氣系統?；跇I務的需求，將錫林郭勒盟1部新一代和2部非新一代天氣雷達及其周邊的3部新一代天氣雷達進行組網，收集雷達基數據上傳至處理中心，開展數據預處理、質量控制、單站產品生成及組網產品生成，將生成的產品通過網絡進行區內外交換和共享，為內蒙古自治區天氣監測預報預警服務提供支撐。6部天氣雷達包括：錫林浩特新一代天氣雷達（CA）、正藍旗C波段713雷達、東烏旗全固態雙偏振X波段天氣雷達、烏蘭察布集寧新一代天氣雷達（CB）、霍林郭勒新一代天氣雷達（CB）、張北新一代天氣雷達（CB——升級SA）。組網的優勢在于多部雷達重復獲取的天氣信息要比單部雷達更加精確全面，還可以在很大程度上解決因單部雷達觀測的波束幾何學原因（例如，靜錐區、波束展寬、波束遮擋等）引起的很多問題。為了提高對中尺度災害性天氣的監測及預報預警能力，必須利用多部雷達的資料，對不同波段雷達資料進行組網拼圖，以覆蓋全盟各類天氣系統，發揮多部雷達在天氣監測、預報、預警中的作用。本文重點探討了錫林浩特天氣雷達組網系統的應用。

1 系統主要功能模塊

第一，單站產品生成模塊。單站產品生成模塊通過讀取基數據，解析生成基本產品數據，并調用專業的二次產品生成算法對回波強度數據進行產品生成處理，導出等高平面位置顯示（Constant Altitude Plan Position Indicating，CAPPI）、組合反射率、回波頂高度、液態水含量、降水估算、累積降水等二次產品[1]。

第二，組網產品生成模塊。在單站產品的基礎上進行組網拼圖，生成對應的組網產品，包括組合反射率、回波頂高度、液態水含量、降水估算、累積降水等產品。

第三，單站產品顯示模塊。單站產品顯示模塊負責各類單站產品的顯示。其能通過打開文件方式打開指定的雷達數據，通過選擇仰角查看不同仰角的基本產品，通過選擇高度查看不同高度的反射率產品，能夠顯示該產品的各種必要信息，如圖例、仰角、雷達位置、時間等[2]。

第四，組網產品顯示模塊。組網產品顯示模塊負責各類組網產品的顯示。其能夠通過打開文件方式打開指定的雷達數據，通過選擇仰角查看不同仰角的基本產品，通過選擇高度查看不同高度的反射率產品，能夠顯示該產品的各種必要信息，如圖例、時間等。

2 系統設計

2.1 系統結構設計

雷達處理及產品顯示系統自上而下劃分為四層。

第一，界面層。用于與用戶進行交互，供用戶進行配置管理，接收用戶請求，并且向用戶顯示各種雷達產品。

第二，應用層。應用層內部又劃分為應用支撐層和業務應用層。其中，應用支撐層主要包括調度控制、數據管理、系統管理、產品顯示等基礎組件，為業務應用層提供支撐;業務應用層具有雷達單站產品生成、組網產品生成、雷達產品顯示等核心功能[3]。

第三，數據層。數據層為應用層的業務處理提供數據支撐，主要包括提供業務處理過程中調用的各種算法組成的算法庫，原始、單站產品數據和二次單站產品、組網產品組成的業務數據庫，各種配置文件、日志數據組成的運行支撐庫。

第四，基礎設施層?；A設施層主要是為雷達處理及產品顯示系統提供最基本的基礎支撐，包括主機、存儲、網絡等硬件設施和操作系統等基礎軟件。

雷達處理及產品顯示系統本質為“生產系統”，處理數據量較大，計算密集型的雷達產品生成應用有較高的穩定性和時效性要求，并支持一定的可擴展性，同時雷達產品顯示應用還要為用戶提供較為復雜的人機交互功能?；谝陨咸攸c，雷達處理及產品顯示系統適合采用C/S體系結構。

基于雷達基數據進行雷達產品生成處理的部分可以按照配置連續自動運行，部署在服務器端，包括調度控制、數據管理、系統管理等基礎組件。

基于雷達產品數據進行雷達產品顯示操作的部分存在人機交互的要求，部署在客戶端，除了可以按照配置自動顯示、更新指定的產品外，還可以通過時間列表、產品列表指定產品來顯示，包括產品顯示基礎組件、雷達產品顯示核心功能組件以及產品顯示界面。

2.2 系統功能設計

2.2.1 服務器端功能設計

2.2.1.1 基數據預處理?；鶖祿A處理是對從各種探測系統接收到的基數據進行相應的解壓縮、解密、解碼、統一格式轉換等處理，為數據的進一步加工處理做準備?；鶖祿A處理流程為：①從文件系統中獲取原始格式的基數據;②對基數據文件進行解壓縮、解密、解碼等處理，將數據還原為原始格式的基數據;③讀取原始格式的數據文件，根據生成產品的需要，將不同型號同種探測系統的數據轉換為統一格式[4]。

2.2.1.2 單站雷達產品生成。單站雷達產品生成是對每一個基數據進行處理，生成各類基本產品、二次產品。其處理流程為：①讀取基數據;②對基數據進行處理，生成基礎產品，包括回波強度、徑向速度、徑向譜寬、格點化回波頂高、垂直累計液態水含量等;③將當前時次成功處理的信息記錄到對應數據列表中。

2.2.1.3 組網雷達產品生成。組網雷達產品生成是將全國多部雷達單站產品進行拼圖處理，生成各類組網產品、二次產品。其處理流程為：①獲取當前時間要進行組網處理的雷達單站產品數據;②解析所有雷達的單站產品數據;③將所有單站產品的網格化數據插值到空的全國組網數據上，并對重復部分進行合理處理;④輸出組網產品數據。

2.2.1.4 基礎支撐組件。服務器端基礎支撐組件實現系統框架和服務層面的功能，主要包括調度控制設計、數據管理設計與系統管理設計等[5]。

調度控制設計主要是根據用戶需求及配置策略對整個產品生成流程進行調度和控制，包括根據用戶配置及數據類型選擇數據處理過程等。其處理流程為：①獲取用戶設定的調度控制策略配置文件;②根據調度控制策略配置啟動相應進程，并安排其執行時序;③輸出調度控制狀態信息。

數據管理設計主要由數據存儲、檢索與清除等組成。數據存儲的主要功能是將數據存儲到系統所在的本機磁盤上，并將相應的記錄添加到數據庫索引文件中。數據檢索的主要功能是根據用戶需求查詢本地是否存在一個或一批數據，若存在，則返回存儲路徑。數據清理的主要功能是根據用戶需求將指定數據從硬盤刪除，并將相應的記錄從數據庫索引文件中刪除。

系統管理設計由策略配置、參數配置、日志管理等幾部分組成。策略配置是允許用戶通過手工修改配置文件的方式進行基數據產品生成策略、任務啟動時間策略、調度控制策略等配置。參數配置是允許用戶通過手工修改配置文件的方式進行系統參數配置。日志管理指的是在系統運行過程中，系統日志記錄產品生成和顯示過程中產生的信息，并記錄出錯時相應的處理措施。

2.2.2 客戶端功能設計

2.2.2.1 雷達單站產品顯示。根據用戶操作調用對應的后臺接口讀取指定的產品數據，進行繪制渲染，并在產品顯示窗口顯示。其處理流程為：①用戶操作界面，系統調用后臺接口獲取雷達單站產品數據;②解析雷達單站產品數據;③調用圖形引擎，根據雷達產品數據進行繪圖;④將繪圖結果顯示到相應的圖形顯示窗口。

2.2.2.2 雷達組網產品顯示。根據用戶操作調用對應的后臺接口讀取指定的產品數據，進行繪制渲染，并顯示到產品顯示窗口。其處理流程為：①獲取雷達組網產品數據;②解析雷達組網產品數據;③調用圖形引擎，根據雷達組網產品數據進行繪圖;④將繪圖結果顯示到相應的圖形顯示窗口。

2.2.2.3 基礎支撐組件?？蛻舳嘶A支撐組件實現系統底層支撐功能。將產品顯示設計為一個獨立的進程，屬于服務類進程，為核心業務進程提供控制入口及繪圖引擎。

產品顯示：為上層雷達產品顯示應用提供圖形繪制引擎和顯示控制支撐功能。其處理流程為：①接收來自雷達產品顯示上層應用的繪圖請求/顯示控制命令;②解析繪圖請求/顯示控制命令;③根據解析結果，啟動相應繪圖功能/顯示控制功能;④返回執行狀態。

顯示控制：負責獲取用戶在界面上對圖形的控制操作，實現相應的顯示控制，具體包括產品圖形的拖拽漫游、放大、縮小、鼠標重新定位等。

圖形引擎：提供必要的圖形繪制功能，支撐上層圖形顯示應用。

2.2.3 系統外部接口。雷達處理及產品顯示系統在運行過程中需要從所轄區域各雷達站獲取雷達基數據，從所轄區域各地面站獲取觀測數據。雷達處理及產品顯示系統外部接口設計如表1所示。

2.2.4 系統內部接口。雷達處理及產品顯示系統內部主要是各部分與數據存儲環境之間的數據交互接口，各接口設計如表2和表3所示。

3 系統應用

錫林浩特天氣雷達組網系統在全盟范圍運行，運行狀態較為穩定，系統輸出的雷達組網數據產品為錫林郭勒盟氣象預報業務提供了極大的便利，且組網結果安全、可靠，為廣泛應用于突發性災害性天氣的短臨預報、預警提供有利支撐，在防災減災及上下游的聯防中發揮著重要作用;為人工影響天氣提供及時、準確的實況信息;對緩解錫林郭勒盟地區的旱情，合理開發空中云水資源，增加有效降水量具有積極意義。另外，天氣雷達組網系統及雷達三維顯示系統的應用，能夠提供大量的雷達回波與二次產品，彌補了以往氣象預報工作人員需要同時打開多個雷達顯示軟件查看附近天氣狀況的不足，為天氣分析提供了極大便利，從而提高地區的防災減災能力，最大程度上降低氣象災害帶來的損失。

參考文獻：

[1]王紅艷，劉黎平，王改利，等.多普勒天氣雷達三維數字組網系統開發及應用[J].應用氣象學報，2009（2）：214-224.

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[3]周海光.新一代多普勒天氣雷達網探測數據對比分析系統[J].計算機應用，2013（1）：270-275.

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[5]李忱，張越，陳贏.氣象雷達組網和網絡氣象雷達的發展[C]//中國氣象學會.第26屆中國氣象學會年會第三屆氣象綜合探測技術研討會分會場論文集.中國氣象學會，2009：588-592.