西藏地区多普勒天气雷达资料的自动处理和入库

李春艳, 来志云, 次仁措姆, 刘 勇

(西藏自治区气象局信息网络中心,西藏拉萨850000)

0 引言

目前,如何提高暴雨、冰雹、大风等灾害性强对流天气系统临近预报的准确率,是大气科学热点之一,也一直是大气科学中的一大难题,主要困难是对这类空间尺度上百公里乃至几十公里的强对流系统的三维结构、发生发展的机理,甚至在强对流云团中发生了什么样的微物理过程都了解甚少[1-3]。在探测人类赖以生存的大气的各种实践中,天气雷达以其高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力成为灾害性天气,特别是在中小尺度灾害性天气监测和短时天气预报等方面成为极为有效的工具。随着美国新一代天气雷达NEXRAD(Next-Generation Weather Radars)WSR-88D(Weather Surveillance Radar-1988 Doppler)在20世纪90年代业务布网的完成,对基于多普勒雷达资料的短时临近预报给予了极大的关注,使短时灾害预报技术取得了很大进展[4]。

根据《我国新一代天气雷达监测网站点布局方案》,中国已完成126部新一代天气雷达的建设,从而构成中国新一代天气雷达的业务探测网,截止2011年,西藏地区共建成拉萨、日喀则、林芝和那曲4部C波段多普勒天气雷达。由于4部多普勒雷达现在只是单站单点使用,丰富的资料没有实现全区共享,导致多普勒天气雷达的强大功能没有完全发挥,基于上述考虑,2008年在西藏气象科研主管部门的牵头下,由信息网络中心组织开展了《西藏地区多普勒雷达资料管理平台》项目建设,经过一年多的开发建设工作,项目已正式投入业务运行,实现了西藏地区多普勒雷达资料的管理、应用及共享。

1 系统运行环境及开发工具

系统采用Windows系统(Windows 2003 Sever/Windows-xp)作为网络操作平台系统,具有用户熟悉的图形界面,对各种应用软件都能够提供良好的支持、兼容性。系统的软件开发环境是以C++BUIDER 6.0作为开发平台,雷达数据库的建库、插入、修改、删除等结合SQL语言实现,考虑到气象部门的实际情况和后期网页开发的需要,雷达资料数据库系统是目前广泛使用的MYSQL数据库系统。雷达基数据的压缩和解压缩通过在系统中嵌入WINZIP软件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)实现。

2 系统主要功能

西藏自治区的新一代多普勒雷达在布点时由于受资料生成显示软件和通信网络条件的制约,4部多普勒雷达只能单站单点使用,没有实现雷达资料全区共享。中国气象局网站上的部分GIF图像格式的雷达产品,在资料的时效性和信息量方面与雷达观测本站相比都存在较大差距。为了解决此问题,充分发挥多普勒雷达的强大功能,研究设计了全区多普勒天气雷达资料的自动处理和入库系统。系统实现的主要功能有:

(1)多普勒天气雷达资料的实时监控和接收;

(2)多普勒天气雷达基数据的显示处理;

(3)多普勒天气雷达基数据及图形产品的自动入库。

3 系统功能的具体实现

通过对系统需求的详细设计和分析,把多普勒雷达资料的实时接收处理过程作为研究对象,在细化过程的同时确定每个子系统的实现功能。下面以系统主要功能模块为例,简要介绍系统的开发思路和实现方法。

3.1 多普勒天气雷达资料的监控和接收模块

模块监控和接收两种多普勒天气雷达资料,一种是基数据文件,每个雷达站6分钟左右生成一个,文件大小为12M 左右;另一种是GIF格式图片文件,每个雷达站1小时生成5个,分别为1小时降水量、液态含水量、径向速度、组合反射率和基本反射率。

采用目录监控技术(findfirst函数和findnext函数相结合),实时监控数据传输服务器中指定的多普勒雷达资料接收目录,一旦发现有新的文件,则判断是否为雷达基数据文件或GIF图片文件,如果是则记录其文件名、文件大小和文件生成日期等信息,并将该文件移动到指定目录,为下一步处理作好准备,具体例程如下:

3.2 多普勒天气雷达基数据的显示处理模块

3.2.1 多普勒天气雷达基数据的数据结构

多普勒天气雷达可以探测降水的分布、强度和降水云系的垂直结构,还可以测定降水粒子的径向运动速度,并通过这种速度信息推断风场结构特征。西藏自治区的多普勒雷达采用成都784厂生产的CINRAD/CD雷达。

一个多普勒天气雷达基数据(体扫数据)资料由基本数据和探测数据两部分构成,基本数据包括站址基本情况、性能参数、观测参数等,数据位于文件头部。探测数据记录雷达波束探测到的降水粒了反射信息,其存放结构如下:

struct DATA{

unsigned char m-dbz;//强度值,实际dBz=(m-dbz-64)/2;

unsigned char m-vel;//速度值,实际Velocity=最大可测速度*(m-vel-128)/128

unsigned char m-undbz;//无订正强度值,实际dBz=(m-undbz-64)/2;unsigned char m-sw;//谱宽值,实际sw=最大可测速度的256分之一

//无回波时为零。

};

西藏自治区的多普勒雷达信息按照极坐标方式采集存储,以250m为1个探测数据记录单位,1条波束可以采集1000个记录,即一条波束探测半径可以达250km,雷达扫描1周探测360次,可采集36万个记录,雷达1次体扫设定9个探测角度,所以1次体扫能采集探测数据为9×360×1000个记录。

3.2.2 多普勒天气雷达基数据图像画面的布局和物理量彩色色标

多普勒天气雷达基数据图像显示的内容应包括省(区)名、站名、产品名称,观测的各种参数(如时间、观测仰角、观测距离标尺)、图像的色标和物理量单位名称,及附属数据(或附属图像),整个画面由640×480象素组成。图像区大小为480×480,用来显示回波图像或产品图像。其他部分用来显示雷达站名、雷达型号、观测时间、仰角(或方位角或高度)及量程范围以及色标和附属数据(图1)。图像一般采用以雷达天线为中心的直角坐标系。地心到天线所指方向为垂直方向,过天线与地球相切的平面为水平面,此面与天线经度面的交线为南北方向。

多普勒天气雷达基数据图像显示的物理量有回波强度、径向速度、谱宽及无订正回波强度。雷达显示图像中的物理量按其性质可分为两类:一类是量值变化可出现正值和负值,如径向风速,另一类量值只出现正值,如回波强度、谱宽。相应的图像的色标也相应分成两类.为了便于业务人员使用,基数据图像采用彩色显示,并且彩色显示方案采用中国气象局规定的统一标准(表1、表2)。

图1 多普勒天气雷达基数据图像画面的布局

表1 适用于径向速度的彩色表

表2 适用于回波强度、速度谱宽的彩色表

3.2.3 多普勒天气雷达基数据图像的地图叠加

地图叠加时利用了MICPAS3系统中西藏各县的经纬度数据(行政区界),通过坐标变换,将经纬度数据变换到直角坐标系后,再进行叠加,如图2所示。

图2 拉萨雷达站的地图叠加

3.2.4 多普勒天气雷达基数据图像的自动生成

在掌握了雷达基数据存贮格式,确定基数据图像画面的布局和物理量彩色色标,以及地图的叠加方式后,可自动生成基数据图像产品如图3～图6所示。另外考虑到BMP图像格式占用磁盘空间大,系统自动将BMP格式转换为JPEG格式存放(可节省10倍左右存贮空间)。具体例程如下:

TJPEGImage*jpg=new TJPEGImage();

jpg-＞Assign(Form1-＞Image1-＞Picture-＞Bitmap);

jpg-＞CompressionQuality=80; //设置图像质量80%

jpg-＞Compress(); //图像压缩

jpg-＞SaveToFile(file-out); //生成JPEG图像

delete jpg;

3.3 多普勒雷达基数据及图形产品的自动入库模块

3.3.1 雷达资料数据库设计及库表结构

雷达资料数据库的设计充分考虑了雷达资料的特点,如:数据量大、产品种类多、属性复杂;实时性要求高;具有广泛的用户群体等以及用户的需求;系统的软硬件配置;系统的可靠性、可用性、可维护性和可移植性等因素,使系统具有良好的可伸缩性。针对不同的雷达数据类型,设计了以下4种数据库表:

(1)基数据表

(2)基数据图像产品表

(3)接收的1小时1次的GIF格式图像表

(4)历史基数据表

为了以后查询、检索和下载等操作的方便,各个数据库表在结构上都包含了日期、时间、资料类型、站名、目录名、文件名以及一些预留字段。

3.3.2 历史多普勒雷达基数据的压缩存贮

一部多普勒雷达大约每6分钟完成1个体扫,生成1个12M的基数据文件,1天将产生240多个基数据文件,这样1天的数据量将达到2.8G,而全区4个雷达站总的数据量将达到10G以上,这将对目前的网络通信和计算机存贮容量形成较大的压力,同时也不便于雷达资料的共享使用。为此,系统先将历史多普勒雷达基数据按站按天归类,然后将每站每天所有的基数据自动压缩成一个文件,并按站号和日期进行编号,方便以后的检索、查询和下载。

这里基数据的压缩是通过在系统中嵌入WINZIP软件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)实现,压缩效率比较高,压缩后的文件大小平均仅为原文件大小的1/20。

3.3.3 雷达数据自动入库和维护

雷达数据的自动入库和维护利用MYSQL提供的C++数据接口,采用C++BUIDER6编程解决。

自动入库例程如下:

MYSQL mysql,*sock;

typedef unsigned int SOCKET;

MYSQL-RES*res;

char qbuf[512];

mysql-init(&mysql);

sock=mysql-real-connect(&mysql,″localhost″,″root″,″111111″,″product1″,3306,NULL,0);

mysql.reconnect=1;

if(!(res=mysql-list-tables(sock,NULL)))

{

}

mysql-free-result(res);

sprintf(qbuf,INSERT-QUERY,sta-num,mdate,mtime,dir2,file-name,″1″,level);

mysql-query(sock,qbuf);

mysql-close(sock);

4 结束语

目前,西藏全区共建成了拉萨、日喀则、林芝和那曲四部C波段多普勒天气雷达。但丰富的资料没有实现全区共享,多普勒天气雷达的强大功能没有完全发挥。基于此,在Windows操作系统平台下,采用C++BUIDER6.0作为开发工具,结合MYSQL数据接口技术、WINZIP软件的命令行工具(WZZIP.EXE和WZUNZIP.EXE)、目录监控技术以及利用MICPAS3系统中西藏各县的经纬度数据,研究设计了全区多普勒天气雷达资料的自动处理和入库系统。初步实现了:(1)多普勒天气雷达资料的实时监控和接收;(2)多普勒天气雷达基数据的显示处理;(3)多普勒天气雷达基数据及图形产品的自动入库。为下一步实现全区共享多普勒雷达资料打下良好的基础。

[1] 万玉发.联合雷达网和卫星定量监测与预报长江流域大范围降水[J].应用气象学报,1998,(9):94-103.

[2] 伍志方,张春良,张沛源.一次强对流天气的多普勒特征分析[J].高原气象,2001,20:202-207.

[3] 姚祖庆,黄炎.上海地区强对流短时预报工作流程及其应用[J].气象,2000,26:15-18.

[4] 邱崇践,余金香,Xu Q.多普勒雷达资料对中尺度系统短期预报的改进[J].气象学报,2000,58:244-249.