錫林浩特天氣雷達組網(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)系統(tǒng)的研發(fā)，涵蓋單站產(chǎn)品、組網(wǎng)產(chǎn)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(wǎng)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(jīng)過試驗運行，結(jié)果表明：錫林浩特天氣雷達組網(wǎng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使用方便，大大改進了雷達觀測和應用成效。

關(guān)鍵詞：錫林浩特;天氣雷達;入網(wǎng)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(jiān)測、預警及防災減災等過程中發(fā)揮著重要作用。天氣雷達組網(wǎng)系統(tǒng)在有效監(jiān)測強對流天氣過程中發(fā)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(yè)務的發(fā)展。由于錫林郭勒盟地域遼闊，新一代天氣雷達布網(wǎng)稀疏，不足以覆蓋全盟范圍的天氣系統(tǒng)?；跇I(yè)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(wǎng)，收集雷達基數(shù)據(jù)上傳至處理中心，開展數(shù)據(jù)預處理、質(zhì)量控制、單站產(chǎn)品生成及組網(wǎng)產(chǎn)品生成，將生成的產(chǎn)品通過網(wǎng)絡進行區(qū)內(nèi)外交換和共享，為內(nèi)蒙古自治區(qū)天氣監(jiān)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(tài)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(wǎng)的優(yōu)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(qū)、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(jiān)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(wǎng)拼圖，以覆蓋全盟各類天氣系統(tǒng)，發(fā)揮多部雷達在天氣監(jiān)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(wǎng)系統(tǒng)的應用。

1 系統(tǒng)主要功能模塊

第一，單站產(chǎn)品生成模塊。單站產(chǎn)品生成模塊通過讀取基數(shù)據(jù)，解析生成基本產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并調(diào)用專業(yè)的二次產(chǎn)品生成算法對回波強度數(shù)據(jù)進行產(chǎn)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(tài)水含量、降水估算、累積降水等二次產(chǎn)品[1]。

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

第三，單站產(chǎn)品顯示模塊。單站產(chǎn)品顯示模塊負責各類單站產(chǎn)品的顯示。其能通過打開文件方式打開指定的雷達數(shù)據(jù)，通過選擇仰角查看不同仰角的基本產(chǎn)品，通過選擇高度查看不同高度的反射率產(chǎn)品，能夠顯示該產(chǎn)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(wǎng)產(chǎn)品顯示模塊。組網(wǎng)產(chǎn)品顯示模塊負責各類組網(wǎng)產(chǎn)品的顯示。其能夠通過打開文件方式打開指定的雷達數(shù)據(jù)，通過選擇仰角查看不同仰角的基本產(chǎn)品，通過選擇高度查看不同高度的反射率產(chǎn)品，能夠顯示該產(chǎn)品的各種必要信息，如圖例、時間等。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

雷達處理及產(chǎn)品顯示系統(tǒng)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(chǎn)品。

第二，應用層。應用層內(nèi)部又劃分為應用支撐層和業(yè)務應用層。其中，應用支撐層主要包括調(diào)度控制、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理、產(chǎn)品顯示等基礎組件，為業(yè)務應用層提供支撐;業(yè)務應用層具有雷達單站產(chǎn)品生成、組網(wǎng)產(chǎn)品生成、雷達產(chǎn)品顯示等核心功能[3]。

第三，數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為應用層的業(yè)務處理提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括提供業(yè)務處理過程中調(diào)用的各種算法組成的算法庫，原始、單站產(chǎn)品數(shù)據(jù)和二次單站產(chǎn)品、組網(wǎng)產(chǎn)品組成的業(yè)務數(shù)據(jù)庫，各種配置文件、日志數(shù)據(jù)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(chǎn)品顯示系統(tǒng)提供最基本的基礎支撐，包括主機、存儲、網(wǎng)絡等硬件設施和操作系統(tǒng)等基礎軟件。

雷達處理及產(chǎn)品顯示系統(tǒng)本質(zhì)為“生產(chǎn)系統(tǒng)”，處理數(shù)據(jù)量較大，計算密集型的雷達產(chǎn)品生成應用有較高的穩(wěn)定性和時效性要求，并支持一定的可擴展性，同時雷達產(chǎn)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(chǎn)品顯示系統(tǒng)適合采用C/S體系結(jié)構(gòu)。

基于雷達基數(shù)據(jù)進行雷達產(chǎn)品生成處理的部分可以按照配置連續(xù)自動運行，部署在服務器端，包括調(diào)度控制、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理等基礎組件。

基于雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行雷達產(chǎn)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(chǎn)品外，還可以通過時間列表、產(chǎn)品列表指定產(chǎn)品來顯示，包括產(chǎn)品顯示基礎組件、雷達產(chǎn)品顯示核心功能組件以及產(chǎn)品顯示界面。

2.2 系統(tǒng)功能設計

2.2.1 服務器端功能設計

2.2.1.1 基數(shù)據(jù)預處理?；鶖?shù)據(jù)預處理是對從各種探測系統(tǒng)接收到的基數(shù)據(jù)進行相應的解壓縮、解密、解碼、統(tǒng)一格式轉(zhuǎn)換等處理，為數(shù)據(jù)的進一步加工處理做準備?；鶖?shù)據(jù)預處理流程為：①從文件系統(tǒng)中獲取原始格式的基數(shù)據(jù);②對基數(shù)據(jù)文件進行解壓縮、解密、解碼等處理，將數(shù)據(jù)還原為原始格式的基數(shù)據(jù);③讀取原始格式的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)生成產(chǎn)品的需要，將不同型號同種探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式[4]。

2.2.1.2 單站雷達產(chǎn)品生成。單站雷達產(chǎn)品生成是對每一個基數(shù)據(jù)進行處理，生成各類基本產(chǎn)品、二次產(chǎn)品。其處理流程為：①讀取基數(shù)據(jù);②對基數(shù)據(jù)進行處理，生成基礎產(chǎn)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(tài)水含量等;③將當前時次成功處理的信息記錄到對應數(shù)據(jù)列表中。

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

2.2.1.4 基礎支撐組件。服務器端基礎支撐組件實現(xiàn)系統(tǒng)框架和服務層面的功能，主要包括調(diào)度控制設計、數(shù)據(jù)管理設計與系統(tǒng)管理設計等[5]。

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

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

系統(tǒng)管理設計由策略配置、參數(shù)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(shù)據(jù)產(chǎn)品生成策略、任務啟動時間策略、調(diào)度控制策略等配置。參數(shù)配置是允許用戶通過手工修改配置文件的方式進行系統(tǒng)參數(shù)配置。日志管理指的是在系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)日志記錄產(chǎn)品生成和顯示過程中產(chǎn)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(chǎn)品顯示。根據(jù)用戶操作調(diào)用對應的后臺接口讀取指定的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進行繪制渲染，并在產(chǎn)品顯示窗口顯示。其處理流程為：①用戶操作界面，系統(tǒng)調(diào)用后臺接口獲取雷達單站產(chǎn)品數(shù)據(jù);②解析雷達單站產(chǎn)品數(shù)據(jù);③調(diào)用圖形引擎，根據(jù)雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行繪圖;④將繪圖結(jié)果顯示到相應的圖形顯示窗口。

2.2.2.2 雷達組網(wǎng)產(chǎn)品顯示。根據(jù)用戶操作調(diào)用對應的后臺接口讀取指定的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進行繪制渲染，并顯示到產(chǎn)品顯示窗口。其處理流程為：①獲取雷達組網(wǎng)產(chǎn)品數(shù)據(jù);②解析雷達組網(wǎng)產(chǎn)品數(shù)據(jù);③調(diào)用圖形引擎，根據(jù)雷達組網(wǎng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行繪圖;④將繪圖結(jié)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(xiàn)系統(tǒng)底層支撐功能。將產(chǎn)品顯示設計為一個獨立的進程，屬于服務類進程，為核心業(yè)務進程提供控制入口及繪圖引擎。

產(chǎn)品顯示：為上層雷達產(chǎn)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(chǎn)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(jù)解析結(jié)果，啟動相應繪圖功能/顯示控制功能;④返回執(zhí)行狀態(tài)。

顯示控制：負責獲取用戶在界面上對圖形的控制操作，實現(xiàn)相應的顯示控制，具體包括產(chǎn)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(tǒng)外部接口。雷達處理及產(chǎn)品顯示系統(tǒng)在運行過程中需要從所轄區(qū)域各雷達站獲取雷達基數(shù)據(jù)，從所轄區(qū)域各地面站獲取觀測數(shù)據(jù)。雷達處理及產(chǎn)品顯示系統(tǒng)外部接口設計如表1所示。

2.2.4 系統(tǒng)內(nèi)部接口。雷達處理及產(chǎn)品顯示系統(tǒng)內(nèi)部主要是各部分與數(shù)據(jù)存儲環(huán)境之間的數(shù)據(jù)交互接口，各接口設計如表2和表3所示。

3 系統(tǒng)應用

錫林浩特天氣雷達組網(wǎng)系統(tǒng)在全盟范圍運行，運行狀態(tài)較為穩(wěn)定，系統(tǒng)輸出的雷達組網(wǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品為錫林郭勒盟氣象預報業(yè)務提供了極大的便利，且組網(wǎng)結(jié)果安全、可靠，為廣泛應用于突發(fā)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(lián)防中發(fā)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(qū)的旱情，合理開發(fā)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(wǎng)系統(tǒng)及雷達三維顯示系統(tǒng)的應用，能夠提供大量的雷達回波與二次產(chǎn)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(qū)的防災減災能力，最大程度上降低氣象災害帶來的損失。

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