基于多普勒天氣雷達的民航氣象監(jiān)測與臨近預(yù)報系統(tǒng)

王暉　魏巍

【摘 要】航空氣象對航空飛行安全、準(zhǔn)點有著至關(guān)重要的影響，本文首先對多普勒天氣雷達主要產(chǎn)品和臨近預(yù)報技術(shù)進行介紹，然后介紹了基于多普勒天氣雷達的民航氣象監(jiān)測與臨近預(yù)報系統(tǒng)的主要功能。

【關(guān)鍵詞】多普勒天氣雷達；民航氣象；實況監(jiān)測；臨近預(yù)報

0 引言

國際民航組織統(tǒng)計顯示，在世界航空業(yè)務(wù)中，因天氣原因造成的飛行事故數(shù)量已經(jīng)上升到占總事故的將近三分之一，其中強對流天氣是造成飛行事故的主因。[1]

目前我國民航日飛行量已經(jīng)超過1萬架次，預(yù)計未來十年，中國民航運輸量仍然保持持續(xù)快速增長的勢頭。大飛行量、大流量的運行背景，使得民航在保證飛行安全的前提下，保障航班“正點”和“效率”的壓力空前增大。隨著航班量的增加，天氣對航空運輸安全與效益的影響日益突出，天氣因素已經(jīng)成為制約我國航空事業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸之一。因天氣原因造成航班延誤導(dǎo)致旅客與航空公司糾紛日漸增多，甚至影響社會穩(wěn)定。

新一代天氣雷達作為現(xiàn)代化的探測手段，可以有效地監(jiān)測暴雨、冰雹、龍卷等災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展；同時還具有良好的定量測量回波強度的性能，可以定量估測大范圍降水[2]。我國即將建成由216部新一代多普勒天氣雷達組成的全國性雷達探測網(wǎng)[3]，中國民用航空局空中交通管理局航空氣象中心可以通過中國氣象局同城用戶服務(wù)系統(tǒng)實時獲取全國新一代天氣雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過研制氣象監(jiān)測與臨近預(yù)報系統(tǒng)，可以更好的滿足民航對氣象服務(wù)“定時、定點、定量”的要求，提高對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警能力和服務(wù)水平。

1 建設(shè)內(nèi)容

系統(tǒng)對接收到的全國新一代天氣雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)和機場天氣雷達數(shù)據(jù)進行解碼和產(chǎn)品加工，通過疊加精細化地理信息數(shù)據(jù)，輸出帶有機場中心點，50km為單位的距離圈產(chǎn)品，其上可以疊加機場走廊，機場詳細信息，不含經(jīng)緯度。供用戶監(jiān)視和分析重要天氣的發(fā)生、發(fā)展和變化過程。同時，產(chǎn)品可以以指定圖片形式輸出，供共享使用。

多普勒天氣雷達的主要產(chǎn)品包括（表1）：

系統(tǒng)總體由兩部分組成，產(chǎn)品處理與產(chǎn)品顯示（圖1）。

產(chǎn)品處理：實時監(jiān)測雷達PUP目錄的變化，當(dāng)監(jiān)測到新的數(shù)據(jù)來到時，根據(jù)需要進行產(chǎn)品的二次計算并輸出二次加工產(chǎn)品，最終根據(jù)產(chǎn)品的樣式將雷達PUP產(chǎn)品和二級計算產(chǎn)品進行圖像產(chǎn)品的繪制，生成圖像產(chǎn)品文件。

產(chǎn)品顯示：通過IE、Firefox、Chrome等瀏覽器訪問部署好的WEB服務(wù)器，可以調(diào)閱雷達圖像產(chǎn)品，查閱用戶所關(guān)心雷達圖像產(chǎn)品，雷達圖形產(chǎn)品推送到前臺后、可以對雷達圖像進行放大、漫游、前翻、后翻、動畫等操作；同時可以根據(jù)需要進行空間地理信息圖層的疊加，用戶可以根據(jù)需要進行圖層顯示和隱藏。

產(chǎn)品顯示工具可定時向用戶推送最新的、用戶所關(guān)心的雷達產(chǎn)品圖片，用戶可對雷達產(chǎn)品圖片進行動畫播放。

2 主要功能

1）雷達產(chǎn)品處理子系統(tǒng)主要功能

基于PUP產(chǎn)品的目錄規(guī)范和命名規(guī)范，雷達圖像產(chǎn)品生成模塊監(jiān)測PUP數(shù)據(jù)文件目錄，當(dāng)新的PUP數(shù)據(jù)文件到達時，輪詢PUP數(shù)據(jù)所在的目錄。對新到的PUP進行處理，生成圖像產(chǎn)品文件。

①數(shù)據(jù)監(jiān)控

圖像產(chǎn)品生成模塊啟動后，檢測pup目錄下是否有新數(shù)據(jù)到達，若有新的數(shù)據(jù)到達，對新到達的數(shù)據(jù)進行處理。

②數(shù)據(jù)解析

針對已經(jīng)生成的PUP產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對雷達PUP數(shù)據(jù)進行解析，從數(shù)據(jù)文件中獲取PUP產(chǎn)品數(shù)據(jù)后調(diào)用繪圖功能進行圖像產(chǎn)品的繪制。

③投影變換

針對不同投影方式的地理信息數(shù)據(jù)，對雷達PUP數(shù)據(jù)進行極坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換，如笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，生成相應(yīng)投影下的雷達數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

④反演處理

對需要進行二次反演計算的產(chǎn)品，然后加載雷達數(shù)據(jù)反演算法，生成雷達二次反演數(shù)據(jù)產(chǎn)品，同時對二次產(chǎn)品進行圖像產(chǎn)品的繪制。

⑤圖形處理與規(guī)范化

產(chǎn)品文件存儲時將雷達產(chǎn)品生成的底色為透明，產(chǎn)品生成的格式設(shè)置為PNG（PNG透明圖向產(chǎn)品，便于疊加地圖等基本信息），實時生成雷達產(chǎn)品圖像文件，生成的雷達圖像文件按照指定目錄規(guī)范和和命名規(guī)范進行存儲，以便于根據(jù)時間條件、空間條件進行產(chǎn)品文件定位。輸出帶有機場中心點，50km為單位的距離圈產(chǎn)品，其上可以疊加機場走廊，機場詳細信息，不含經(jīng)緯度（圖2）。

2）雷達產(chǎn)品顯示子系統(tǒng)主要功能

產(chǎn)品加工將雷達圖像產(chǎn)品圖形圖片化后，發(fā)布在圖形服務(wù)器上，通過WEB瀏覽器進行調(diào)閱和交互操作，檢索調(diào)閱雷達圖像產(chǎn)品，查閱所關(guān)心雷達圖像產(chǎn)品，雷達圖形產(chǎn)品推送到前臺后、可以對雷達圖像進行放大、漫游、前翻、后翻、疊加、過濾等操作。

①產(chǎn)品檢索

產(chǎn)品文件按照各自的雷達站點和產(chǎn)品特征分別存放在不同的子目錄。系統(tǒng)會自動用新接收的產(chǎn)品代替過期產(chǎn)品。產(chǎn)品檢索實際上就是從本地數(shù)據(jù)庫中選擇滿足用戶需求的產(chǎn)品?？蛇x參數(shù)：雷達站點、產(chǎn)品名、產(chǎn)品號、體掃開始的日期（Date）和時間（Time）、數(shù)據(jù)級數(shù)（Level）， 分辨率（Resolution）， 仰角（Slice）等。

圖3是杭州多普勒天氣雷達2015年1月29日7時230km組合反射率產(chǎn)品，圖4是35dBz以上回波230km組合反射率30分鐘臨近預(yù)報產(chǎn)品。

②地理信息疊加

雷達圖像可以根據(jù)用戶關(guān)心的地理信息如省界、市界、縣界、市名、縣名、航線等地理信息進行疊加顯示。

③產(chǎn)品疊加

雷達圖像產(chǎn)品可以疊加掃描日期和時間等產(chǎn)品相關(guān)屬性，可做相關(guān)產(chǎn)品疊加顯示，如回波疊加速度。

④放大/縮小

被顯示的產(chǎn)品可以被放大1、 2、 4、 8 倍，背景地圖同時也被放大。放大的操作并不影響其它顯示功能。在沒有產(chǎn)品顯示的狀態(tài)下，也可以單獨對顯示的地圖進行放大。

⑤空間量算

提供空間要素的幾何量算功能，包括空間要素的距離量算功能和空間要素的地理特征要素量算功能。

空間要素的距離量算功能，可對點與點、點與線、點與面、線與線、線與面、面與面、任意線段的距離量算，且可以進行長度單位的設(shè)置。如量算出雷達回波到機場的直線距離。

空間要素的地理特征要素量算功能，通過鼠標(biāo)點擊點要素進行量算，量算出點要素的坐標(biāo)（X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)）。如量算回波所在的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

⑥動畫/動畫制作

如果選擇了多個產(chǎn)品形成循環(huán)隊列， 系統(tǒng)提供動畫顯示不同掃描時間的圖形產(chǎn)品演變。

暫停動畫（Pause）和停止動畫（Stop）是在播放過程中對動畫的控制命令，它們使動畫停在當(dāng)前幀或下一幀圖像產(chǎn)品。

向前（Forward）是指顯示循環(huán)隊列中下一時次的圖像產(chǎn)品，如果當(dāng)前顯示的產(chǎn)品處在隊首，則顯示隊尾的產(chǎn)品。向后（Back）是指顯示循環(huán)隊列中上一時次的圖像產(chǎn)品，如果當(dāng)前顯示的產(chǎn)品處在隊尾，則顯示隊首的產(chǎn)品。

加速、減速命令實際上就是改變動畫時幀之間的時間間隔（Rate），加速是減小時間間隔，減速是增加時間間隔。

動畫制作是把多個產(chǎn)品形成循環(huán)隊列顯示內(nèi)容保存為GIF設(shè)置動畫圖象，以便在其他平臺上和材料顯示、分析和應(yīng)用。

⑦區(qū)分數(shù)據(jù)級

圖形產(chǎn)品含有多重數(shù)據(jù)級，顯示時它們是以不同的顏色來區(qū)分的。為了突出某些數(shù)據(jù)級數(shù)的顯示，過濾功能就是將圖像中用戶選擇數(shù)據(jù)級數(shù)的顏色所對應(yīng)的區(qū)域用背景色代替，這樣它可以幫助操作員更清楚的辨認那些模糊不清的數(shù)據(jù)級。執(zhí)行顏色恢復(fù)能恢復(fù)圖象顯示的缺省狀態(tài)。

單色過濾

僅將選擇的顏色用背景色代替，也就是等于某一產(chǎn)品閾值的區(qū)域進行過濾。

向上過濾

將色帶中所選擇顏色以上色彩都用背景代替，也就是大于某一產(chǎn)品閾值的區(qū)域進行過濾。

向下過濾

將色帶中所選擇顏色以下色彩都用背景代替，也就是小于某一產(chǎn)品閾值的區(qū)域進行過濾。

顏色恢復(fù)

執(zhí)行該操作將使產(chǎn)品的顯示恢復(fù)為沒有進行過濾操作前的缺省狀態(tài)。

⑧產(chǎn)品保存

用戶可以把當(dāng)前被激活視窗的顯示內(nèi)容保存為PNG格式圖象，以便在其他平臺上和材料顯示、分析和應(yīng)用。

⑨隱藏產(chǎn)品

將當(dāng)前顯示視窗中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)置為不可見。

3 小結(jié)與展望

通過本系統(tǒng)，民航氣象用戶可實時監(jiān)測各機場及其附近雷達回波情況，及時判斷強對流天氣出現(xiàn)的概率和持續(xù)時間，通過客觀化臨近預(yù)報方法提供的臨近預(yù)報產(chǎn)品，用戶可每6分鐘一次，獲取未來2小時內(nèi)逐6分鐘定時、定點、定量的回波預(yù)報，大大提升了預(yù)報員工作效率和預(yù)報準(zhǔn)確性。

目前，民航氣象用戶正積極投入CDM協(xié)同決策系統(tǒng)的建設(shè)浪潮中，天氣雷達實況監(jiān)測與臨近預(yù)報數(shù)據(jù)將通過CDM系統(tǒng)深入整合管制信息，為實現(xiàn)民航氣象更好地為管制服務(wù)提供堅實和科學(xué)的手段。

【參考文獻】

[1]徐輝.30%的飛行事故與天氣有關(guān).http：//www.weather.com.cn/index/lssj/04/378 271.shtml[OL]，

[2]李箐.新一代多普勒天氣雷達. http：//news.weather.com.cn/2014/10/2214834.shtml[OL].

[3]周海光.新一代多普勒天氣雷達網(wǎng)探測數(shù)據(jù)對比分析系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用，2013，33（1）：270-275.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]