張東明 盧興來 王志誠 王 晗

(浙江省大氣探測技術(shù)保障中心,浙江 杭州 310000)

0 引 言

新一代天氣雷達是中小尺度災害性天氣最有效的監(jiān)測工具。近年來，雷達觀測數(shù)據(jù)共享、組網(wǎng)拼圖、資料同化等業(yè)務研究和應用取得了顯著的進展[1],新一代天氣雷達業(yè)務軟件已在業(yè)務中被廣泛使用。雷達觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量對上述業(yè)務研究和應用有重要影響。只有觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定精準，才可以為預報方法的改進提供科學的依據(jù)。

新一代天氣雷達網(wǎng)在歷次災害性天氣過程的預報服務中發(fā)揮了重要作用。隨著雷達網(wǎng)不斷擴大和精細化預報服務需求的增加,對雷達運行維護及回波數(shù)據(jù)質(zhì)量提出了更高的要求。現(xiàn)行工作制度與業(yè)務流程存在一定的盲區(qū),限制或影響了雷達性能的發(fā)揮,主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)對雷達資源管理平臺(PUP)數(shù)據(jù)沒有進行綜合分析初篩。以金華雷達站2020年3月10日雷達故障為例,雷達故障造成錯誤數(shù)據(jù)上傳,最后以這個錯誤數(shù)據(jù)為基礎產(chǎn)生的服務產(chǎn)品，產(chǎn)生了嚴重的不良影響。分析這次事故的原因,主要為在使用雷達觀測數(shù)據(jù)之前，沒有進行嚴格的質(zhì)量控制,觀測數(shù)據(jù)在雷達運行保障、信息傳輸、產(chǎn)品應用各環(huán)節(jié)，都沒有進行回波準確性數(shù)據(jù)分析或預警。

(2)雷達強回波無有效自動預警手段提醒相關(guān)技術(shù)人員及時關(guān)注。從建設第一部新一代天氣雷達開始,針對雷達的運行保障、回波分析、預報服務等，相繼出臺了一些工作制度和業(yè)務流程,明確了工作分工和崗位職責。但是,隨著新一代天氣雷達站數(shù)量的急劇增加,建立在人工基礎上的各項工作制度和業(yè)務流程，無法滿足新一代天氣雷達運維、使用的需求,通過人工方式無法快速發(fā)現(xiàn)、解決或排除雷達運行中出現(xiàn)的軟、硬件故障和錯誤回波數(shù)據(jù)輸出問題,亟待通過技術(shù)手段,提高相關(guān)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)上述問題的時效。

1 雷達故障對探測技術(shù)的影響

新一代天氣雷達由雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(RDA)產(chǎn)生反射率、速度、譜寬3種基數(shù)據(jù),通過網(wǎng)絡傳輸?shù)嚼走_產(chǎn)品生成子系統(tǒng)(RPG),RPG根據(jù)用戶設定生產(chǎn)相應雷達產(chǎn)品,PUP讀取RPG產(chǎn)品文件,供用戶分析。隨著新一代天氣雷達組網(wǎng)觀測技術(shù)的發(fā)展,雷達故障產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)和回波對雷達觀測產(chǎn)品精準度的影響越來越大。

當雷達出現(xiàn)故障時,對雷達數(shù)據(jù)主要產(chǎn)生以下影響:(1)數(shù)據(jù)完整性出現(xiàn)異?；驘o數(shù)據(jù)。主要是雷達硬件系統(tǒng)出現(xiàn)故障,對探測數(shù)據(jù)的完整性會產(chǎn)生影響。根據(jù)統(tǒng)計分析可知，伺服系統(tǒng)故障會導致80%的數(shù)據(jù)不完整,發(fā)射機故障會導致90%的數(shù)據(jù)不完整,接收機系統(tǒng)故障會導致30%的數(shù)據(jù)不完整[2]。(2)數(shù)據(jù)位置信息錯誤。伺服系統(tǒng)故障常常影響探測數(shù)據(jù)的方位和仰角信息。當雷達探測數(shù)據(jù)的位置信息錯誤時,會導致相鄰體掃回波的位置、范圍突變，出現(xiàn)絲狀回波、V形缺口等圖形。(3)數(shù)據(jù)強度出現(xiàn)異常。分析表明，發(fā)射機或接收機故障是影響雷達數(shù)據(jù)強度信息異常的主要原因,如連續(xù)異常高的回波強度、無回波、回波強度無變化或呈規(guī)律性變化等,回波表現(xiàn)為相鄰體掃強度、范圍差別很大,出現(xiàn)環(huán)狀、餅狀回波等[3]。統(tǒng)計分析多年雷達運行情況發(fā)現(xiàn)，異常情況主要有3種:(1)空圖。雷達看起來在正常運轉(zhuǎn),但是雷達所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)均為零。(2)圓餅圖。由于接收系統(tǒng)或信號處理故障,雷達會產(chǎn)生極值數(shù)據(jù)形成圓餅圖。(3)部分極值圖?？赡茉诓糠謪^(qū)域內(nèi)充滿極值[4]。

2 異常數(shù)據(jù)初篩識別方法

2.1 數(shù)據(jù)完整性信息識別

新一代天氣雷達的數(shù)據(jù)完整性取決于仰角層數(shù)和掃描線數(shù)的完整,不同工作模式的仰角層數(shù)又存在差異。以浙江省雷達的工作模式為例,完整的掃描包括9個仰角11層數(shù)據(jù),其中，在0.5和1.5的位置掃描2次,兩條掃描線之間的方位角改變量一般小于水平波束寬度(1°),每個仰角層的掃描線大于360條才能閉合,每條掃描線的字節(jié)數(shù)為2432,文件大小應為9.6 MB左右[5-6]。當仰角層數(shù)為NA、每層掃描線數(shù)為NB時，數(shù)據(jù)完整性異常值為:

NA≠11或NB<360

(1)

2.2 數(shù)據(jù)位置信息識別

當天氣雷達伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時,會導致掃描線方位角錯位或缺失,仰角值會突然增高或降低[7]。當相鄰兩條掃描線徑向數(shù)據(jù)出現(xiàn)序號不連續(xù)、方位角之差的絕對值大于2°時,說明此時有掃描線的缺失或錯位現(xiàn)象,只要出現(xiàn)一次，即可判斷為出錯。相鄰掃描線的徑向數(shù)據(jù)序號步長為ΔT,方位角之差的絕對值為ΔA。出錯判斷依據(jù)為:

ΔT≠1,ΔA>2°

(2)

2.3 數(shù)據(jù)強度信息識別

雷達故障導致數(shù)據(jù)錯誤會引起回波形態(tài)、范圍和強度的變化,可能會出現(xiàn)餅狀、環(huán)狀等回波圖[8]。氣象回波在演變過程中,其移動速度、高度、強度等均有一定的合理限度,在時間和空間上的發(fā)展具有一定的延續(xù)性[9]。通過比較相鄰體掃的回波特征參數(shù)，可以識別數(shù)據(jù)錯誤。需要對相鄰的正常數(shù)據(jù)進行圖像特征相關(guān)性分析，才能識別出錯誤數(shù)據(jù)[10]。

2.4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)異常信息識別

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的雷達回波初篩分析及預警系統(tǒng),對新一代天氣雷達典型產(chǎn)品進行數(shù)字圖像處理,提取相關(guān)圖像特征,形成各類判斷指標,判定回波數(shù)據(jù)質(zhì)量情況,推出報警或提醒等信息,部分實現(xiàn)雷達回波智能分析功能[11]。研究上述極值出現(xiàn)的情況,分析圖像信息,設定閾值,推出報警信息,觸發(fā)人工干預,避免這類異常數(shù)據(jù)連續(xù)多次傳輸,理論上可以實現(xiàn)最多一次錯誤數(shù)據(jù)傳輸。

(1)首先將雷達回波圖每條徑向上的數(shù)據(jù)解析出來,對一條徑向上出現(xiàn)非零同值的現(xiàn)象進行特征值提取分析,并作出錯誤報警。

(2)針對雷達回波圖相鄰點位、區(qū)塊點位進行閾值對比判斷,將出現(xiàn)嚴重跳變的現(xiàn)象進行錯誤預警。

3 雷達產(chǎn)品預警系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設計思想

基于雷達產(chǎn)品分析雷達故障報警系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),可單機運行,基于面向?qū)ο竽K化設計技術(shù),使用圖形、表格、聲音、微信推送等方式實現(xiàn)系統(tǒng)展示、分析以及報警的功能,以滿足雷達站的業(yè)務需求[12]。系統(tǒng)采用實時資料讀取,解析新一代天氣雷達PUP產(chǎn)品數(shù)據(jù)模塊名稱及塊標記和包代碼列表?；谀K化設計思想,系統(tǒng)由PUP產(chǎn)品文件頭讀取模塊、數(shù)據(jù)記錄讀取模塊、圖形展示模塊、數(shù)據(jù)分析研判模塊等組成,全部自編程完成PUP產(chǎn)品讀取解析。新一代天氣雷達產(chǎn)品預警系統(tǒng)設計流程圖如圖1所示。

圖1 新一代天氣雷達產(chǎn)品預警系統(tǒng)設計流程圖

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析

產(chǎn)品文件分為多個區(qū)塊,每個區(qū)塊描述一組信息。如站點配置塊用來描述雷達站的信息,包括經(jīng)緯度、天線架設高度等。產(chǎn)品數(shù)據(jù)可分為公共數(shù)據(jù)塊、產(chǎn)品頭塊和產(chǎn)品數(shù)據(jù)塊3個部分[13]。

系統(tǒng)通過讀取PUP產(chǎn)品文件位置，實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)解析,分解為公共數(shù)據(jù)塊、產(chǎn)品頭塊、產(chǎn)品數(shù)據(jù)塊3個模塊。用戶可通過解析模塊查看當前雷達的參數(shù)值,實現(xiàn)雷達全參數(shù)追蹤[14]。

為提高內(nèi)存利用效率,系統(tǒng)通過指針變量或動態(tài)數(shù)組來存儲和交換讀取到的各數(shù)據(jù)記錄,利用文件名中的產(chǎn)品標識或文件頭中的產(chǎn)品號，識別產(chǎn)品類型,確定柵格數(shù)據(jù)、徑向數(shù)據(jù)顯示方式[15]。

3.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

基于新一代天氣雷達產(chǎn)品，預警系統(tǒng)分為設置欄、產(chǎn)品展示欄、PUP產(chǎn)品特征值分析欄、預警信息欄等。

(1)設置欄。該模塊可以進行用戶初始設置,實時查看文件變化,分析寫入文件大小，并與常規(guī)數(shù)據(jù)文件比較;監(jiān)控雷達的基本工作信息,例如天線高度以及工作頻率等基礎信息。圖2為雷達產(chǎn)品基礎數(shù)據(jù)模塊。

圖2 雷達產(chǎn)品基礎數(shù)據(jù)模塊

(2)產(chǎn)品展示欄。此模塊可以對雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行繪制,實現(xiàn)回波圖實時動態(tài)顯示。圖3為雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)回波反射率顯示圖。

圖3 雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)回波反射率顯示圖

(3)PUP產(chǎn)品特征值分析欄。此模塊可以對雷達回波強度進行統(tǒng)計分析,并對回波強度進行平均值、方差等計算。圖4為PUP產(chǎn)品特征值分析功能實現(xiàn)圖。

圖4 PUP產(chǎn)品特征值分析功能實現(xiàn)圖

計算新一代天氣雷達產(chǎn)品整幅圖的平均值、方差如下。

(a)平均值:

(b)方差:

S2=

(4)預警信息欄。系統(tǒng)通過后臺算法實現(xiàn)報警及預警信息的展示,同步寫入日志,準確記錄報警、預警及人工干預信息。

4 結(jié) 語

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在寧波、舟山雷達站試運行。系統(tǒng)通過對新一代天氣雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整性、位置信息和回波特征進行分析,研究提出相應的質(zhì)量控制方法,并通過軟件實現(xiàn)對新一代天氣雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)的特征值提取,實現(xiàn)PUP產(chǎn)品完整性預警、數(shù)據(jù)位置識別預警、強天氣預測預警、PUP產(chǎn)品回波分析預警等功能。相關(guān)結(jié)論如下。

(1)質(zhì)量控制算法主要完成對掃描數(shù)據(jù)方位角和仰角信息數(shù)據(jù)完整性等進行比較。通過比較相鄰體掃和臨近的連續(xù)正常體掃數(shù)據(jù)回波特征參數(shù),可以較好地實現(xiàn)系統(tǒng)對強回波以及錯誤數(shù)據(jù)的診斷。

(2)實現(xiàn)多種預警方式推送。根據(jù)劃分的預警等級，以長音報警、短語音播報、微信推送等多種方式實現(xiàn)推送。系統(tǒng)及其產(chǎn)品已經(jīng)在浙江省相關(guān)業(yè)務單位投入運行。

該系統(tǒng)尚存在一些不足,有待后期改進。

(1)系統(tǒng)功能尚存在不足。今后將根據(jù)全國天氣雷達故障數(shù)據(jù)進行反推,通過訓練實現(xiàn)雷達故障反推,對維護維修人員進行指導。

(2)今后將考慮采用回波投影精細化模塊,通過分析處理圖像數(shù)據(jù)，獲取雷達回波矢量的大小與移動方向。