多普勒雷达回波资料网格化设计_雷达回波网格点

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多普勒雷达回波资料网格化设计

马中元 , 聂秋生

（江西省气象科学研究所，江西 南昌 330046）

摘 要:对多普勒雷达回波资料转换为网格点资料的方法进行了初步设计，供MICAPS、SURFER等应用系统调用，为后续开展数值模拟工作创造条件。所使用的网格点精度有1×1、5×5、10×10、20×20 km，范围可单部或多部雷达，时间为每6 min 1次，产品有原始网格点文本、MICAPS数据格式、等值线图、向量图和网状结构三维图等，网上传输压缩比为90％。

关键词:多普勒雷达 网格点资料 MICAPS 数值模拟

中图分类号：P412.25 文献标识码：B 文章编号：1007－9033（2004）01－0040－03 系统流程设计

图1给出了多普勒雷达回波资料网格化处理系统的流程设计图。由图１可知，从原始雷达数据文件或GIF等图形文件中获取雷达数据，经单部或多部雷达回波资料预处理，再经CAPPI转换、坐标转换、回波强度同化后输出产品。产品主要有MICAPS数据格式的文件（供MICAPS调用）、网格点文本（供预报方法或数值模拟使用），以及等值线、向量图和网状结构三维图等产品。这些产品的地理信息分别由MICAPS和地理信息叠加模块提供。为提高网上传输速度，产品需经压缩后发布，其压缩比高达90％。所有产品的资料，由存储管理模块进行分类、压缩等处理，并按规定文件名进行存档管理。

图

1系统流程设计示意图 2 回波资料预处理和坐标转换

2.1 单部或多部雷达回波资料预处理 2.1.1 CAPPI处理

多普勒雷达以不同仰角作全方位体扫时，获取的是不同仰角上的PPI球坐标三维数据。按照不同的高度，应用雷达测高公式，直接选取该高度上的数据。如果该高度上没有数据，则在临近上下２个仰角之间插值选取数据。插值采用双线性插值法和加权平均插值法来提高数据精度。2.1.2 其它处理

将雷达回波资料转换为网格化资料还要对回波资料进行预处理，包括距离订正、回波衰减、地球曲率和波束宽度的影响等因素。其中将单部雷达或多部雷达回波资料转换成等高平面显示（CAPPI）资料十分重要。这种等高度平面上的回波分布，可以和临近天气图资料叠加在一起分析，同时还可以了解不同高度上回波信息的三维结构。2.2 GDI坐标系

Windows的图形设备界面GDI支持物理坐标系和逻辑坐标系[1]。物理坐标系是指物理设备（如视频显示

器）的直角坐标系。坐标原点（0，0）从显示屏的左上角开始，其x、y轴向右向下逐步递增。物理窗口的右下角对应着显示屏的右下角，常用的分辨率有（640，480）、（800，600）、（1024，768）等。逻辑坐标系分为若干种不同类型，Windows能够将当前显示屏上的坐标变换为物理坐标，然后再输出。例如GDI中的每个函数以及CDC类中的MFC包装方法，均使用逻辑坐标。2.3 坐标转换

多普勒雷达原始数据以雷达扫描的极坐标方式存储，是经过雷达气象方程和地物杂波抑制处理后的基本数据。雷达数据的网格化处理，首先要将以极坐标表示的雷达回波资料，转换为兰勃托投影的地理经纬坐标和相对应的x、y直角坐标。其变换公式如下［２］：网格点的回波强度值

多普勒雷达回波资料的取样精度为1 km，通过CAPPI处理和坐标转换，可以获得不同高度上的1×1 km网格化处理资料。虽然在转换过程中，一些网格点上的回波强度值会因距离较远、波束较宽而出现“盲点”，但通过采用“逼近法”原则选取该网格点上的临近回波强度值，误差可以减小。有了1×1 km网格化资料，就可以很容易地将其转换为5×5 km、10×10 km、20×20 km等任意精度的网格化资料。

对于网格点区域内的各个回波强度值的确定，有3种同化方法：一是“逼近法”，选取最靠近网格点的回波强度值作为该网格点的回波强度值；二是“平均法”，将网格点区域内的回波强度值求平均值；三是“最大法”，选取区域内最大回波强度值作为该网格点的回波强度值。

在多部雷达组网拼图时，由于受到雷达标定差异和其它因素的影响，可能不同雷达探测到的同一网格点上的回波强度值不相同，而造成回波强度值重叠误差（系统误差）。为了更好地突出强对流天气的回波强度值，可以采用“最大法”来确定该网格点上的回波强度，即忽视较弱的回波而选取较强的回波来同化重叠网格点上的回波强度值。4 MICAPS数据格式

MICAPS的主要用途是为预报员提供１个业务预报的工作平台，具有很强的人机交互和二次开发功能。多普勒雷达回波资料网格化处理系统可将雷达回波资料处理为２类MICAPS数据格式：第４类经纬度网络点数据格式和第１３类图象数据格式。4.1 第４类经纬度网格点数据格式

（１）文件头： 第一行是文件标题（字符串型）。如：diamond 4 95年11月27日T63_200 hPa涡度120 h预报。第二行是数据说明（数据之间用空格隔开）。

（２）数据： 数据按先纬向、后经向依次存放，均为浮点数，数据之间用空格隔开。

以上是标准的MICAPS格点数据文件格式。将雷达回波资料处理为上述数据格式时，要将时效改为分钟数，层次改为仰角数。格点数据可以用MICAPS中的绘制等值线的功能来显示等值线图，或与其它天气图进行叠加，还可以应用在预报方法或数值模拟等场合。

4.2 第１３类图象数据格式

（１）文件头： 第一行是文件标题（字符串型）。如： diamond 13 97年2月10日08时红外云图。第二行是数据说明（数据之间用空格隔开）。整个文件头共128个字符。其中投影方式定义为1－Lambert、2－ Mecator、3－北半球和4－南半球，图象类型定义为1－红外云图、2－雷达拼图、3－地形图、4－可见光云图和5－水汽图。

（２）数据：为了节省磁盘空间，图象数据使用二进制格式，1个象素占1个字节（256色）；先X方向，后Y方向，根据图象尺寸大小依次排列存放。

以上是标准的MICAPS图象数据文件格式。将雷达回波资料处理为此类数据格式时，文件头作３点修改：一是在投影方式中增加5－直角坐标，二是在图象类型中将2－雷达拼图改为2－单部雷达或雷达拼图，三是雷达回波资料的分钟数和仰角数在系统保留的16个字节中用前8个字节表达。5 产品的输出

多普勒雷达回波资料网格化处理系统除了生成MICAPS 2类（格点和图象）数据产品外，还输出等值线图、向量图、网状结构三维图和一些中间数据文件。为了提高网上传输速率，产品输出模块还通过WinRAR压缩软件，将产品进行压缩处理，压缩比高达90％。所有输出产品都通过历史资料存储管理模块来管理，根据存储空间的大小，可以指定实时使用的数据保存天数和历史数据保存天数。5.1 等值线、向量和网状结构三维图

图2是2002年4月5日9时10分强对流天气过程的实况、等值线和网状结构三维图。从图２可以看出，用SURFER处理后的等值线和网状结构三维图与实况对应较好。

图

2实况（a）、等值线（b）和网状结构三维图（c）

5.２ 历史资料存储管理模块

历史资料存储管理模块对所有输出产品进行管理，项目主要有：指定实时使用的数据保存天数和历史数据保存天数、历史数据的压缩处理、产品的分类和文件名的定义、数据库资料的清理和拷贝等。5.３ 地理信息的叠加

生成的MICAPS ２类（格点和图象）数据产品的地理信息由MICAPS自身提供，本系统输出的等值线图、向量图、网状结构三维图的地理信息，由地理信息叠加模块提供。

地理信息叠加模块提供省边界、地区界、县市界、地名、公路铁路、水系等地理信息，这些信息由Arcview和Arcinfo等GIS软件生成，可随时叠加到产品图中。

参考文献李晓远，贾滇昆，郭庆民.Visual C++ 多媒体特效制作百例［Ｍ］.北京：中国电力出版社,2001.2 张培昌，李晓正，顾松山.天气雷达组网拼图的四维同化方法［Ｊ］.南京气象学院学报，1989，12（3）：22～28.