L波段雷达观测自动化开发与应用

2019-05-28王小娟张杰贾秋兰

农业与技术 2019年7期

王小娟张杰贾秋兰

摘要：高空气象观测是气象业务的基础，是天气预报、气候分析、科学研究和国际交换的气象情报和资料的主要来源。随着高空探测技术的不断发展，计算机技术的不断提高，高空地面一体化的不断深入，对高空探测系统软件自动化要求也越来越高，该文介绍了L波段软件观测自动化、时间相关及其图文对比，主要是采用C++语言，开发一套L波段雷达观测系统辅助软件，将其与L波段放球软件相关中，达到观测自动化的要求。

关键词：L波段；一体化；自动化；系统

中图分类号：S163 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190415066

*为本文通讯作者引言

高空气象探测系统是大气综合探测系统的重要组成部分，是人类了解大自然，了解天气变化的主要途径，是气象科学发展的基石。我国首个高空气象观测站于1930年1月建于南京北极阁，到20世纪50年代我国已建立120个探空站，与国际同步实施了世界天气监测（www）计划。

高空气象资料[1]为气象预报、灾害性天气监测、应急气象保障、气候变化研究以及气候资源开发提供重要气象信息，马力[2]等利用探空雷达资料对大气边界层特征进行分析，Р.Г.Рейтнба[3]等利用全球高空探测网资料及其处理方法对气温及自由大气参数的变化进行分析，杨梅[4]等利用探空资料为风廓线、GPS/MET水汽观测等高空遥感设备相对比对作为参考标准，周毓荃[5]等利用探空秒数据，计算分析不同云垂直结构，验证了相对湿度阈值判断云垂直结构方法的可行性。

随着科技的进步，越来越多领域需要高空资料的前提下，高空观测质量的提高显得尤为重要，周尚河[6]利用高空探测站的历史资料建立高空气候资料数据集，可以进行信息化格式检查、旬合计值检查、气候极值检查，张聪娥[7]对影响高空探测数据质量的因素进行分析，发现障碍物遮挡、电磁干扰、雷达保障能力不足都有影响，郭凤娟[8]发现净举力与探空高度在某种程度上呈现显著的正相关关系，总结出了不同天气下净举力的选取范围。

L波段高空观测系统软件是与L波段高空探测系统配套使用的组合软件，包括“放球软件”、“数据处理软件”、“文件备份软件”、“模拟训练软件”和若干工具软件，黄红梅[9]阐述了L波段雷达探测系统替代59-701C 型雷达探测系统的必要性，李伟[10]等对L波段高空气象探测系统基本功能及其操作进行了详细的描述，李建英[11]、周处强[12]等对L波段业务软件中存在的问题进行了探讨，随着高空地面一体化[13-15]的不断深入，高空探测技术[16-17]的不断发展，对L波段高空系统软件[18-21]的要求也越来越高。如何开发出更符合现代科技发展更自动化的软件成了一项重要的课题。

1 设计背景及现状

L波段雷达高空探测实现了自动抓球、自动跟踪、自动测距、自动数据分析处理和自动故障检测功能，与701相比显著提高了探测精度，降低了操作人员的劳动强度，但是在人员简配、提高效率以及减少错情等方面还存在一定的不足，特别是在中国气象局实施探空、地面观测一体化后，这些问题更加突出体现，主要体现在3个方面。

1.1 瞬间数据读取

瞬间数据读取无法自动完成，需要观测人员人工录入，不仅没有减少工作量，还增加了由于交叉值班造成数据读取、录入的错误。

1.2 报文发送处理

报文发出前，只能看到数字报文，对探测中出现的飞点、乱点以及测风数据中的数据跳变、跑球等问题难以直观发现，造成数据准确性有一定偏差。

1.3 错发现象处置

全国多次出现由于时间、日期错误引起的报文出错等现象，河北省也出现过2次以上的错发情况，致使发报错误整次观测记录作废。

1.4 小结

鉴于以上问题，有必要在目前L波段软件上开发自动读取自动站观测资料、报文图像形成以及时间相关等功能，实现高空探测中的瞬间气象要素观测全自动化，解决观测过程中由于报文编制、发送过程中出现的问题。

2 設计思路与方法

采用C++语言，开发一套L波段雷达观测系统辅助软件，将其与L波段放球软件相关中。

与L波段雷达观测系统辅助软件开发人员协作共同开发约定控件L波段软件对应的接口关系；研发读取自动站观测文件模块；解码L波段文件格式以及探空报文编码。

3 软件自动化及其相关功能

3.1 瞬间观测自动化

进行业务观测时，通过辅助软件搜寻自动站观测数据文件，按高空观测规范要求的时间调取、读取相应时间的观测数据，并将这些自动站观测到的地面气象要素数据显示在L波段放球软件瞬间观测值对应的位置，并按规范要求对仪器的合格与否做出判断，从而实现L波段自动瞬间观测的目的。

在自动气象站计算机上，将分钟常规要素文件所在的文件夹设置为共享，分钟常规要素文件名命名方法是AWS_M_Z_IIiii_yyyyMMDD.TXT，其中AWS表示自动气象站，M、Z为指示符，表示常规气象要素分钟数据；IIiii为区站号；yyyy为年份，MM为月份，DD为日期，月和日期不足2位时前面补“0”，TXT表示文件为ASCII文本格式。打开高空数据处理软件，进入本站常用参数，在文件路径页中对瞬间观测值读取位置中进行自动站的路径设置。

3.2 自动站观测数据远程显示软件

自动站观测数据远程显示软件可以在高空业务机端实时显示本局域网任何自动站的观测数据，方便高空站在放球时对输入的瞬间值进行检查。软件运行后界面所示，软件界面的左侧是自动站最新1min的观测数据，自动站每更新1组数据，软件也会同步自动更新显示数据，右侧是当天自动站所有的观测数据。如图4。

软件所有的操作都在左上角的系统菜单中，软件使用之前，需要先通过这个下拉菜单进行参数的简单设置，选系统菜单中的的“设置”菜单项，软件弹出图5的设置对话框，在对话框上设置本站站号和自动站分钟常规要素文件所在的文件夹，设置完毕后，按确定键，软件就会自动开始显示当天自动站的观测数据。下来菜单中“总在最上面”菜单项可以让软件窗口总在所有软件的最上面，保证软件不会被别的软件窗口遮挡，再次点击“总在最上面”菜单项，软件窗口恢复正常可以被其他的软件窗口遮挡。“刷新数据”菜单项可以手动刷新所有的数据。“显示最小界面”菜单项可以让软件界面改变成图6所示，同时菜单项名改成“显示全界面”字样。再次点击该菜单项，软件界面改回图4显示方式。

3.3 图文对比和时间相关

在报文形成之时，解码高空报文，形成观测要素图像，对比上月同一观测时间的各要素平均数据；同时对比报文形成时间与当前计算机时间，控制报文的发送。避免了由于时间错误引起的报文错情。

4 推广应用情况

该软件在完成期间，一直在邢台探空站的应急备份机上做试运行，运行2个月以后，在张家口和乐亭气象局应用。运行期间未出现因为瞬间输入错和时间错引起的错情，减轻了业务人员的工作量，提高了探测质量。

5 结语

随着现代化观测技术与观测设备不断发展，观测系统必将进一步提升气象观测水平，未来的高空探测将从人工观测向自动化观测发展，对软件系统的要求会越来越高，虽然观测系统软件已经趋于完善但仍存在一些细节方面的问题：当规定等压面、特性层、零度层、对流层顶在同一高度时（或重合时），气象要素值有一项或者多项有微小出入；探测过程中出现的明显飞点，不能自动删除，导致放球软件和数据处理软件进行高度替代斜距的时候出现不一致，如何解决这些问题，还需要在以后的工作中按照规范和软件要求进一步完善。

参考文献

[1] 中国气象局.常规高空气象观测业务手册[M]. 北京气象出版社. 2016：5.

[2] 马力，张银廷.L波段探空GFE（L）1型二次测风雷达资料在重庆大气边界层特征分析中的应用[J].气象科技，2008，36（1）：105-107.

[3] Р.Г.Рейтнбах，А.М.Стерин，В.А.Оржеховская，王冬枚.利用全球气象网高空探测资料分析自由大气温度变化趋势[J].气象科技，2000，36（2）：47-55.

[4] 杨梅，李玉林，单九生，黄少平，李贞风，黄祖辉，章义.新一代雷达风廓线与探空风廓线资料相关分析[J].气象，2006， 32（6）：20-24.

[5] 周毓荃，欧建军.利用探空数据分析云垂直结构的方法及其应用研究[J].气象，2010， 36（11）：50-58.

[6] 周尚河.全国高空资料质量控制和建库方法的研究[J]. 应用气象学报，2000，11（3）：364-370.

[7] 张聪娥.影响高空探测数据质量的因素分析[J].陕西气象，2014（3）：26-29.

[8] 郭凤娟，王曼，贾新军.净举力及常规可控气象要素对探空高度的影响研究[J].沙漠与绿洲气象，2018，12（3）：76-81.

[9] 黄红梅，徐钊远.L波段雷达探测系统的应用分析[J].气象水文海洋仪器，2010，27（4）：87-90.

[10] 李伟，刘凤琴，徐磊，赵均壮，韩晓峰.L波段高空气象探测系统软件[J].气象科技，2008，36（2）：237-239.

[11] 李健英，羅春丽，刘苹.L波段高空探测系统业务软件改进探讨[J].贵州气象，2012，36（4）：37-39.