CINRAD/CC天气雷达标准格式基数据与现行业务格式基数据的对比分析

甄廷忠,陈关清,唐学军,张 琪

(1.云南省昆明市气象局，云南 昆明 650501；2.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300)

0 引言

我国新一代天气雷达监测网包括不同厂家多种型号的多普勒天气雷达，雷达数据资料的存储和应用多以基数据为主[1]，基数据是雷达获取的原始数据，包括回波强度、径向速度、速度谱宽等，以二进制形式保存成文件，即基数据文件[2-3]。以前，不同雷达厂家对基数据文件的存储格式有不同的定义[2-3]，给雷达观测资料的科学研究和业务应用带来不便，基数据的传输也以文件传输为主，传输时效性不高[4]。为解决这些问题，2017年在全国范围内实施组网天气雷达数据流传输试验方案，昆明和昭通天气雷达站被列为试点台站，通过新增雷达数据流传输软件，实现标准格式雷达基数据流的输出和上行传输，与现行基数据文件传输业务双轨运行[5],两种格式基数据的生成和上传示意图如图1所示。

图1 两种格式基数据的生成和上传示意图Fig.1 Generation and upload of base data in two formats

图中现行业务格式基数据是指按照中国气象局文件“关于印发《新一代天气雷达基本数据格式和显示要求》的函”(中气测发[2001]6号文)1.0版本格式存储的基数据。标准格式基数据是指2018年7月16日中国气象局综合观测司发布《天气雷达基数据标准格式(v1.0)》要求格式存储的基数据。

雷达数据流传输试验以来，气象业务人员积极开展雷达基数据业务切换工作，在开发最新业务应用软件的过程中发现标准格式基数据存在一些问题，会对气象业务服务工作造成比较大的影响，有必要对标准格式基数据的准确性加以验证。标准格式基数据是一种全新定义格式的数据，将在2019年替换现行业务格式基数据[6]，在新旧数据替换的过程中，也有必要科学、严谨的对新旧数据的完整性、准确性、差异性进行定性、定量的对比和分析。

1 两种格式基数据结构的对比

1.1 命名方式

现行业务格式基数据的命名格式为“yyyyMMddHH.mmx”[6],其中yyyy是4位数字，代表年；MM为两位数字，代表月；dd为两位数字，代表日；HH为两位数字，代表时；mm为两位数字，代表分；x代表扫描方式，如平扫(PPI)、高扫(RHI)、体扫(VPPI)、单库 FFT、等高PPI(CAPPI)5种方式，分别用 P、R、V、F、C 表示[7]。日期时字符串“yyyyMMddHH.mm”是指体扫结束时间。

标准格式基数据的命名格式为：“Z[T]_RADR_I_Iiiii_YYYYMMDDhhmmss_O_DOR_雷达型号_扫描方式_FMT.bin”[8]，其中Z[T]_RADR_I_为固定代码；Iiiii为雷达台站号，如昆明为Z9871；YYYYMMDDhhmmss为日期时间字符串(年月日时分秒)，是指体扫开始时间。

两种格式基数据的名称均包含了日期时间字符串和扫描方式等信息，现行业务格式基数据文件名比标准格式基数文件名缺少了雷达台站号、雷达型号两个信息，需要特别注意的是现行业务格式基数据以北京时间的体扫结束时间命名，标准格式基数据是以世界时间的体扫开始时间命名，文件名命名时间统一成世界时后相差6 min左右。

1.2 数据结构

现行业务格式基数据包括雷达信息和探测数据两个文件头，雷达信息文件头主要用来存储雷达站点经纬度、天线高度、观测时间、雷达参数等信息[9]，雷达信息区块的数据大小是固定的1 024个字节[10]；探测数据区块包括N个仰角(N根据观测模式的不同而不同)、每个仰角包括512个径向、每个径向有反射率因子、径向速度和谱宽3种基本数据，每种基本数据有由近及远依次排列的500个距离库数据[1]。现行业务格式雷达基数据的探测数据大小为：N×512×3×500=N×256 000个短整型(short int)数据，探测数据大小只与仰角层数成正比关系。

标准格式基数据分为多个区块，每个区块描述一组信息，如站点配置块用来描述雷达站的信息，包括经纬度、天线架设高度等。标准格式基数据可分为公共数据块和径向数据块两部分，如表1所示(其中N表示第N个仰角，M表示第M个径向，K表示第K个数据类型，I表示径向数据长度)。公共数据块用于提供数据站点信息、任务配置等公共信息；径向数据块用于存储天气雷达的探测资料，包括3个子块：径向头、径向数据头以及径向数据[11]。公共数据块数据大小为32+128+256+256×N=416+256×N个字节，数据大小与仰角层数成正比关系。径向数据块的数据大小为(64+32×K+I×K)×M个字节，数据大小与径向数量、径向数据长度、数据类型数量成正比关系。

两种格式基数据在数据存储顺序、存储类别和数据大小等方面都完全不同，但可以简单的理解为现行业务格式基数据是以体积扫描数据为单位存储，标准格式基数据是以径向扫描数据为单位存储。两种格式基数据的最大区别在于现行业务格式基数据每个仰角层的径向数为固定值512个，角度分辨率为0.7°；标准格式基数据每个仰角层的径向数不固定，为≤361的正整数，角度分辨率约为1°，比现行业务格式基数据的角度分辨率低0.3°。在实际业务运行中，标准格式基数据使用数据流传输，可能因传输软件不完善造成径向数据丢失。

表1 标准格式基数据整体结构Tab.1 Overall structure of standard format-based data

2 两种格式基数据在相同天气过程中的对比分析

2.1 昭通雷达在一次天气过程中对比分析

2017年08月24日20时20分，昭通南部地区出现强回波，并伴随雷电大风天气，如图2所示。

分别对比图2中a和b、c和d得知，昭通标准格式基数据存在径向强度数据缺失、径向速度数据失真(红色椭圆标注)和径向放射状回波减弱的现象(蓝色方框标注)，未出现回波强度明显减弱现象。通过编程读取两种格式基数据，得到图2a和图2b中红色方框范围内最大回波强度、最大回波强度所在方位和距离如表2所示，现行业务格式基数据红色方框内最大回波强度值比标准格式基数据大1 dBz，所在方位相差0.02°，距离完全相同。图2c和图2d正速度区蓝色方框内和负速度区红色方框内速度极值、其所在方位和距离如表3所示，现行业务格式基数据与标准格式基数据最大正速度值相同，其所在方位相差0.33°，距离相差3.3 km；最大负速度值也相同，其所在方位相差0.55°，距离相同。

图2 昭通2017年8月24日20时20分0.5°基本反射率(现行业务格式a、标准格式b)、径向速度(现行业务格式c、标准格式d)Fig.2 The Basic Reflectivity (current business format a, standard format b) and Radial Velocity (current business format c, standard format d) of 0.5 degree at 20∶20 on August 24, 2017 in Zhaotong

表2 昭通2017年8月24日20时20分现行业务格式0.5°基本反射率和标准格式0.5°基本反射率选定区域(红色方框)最大回波强度和最大回波强度所在方位和距离Tab.2 The azimuth and distance of the maximum echo intensity and maximum echo intensity in the selected area (red box) of 0.5 degree basic reflectance for Current Business Format and Standard Format at 20∶20 on August 24, 2017 in Zhaotong

表3 昭通2017年8月24日20时20分现行业务格式0.5°径向速度和标准格式0.5°径向速度正速度区选定区域(蓝色方框)和负速度区选定区域(红色方框)速度极值及其所在方位和距离Tab.3 The velocity extremum and azimuth and distance of positive (red box) and negative (blue box) velocity regionsof 0.5 degree radial velocity for Current Business Format and Standard Format at 20∶20 on August 24, 2017 in Zhaotong

2.2 昆明雷达在几次天气过程中的对比分析

2.2.1 天气过程1 2018年6月8日夜间受切变线、地面辐合线的影响，昆明主城及南部县区出现中到大雨，局部暴雨至大暴雨天气。雷达回波如图3所示。

分别对比图3中a和b、c和d得知，昆明标准格式基数据存在径向强度和速度数据缺失现象(红色椭圆标注)；标准格式基数据的回波强度比现行业务格式有明显减弱，伴随回波显示面积缩小[12-14]；现行业务格式基数据回波图有“扫尾”现象(图3a中红色箭头所示)。通过编程读取两种格式基数据，得到图3a和图3b红色方框范围内最大回波强度、最大回波强度所在方位和距离如表4所示，现行业务格式基数据红色方框内最大回波强度值比标准格式基数据大23 dBz，所在方位和距离完全相同。图3c和图3d正速度区蓝色方框内和负速度区红色方框内速度极值、其所在方位和距离如表5所示，现行业务格式基数据与标准格式基数据最大正速度值相同，其所在方位相差1.02°，距离相差0.3 km；最大负速度值相差2 m/s，其所在方位相差0.2°，距离相同。

图3 昆明2018年6月8日20时49分0.5°基本反射率(现行业务格式a、标准格式b)、径向速度(现行业务格式c、标准格式d)Fig.3 The Basic Reflectivity (current business format a, standard format b) and Radial Velocity (current business format c, standard format d) of 0.5 degree at 20∶49 on June 8, 2018 in Kunming

表4 昆明2018年6月8日20时49分现行业务格式0.5°基本反射率和标准格式0.5°基本反射率选定区域(红色方框)最大回波强度和最大回波强度所在方位和距离Tab.4 The azimuth and distance of the maximum echo intensity and maximum echo intensity in the selected area (red box) of 0.5 degree basic reflectance for Current Business Format and Standard Format at 20∶49 on June 8, 2018 in Kunming

表5 昆明2018年6月8日20时49分现行业务格式0.5°径向速度和标准格式0.5°径向速度正速度区选定区域(蓝色方框)和负速度区选定区域(红色方框)速度极值和其所在方位和距离Tab.5 The velocity extremum and azimuth and distance of positive (red box) and negative (blue box) velocity regionsof 0.5 degree radial velocity for Current Business Format and Standard Format at 20∶49 on June 8, 2018 in Kunming

2.2.2 天气过程2 2018年8月21日17—21时受辐合区影响，昆明市区出现了局地暴雨天气，并伴随短时强降水、明显雷暴活动、局地大风(19.3 m/s)等强对流天气，雷达回波如图4所示。

图4 昆明2018年8月21日19时02分0.5°基本反射率(现行业务格式a、标准格式b)、径向速度(现行业务格式c、标准格式d)Fig.4 The Basic Reflectivity (current business format a, standard format b) and Radial Velocity (current business format c, standard format d) of 0.5 degree at 19∶02 on August 21, 2018 in Kunming

表6 昆明2018年8月21日19时02分现行业务格式0.5°基本反射率和标准格式0.5°基本反射率选定区域(红色方框)最大回波强度和最大回波强度所在方位和距离Tab.6 The azimuth and distance of the maximum echo intensity and maximum echo intensity in the selected area (red box) of 0.5 degree basic reflectance for Current Business Format and Standard Format at 19∶02 on August 21, 2018 in Kunming

表7 昆明2018年8月21日19时02分现行业务格式0.5°径向速度和标准格式0.5°径向速度正速度区选定区域(蓝色方框)和负速度区选定区域(红色方框)速度极值和其所在方位和距离Tab.7 The velocity extremum and azimuth and distance of positive (red box) and negative (blue box) velocity regionsof 0.5 degree radial velocity for Current Business Format and Standard Format at 19∶02 on August 21, 2018 in Kunming

分别对比图4中a和b、c和d得知，昆明标准格式基数据的回波强度有明显减弱，伴随回波显示面积缩小，径向放射状弱回波减弱(红色椭圆框标注)；现行业务格式基数据回波图有“扫尾”现象(a、c中红色箭头所示)。通过编程读取两种格式基数据，得到图4a和图4b红色方框范围内最大回波强度、最大回波强度所在方位和距离如表6所示，现行业务格式基数据红色方框内最大回波强度值比标准格式基数据大29 dBz，所在方位相差1.09°，所在距离相差0.6 km。图4c和图4d正速度区蓝色方框内和负速度区红色方框内速度极值、其所在方位和距离如表7所示，现行业务格式基数据与标准格式基数据最大正速度值相差1 m/s，其所在方位相差0.75°，距离相差3.3 km；最大负速度值相差1 m/s，其所在方位相差0.61°，距离相同。

3 基数据读取及制图的正确性验证

开展数据流传输试验以来，中国气象局未下发标准格式基数据应用的权威软件，无法从正面证明基数据读取和制图完全正确。但通过编程开发了相同型号(CC)新旧批次(昆明为云南省最新批次，昭通为云南省最老批次)雷达的两种格式基数据在同一软件中的读取和制图，昭通标准格式基数据回波强度没有出现明显减弱的现象，从侧面证明昆明标准格式基数据回波强度明显减弱的正确性。

4 分析

昭通标准格式基数据与现行业务格式基数据在回波强度、径向速度及其所在方位和距离均相差较小。昆明标准格式基数据与现行业务格式基数据径向速度极值相差较小；部分方位超过1°的原因是标准格式基数据角度分辨率为1°，分属两个径向即有可能超过1°；部分距离超过1 km的原因是径向速度值在较大范围内都是同一个数值，距离在同数值区域范围内都是正常的。昆明现行业务格式基数据存在“扫尾”现象是操控计算机Windows系统影响，与基数据格式无关。

昆明和昭通都出现了标准格式基数据径向数据缺失和径向放射状回波减弱的现象。径向数据缺失的原因有：①雷达伺服系统运行时有跳动现象，现行业务格式基数据存储时可以补足径向数据，数据流传输时无法补足径向数据，造成标准格式基数据径向数据缺失。②径向数据流传输因网络或软件原因达不到时效要求，造成标准格式基数据径向数据缺失。径向放射状回波减弱的原因是标准格式基数据角度分辨率比现行业务格式基数据低0.3°。

昆明标准格式基数据比现行业务格式基数据回波强度严重减弱，回波强度极值减弱23～29 dBz，伴随回波显示面积缩小现象, 昭通未出现回波减弱现象。回波减弱的原因可以排除馈线、天线、接收机、信号处理和人为操作等[15-16]，可能的原因是昆明和昭通因雷达批次不同，雷达伺服系统有区别，导致数据流传输软件也不完全一样，数据流传输软件bug的可能性最大。

5 总结

气象雷达基数据标准格式的发布第一次在全国范围内实现了不同厂家、不同型号的天气雷达基数据格式的统一，为全国气象雷达数据提供了标准，有利于更加便捷、高效的开展全国气象雷达数据的业务应用。昆明天气雷达站从2017年6月开始执行天气雷达标准格式数据流传输以来，数据流传输软件运行稳定，数据传输时效较现行业务明显提高。对比昆明和昭通两个试点雷达站的标准格式基数据和现行业务格式基数据发现：

①两种格式基数据命名方式和数据存储结构不同。

②角度分辨率不同：现行业务格式基数据每个仰角层的径向数为固定值512个，角度分辨率为0.7°；标准格式基数据每个仰角层的径向数不固定，为≤361的正整数，角度分辨率约为1°，比现行业务格式基数据的角度分辨率低0.3°。

③标准格式基数据存在径向数据缺失和径向放射状回波减弱现象。

④部分批次雷达(如昆明)的标准格式基数据出现回波强度严重减弱，伴随回波显示面积缩小现象。昆明标准格式基数据回波强度极值减弱23～29 dBz，昭通无此现象。