基于茂名市GIS新一代C波段多普勒天气雷达（CINRAD／CCJ）基数据的应用

李子平，周钦强，张来添，张兴铃

（1.茂名市气象局，广东茂名 525000；2.信宜市气象局，广东信宜 525300）

近年来，突发性短时强降水引发的洪涝、滑坡、泥石流、城市内涝等灾害时有发生，给人民生命财产造成巨大损失。新一代天气雷达能为突发性强灾害天气的监测和预警提供重要的监测手段，充分利用好新一代天气雷达的资料［1］，能提高灾害性天气的预警能力、气象服务能力和防灾减灾能力，做好突发性强灾害天气的监测和预报预警服务已成为各级气象部门气象服务的重要内容［2］。如何将天气雷达的观测数据和精细化地理信息系统（GIS）相结合，利用GIS提高雷达数据的可视化程度和人机对话功能［3］，为政府、公众和其他专业用户提供精细化气象服务，努力做到“监测精密，预报精准，服务精细”的要求，已成为基层气象部门一项重要任务。

在地理信息系统（GIS）与雷达基数据资料结合一起应用在气象防灾减灾方面已有许多专家和学者做过研究，例如陈海泉等［4］研究了雷达和自动气象站资料在GIS中的同步显示；张录青等［5］研究了基于GIS技术的韶关市地质灾害预报预警系统；伍志方等［6］研究了基于GIS的广东新一代天气雷达综合应用系统；黄锦灿等［7］研究了基于GIS几何对象模型和分布式实时数据流处理框架对多台雷达产品进行快速处理和网络传输；熊文兵等［8］研究了基于GIS技术和天气雷达的短临预警平台；李赟［9］研究了基于GIS的新一代天气雷达组网拼图；江峰［10］研究了基于GIS的雷达回波图系统的设计与实现；黄永璘等［11］研究了GIS在广西山洪灾害预警中的应用；莫建飞等［12］研究了基于GIS的广西溪河洪水型山洪沟空间分布特征。另外，段蕾等［13］介绍了一种利用ArcGIS开发地理信息系统应用在雷达数据方面的方法，如果地理信息数据源可靠，在C＃开发环境下自行开发GIS系统在技术层面上是可以的，因此，结合部署在茂名信宜的新一代C波段多普勒天气雷达，自行开发满足于茂名市基层气象部门业务需求的茂名市精细化GIS系统也是可行的。

1 设计与实现

茂名市精细化地理信息系统（GIS）以Mapinfo的乡镇图层数据为信息源，在C＃中读取经纬度的点阵列，采用等距离柱投影的方式，实现地理信息图层的绘制。利用C＃控件组合和控制技术，完成透明图层的叠加和显示，实现对地理信息系统放大、缩小、拖动等基本操作功能，并在地图窗口显示雷达回波数据，使用户方便、直观看到雷达回波资料的时空分布［14］。

1.1 地级市、县、乡镇数据获取

在Maninfo软件中打开“乡镇图层”原始基础TAB格式数据，在菜单“表”的下拉菜单中选择“转出”，将TAB格式数据地图表转换为MIF格式的中间交换文件数据及MID属性文件数据，MIF数据及注释如图1所示。

图1 边界线图元数据及注释

1.2 投影方式及坐标系转换

地理信息图形的绘制涉及地图投影，而等距圆柱投影是地图投影开发中最常见的方法之一，该投影适合于低纬地区制图。天气雷达探测范围覆盖是以固定距离R为半径的圆，雷达图显示区域为边长2R的正方形区域［15］，与等距圆柱投影的特点相吻合，茂名市地处低纬地区，故采用等距圆柱投影。茂名市精细化GIS坐标系的转换包括在绘制地图时将经纬度坐标转换为屏幕坐标，与地图交互操作时将屏幕坐标转换成经纬度坐标，转换函数如下：

1.3 GIS信息图层绘制的设计与实现

在自行开发的GIS中，为避免雷达回波图与GIS信息面图元之间颜色的重叠和交叉冲突，GIS信息图层在显示窗口上绘制成线图元和点图元。线图元图层含信宜雷达半径覆盖及茂名市各辖区县市、区的行政区域范围。各行政区域图层的MIF文件数据及注释如图1所示，文件包含文件头和数据区，数据区包含曲线数据和直线经纬度数据。点图元图层含信宜雷达半径覆盖及茂名市辖区各县市、区和乡镇的行政驻点图层。相关地级市、县级市和乡镇的名称及驻点经纬度通过Maminfo提取，和线图元一样取转为MIF和MID格式文件，通过读取相关经纬度数据后转换为屏幕坐标点，同时读取对应属性配置文件中对应的驻点显示设置信息，在相应的坐标点处完成绘制相应的图标和显示名称。绘制GIS信息图层时，先设定显示区域的经纬度范围和视图中心点经纬度，屏幕显示的鼠标滚轮滑动触发事件函数，对显示区域范围内经纬度进行一定比例放大或缩小，后台函数重新绘制和显示GIS信息，实现地图的放大或缩小。茂名精细化GIS地理图层如图2所示，GIS信息图层采用线图元和点图元各自分层控制，线图元含市、县两级行政区划边界和雷达距离圈图层；点图元包含市、县、乡镇驻地三级GIS图层。

图2 精细化GIS地理图层控制层（a）和市县镇三级GIS图层（b）

2 CINRAD／CCJ天气雷达基数据解析和回波图成像绘制

2.1 CINRAD／CCJ天气雷达基数据文件结构及解释

广东茂名信宜的新一代C波段多普勒天气雷达（CINRAD／CCJ）是中国气象局用于国内气象业务组网探测的新一代C波段全相参多普勒天气雷达。该雷达能够监测400 km内的热带气旋、暴雨等大范围强降水目标，有效监测和识别距离大于150 km的龙卷、雹云、冰雹等中小尺度强天气现象，径向风速测量的范围达到±36 m／s，是分析茂名北部山区中小尺度天气系统、应对突发强对流灾害性天气的有力工具。

根据中国气象局观测司下发的《天气雷达基数据标准格式（V1.0版）》规定，标准天气雷达格式基数据可分为公共数据块和径向数据块两部分。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。CINRAD／CCJ如采用VCP21模式进行体扫，在6 min之内9个仰角完成9次扫描，每层包涵3个产品，即回波强度（Z）、径向速度（V）、速度谱宽（W），基数据采用二进制文件存储［16］，不能直接查看应用，整个基数据文件由一个文件头（公共数据块）和基于极坐标系的原始数据（512个径向数据块）组成。在基数据读取过程中，首先读取的是存储在二进制文件中的头文件（公共数据块），获取CINRAD／CCJ型天气雷达基数据的描述信息，如雷达所在经纬度、观测起始时间、回波类型、天线仰角等，再对数据块各个径向数据顺序读取，直到所有径向数据读取完毕。

2.2 坐标转换（极坐标-平面坐标）

雷达扫描结果生成的基数据以极坐标的方式进行存储，因此为了在平面坐标系中显示雷达的回波图，需将极坐标转换为平面坐标。不同型号的天气雷达体采用的体扫模式不一样，同一体扫中各仰角的径向距离库也不相同，为了尽可能保留雷达扫描出来原始数据，以所需仰角层的雷达径向的距离库值来确定平面大小。预设雷达扫描层的径向距离库数为n，则雷达扫描到的平面图像覆盖面积为半径等于n像素的圆，平面即是这个圆所外接的最小正方形，大小为2n×2n像素，如图3所示。

图3 雷达回波平面图和任意P点示意图

平面内4个角坐标分别为（0，0）、（2n，0）、（0，2n）和 （2n，2n），中心点坐标为（n，n），即雷达站经纬度位置。在平面中循环扫描横坐标和纵坐标，定位平面内任意P（x，y）点，根据三角函数关系算出P（x，y）的方位角为

P（x，y）点的距离库为

雷达波束径向分辨率为i，循环一个体扫各仰角层径向数据，得到任意径向的方位角α（°），则该体扫的径向覆盖范围为根据算出来的结果，如是该值则P（x，y）点处于径向覆盖范围内，在该径向数据库内读取显示的第K（0≤K＜n）个要素数据，根据查询到的雷达回波图色标值RGB对照表，填充P（x，y）点颜色，循环平面上对应所有点，直至整张雷达回波图绘制完成。

3 结合雷达产品在气象服务中的应用

受2019年第11号台风“白鹿”残留云系和西南季风共同影响，2019年8月26日茂名北部的信宜市出现大雨到暴雨，局部大暴雨到特大暴雨的降水过程，25日20：00—26日20：00（北京时，下同）的过程雨量如图4所示。

图4 2019年8月25日20：00—26日20：00累计降雨量（单位：mm）

部署在茂名信宜的新一代C波段多普勒天气雷达准确地观测到该次强降水过程的资料，2019年8月26日02：40的雷达组合反射率和1.5°仰角基本反射率回波图如图5b和图5a所示。从1.5°仰角基本反射率回波图上看，01：24强回波的最大值达到55 dBz，叠加茂名GIS系统市县和乡镇的图层并放大，可以明显地看到01：24强降水云团在信宜北面的广西容县、岑溪和广东罗定滨镇和新乐镇一带。

图5 2019年8月26日01：24茂名信宜雷达1.5°仰角基本反射率（a）和组合反射率（b）（单位：dBz）

根据时间前后之间雷达产品的推断，该云团正在缓慢地向信宜东北方向移动并有加强的趋势。根据云团的分布、移动速度和移动方向等各方面的综合判断，信宜市气象局值班员于26日01：29开始通过预警平台先后发布了暴雨黄色、橙色和红色预警信号。

统计区域自动气象站监测到的实时雨量信息情况。03：40信宜市贵子镇自动站5 min雨量为22.2 mm，与实时雨量对应的03：42雷达回波图如图6。

图6 2019年8月26日03：42茂名信宜雷达回波（单位：dBz）

另外，信宜新一代C波段多普勒天气雷达产品和茂名精细化GIS信息系统进行叠加定位，反映在GIS上的强降雨云团位置与实际降雨区域在定位上有一定偏差，经对自动站观测时间与雷达扫描的时间差对比和地图粗略测量，偏差距离约为0.5～1 km。叠加到GIS的雷达回波产品主要分为PPI和CAPPI两类，在径向距离产生误差的原因一是投影、二是地球曲率。通常的做法是将CAPPI产品叠加显示在GIS上，PPI产品比较少用，这种做法可以带来另一种好处，就是快速，便于监测快速变化的回波，本应用是采用0.5°或1.5°两种仰角PPI直接叠加。沿着雷达波束向外，随着径向距离的增加，距地面的高度也在增加，通过三角函数计算得出，1.5°仰角的PPI产品，距离100 km的回波，距离地面高度约2.62 km，平面投影误差约35 m；200 km的回波，距离地面高度约5.24 km，平面投影误差约70 m，在远距离处，由于最低仰角获取到的数据离地面有一定高度，有可能探测不到真正的最高仰角回波强度，所以，近距离的投影误差可以忽略，但远距离，尤其是高仰角PPI产品的投影误差则无法避免。

4 结论

本研究用Mapinfo公共数据资源接口为数据源，利用C＃环境下的控件组合与控制技术，采用等距圆柱投影的方式实现精细到乡镇的茂名市精细化地理信息系统（GIS），以茂名市精细化GIS为基础，描述了新一代C波段多普勒天气雷达（CINRAD／CCJ）标准格式基数据的解析、绘图过程，完成了雷达观测产品图与茂名市精细化GIS的匹配。茂名市精细化GIS与茂名信宜CINRAD／CCJ新一代天气雷达的产品进行叠加应用，优点是能根据GIS信息进行快速判断定位回波位置，提供便捷的决策参考依据；缺点是PPI雷达产品以雷达为中心直接叠加在GIS平面系统上，沿着雷达波束向外，随着径向距离的增加，距地面的高度也在增加，测量、投影和定位叠加等误差也会增加，因此本研究应用近距离的投影误差可以忽略，但远距离高仰角PPI产品的投影误差则无法避免，这需要业务人员在使用前对当地的地形地貌和各县的地理环境情况大概有所了解。