锡林浩特天气雷达组网系统设计及应用

谢东　王新清　郭永梅

摘 要：本文以锡林浩特天气雷达为中心，开展6部天气雷达组网系统的研发，涵盖单站产品、组网产品的生成和显示模块，建立了中心端和应用端的运行模式，设计了不同雷达的入网接口，既方便了旗县气象站的应用，又可以接入更多的局地雷达。经过试验运行，结果表明：锡林浩特天气雷达组网系统运行稳定，使用方便，大大改进了雷达观测和应用成效。

关键词：锡林浩特;天气雷达;入网接口

中图分类号：P412.25文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）15-0138-03

Abstract：Taking Xilinhot weather radar as the center， this paper carried out the research and development of 6 weather radar networking systems， covering the generation and display modules of single station products and networking products， established the operation modes of the center end and application end， and designed the network access interfaces of different radars， which not only facilitated the application of county weather stations， but also could access more local radars. The test results show that the Xilinhot weather radar networking system is stable and easy to use， which greatly improves the effectiveness of radar observation and application.

Keywords： Xilinhot;weather radar;network access interface

天氣雷达在天气监测、预警及防灾减灾等过程中发挥着重要作用。天气雷达组网系统在有效监测强对流天气过程中发挥着重要作用，不仅大幅度提升了气象灾害预警预报的准确率，而且在一定程度上推动了我国气象业务的发展。由于锡林郭勒盟地域辽阔，新一代天气雷达布网稀疏，不足以覆盖全盟范围的天气系统。基于业务的需求，将锡林郭勒盟1部新一代和2部非新一代天气雷达及其周边的3部新一代天气雷达进行组网，收集雷达基数据上传至处理中心，开展数据预处理、质量控制、单站产品生成及组网产品生成，将生成的产品通过网络进行区内外交换和共享，为内蒙古自治区天气监测预报预警服务提供支撑。6部天气雷达包括：锡林浩特新一代天气雷达（CA）、正蓝旗C波段713雷达、东乌旗全固态双偏振X波段天气雷达、乌兰察布集宁新一代天气雷达（CB）、霍林郭勒新一代天气雷达（CB）、张北新一代天气雷达（CB——升级SA）。组网的优势在于多部雷达重复获取的天气信息要比单部雷达更加精确全面，还可以在很大程度上解决因单部雷达观测的波束几何学原因（例如，静锥区、波束展宽、波束遮挡等）引起的很多问题。为了提高对中尺度灾害性天气的监测及预报预警能力，必须利用多部雷达的资料，对不同波段雷达资料进行组网拼图，以覆盖全盟各类天气系统，发挥多部雷达在天气监测、预报、预警中的作用。本文重点探讨了锡林浩特天气雷达组网系统的应用。

1 系统主要功能模块

第一，单站产品生成模块。单站产品生成模块通过读取基数据，解析生成基本产品数据，并调用专业的二次产品生成算法对回波强度数据进行产品生成处理，导出等高平面位置显示（Constant Altitude Plan Position Indicating，CAPPI）、组合反射率、回波顶高度、液态水含量、降水估算、累积降水等二次产品[1]。

第二，组网产品生成模块。在单站产品的基础上进行组网拼图，生成对应的组网产品，包括组合反射率、回波顶高度、液态水含量、降水估算、累积降水等产品。

第三，单站产品显示模块。单站产品显示模块负责各类单站产品的显示。其能通过打开文件方式打开指定的雷达数据，通过选择仰角查看不同仰角的基本产品，通过选择高度查看不同高度的反射率产品，能够显示该产品的各种必要信息，如图例、仰角、雷达位置、时间等[2]。

第四，组网产品显示模块。组网产品显示模块负责各类组网产品的显示。其能够通过打开文件方式打开指定的雷达数据，通过选择仰角查看不同仰角的基本产品，通过选择高度查看不同高度的反射率产品，能够显示该产品的各种必要信息，如图例、时间等。

2 系统设计

2.1 系统结构设计

雷达处理及产品显示系统自上而下划分为四层。

第一，界面层。用于与用户进行交互，供用户进行配置管理，接收用户请求，并且向用户显示各种雷达产品。

第二，应用层。应用层内部又划分为应用支撑层和业务应用层。其中，应用支撑层主要包括调度控制、数据管理、系统管理、产品显示等基础组件，为业务应用层提供支撑;业务应用层具有雷达单站产品生成、组网产品生成、雷达产品显示等核心功能[3]。

第三，数据层。数据层为应用层的业务处理提供数据支撑，主要包括提供业务处理过程中调用的各种算法组成的算法库，原始、单站产品数据和二次单站产品、组网产品组成的业务数据库，各种配置文件、日志数据组成的运行支撑库。

第四，基础设施层。基础设施层主要是为雷达处理及产品显示系统提供最基本的基础支撑，包括主机、存储、网络等硬件设施和操作系统等基础软件。

雷达处理及产品显示系统本质为“生产系统”，处理数据量较大，计算密集型的雷达产品生成应用有较高的稳定性和时效性要求，并支持一定的可扩展性，同时雷达产品显示应用还要为用户提供较为复杂的人机交互功能。基于以上特点，雷达处理及产品显示系统适合采用C/S体系结构。

基于雷达基数据进行雷达产品生成处理的部分可以按照配置连续自动运行，部署在服务器端，包括调度控制、数据管理、系统管理等基础组件。

基于雷达产品数据进行雷达产品显示操作的部分存在人机交互的要求，部署在客户端，除了可以按照配置自动显示、更新指定的产品外，还可以通过时间列表、产品列表指定产品来显示，包括产品显示基础组件、雷达产品显示核心功能组件以及产品显示界面。

2.2 系统功能设计

2.2.1 服务器端功能设计

2.2.1.1 基数据预处理。基数据预处理是对从各种探测系統接收到的基数据进行相应的解压缩、解密、解码、统一格式转换等处理，为数据的进一步加工处理做准备。基数据预处理流程为：①从文件系统中获取原始格式的基数据;②对基数据文件进行解压缩、解密、解码等处理，将数据还原为原始格式的基数据;③读取原始格式的数据文件，根据生成产品的需要，将不同型号同种探测系统的数据转换为统一格式[4]。

2.2.1.2 单站雷达产品生成。单站雷达产品生成是对每一个基数据进行处理，生成各类基本产品、二次产品。其处理流程为：①读取基数据;②对基数据进行处理，生成基础产品，包括回波强度、径向速度、径向谱宽、格点化回波顶高、垂直累计液态水含量等;③将当前时次成功处理的信息记录到对应数据列表中。

2.2.1.3 组网雷达产品生成。组网雷达产品生成是将全国多部雷达单站产品进行拼图处理，生成各类组网产品、二次产品。其处理流程为：①获取当前时间要进行组网处理的雷达单站产品数据;②解析所有雷达的单站产品数据;③将所有单站产品的网格化数据插值到空的全国组网数据上，并对重复部分进行合理处理;④输出组网产品数据。

2.2.1.4 基础支撑组件。服务器端基础支撑组件实现系统框架和服务层面的功能，主要包括调度控制设计、数据管理设计与系统管理设计等[5]。

调度控制设计主要是根据用户需求及配置策略对整个产品生成流程进行调度和控制，包括根据用户配置及数据类型选择数据处理过程等。其处理流程为：①获取用户设定的调度控制策略配置文件;②根据调度控制策略配置启动相应进程，并安排其执行时序;③输出调度控制状态信息。

数据管理设计主要由数据存储、检索与清除等组成。数据存储的主要功能是将数据存储到系统所在的本机磁盘上，并将相应的记录添加到数据库索引文件中。数据检索的主要功能是根据用户需求查询本地是否存在一个或一批数据，若存在，则返回存储路径。数据清理的主要功能是根据用户需求将指定数据从硬盘删除，并将相应的记录从数据库索引文件中删除。

系统管理设计由策略配置、参数配置、日志管理等几部分组成。策略配置是允许用户通过手工修改配置文件的方式进行基数据产品生成策略、任务启动时间策略、调度控制策略等配置。参数配置是允许用户通过手工修改配置文件的方式进行系统参数配置。日志管理指的是在系统运行过程中，系统日志记录产品生成和显示过程中产生的信息，并记录出错时相应的处理措施。

2.2.2 客户端功能设计

2.2.2.1 雷达单站产品显示。根据用户操作调用对应的后台接口读取指定的产品数据，进行绘制渲染，并在产品显示窗口显示。其处理流程为：①用户操作界面，系统调用后台接口获取雷达单站产品数据;②解析雷达单站产品数据;③调用图形引擎，根据雷达产品数据进行绘图;④将绘图结果显示到相应的图形显示窗口。

2.2.2.2 雷达组网产品显示。根据用户操作调用对应的后台接口读取指定的产品数据，进行绘制渲染，并显示到产品显示窗口。其处理流程为：①获取雷达组网产品数据;②解析雷达组网产品数据;③调用图形引擎，根据雷达组网产品数据进行绘图;④将绘图结果显示到相应的图形显示窗口。

2.2.2.3 基础支撑组件。客户端基础支撑组件实现系统底层支撑功能。将产品显示设计为一个独立的进程，属于服务类进程，为核心业务进程提供控制入口及绘图引擎。

产品显示：为上层雷达产品显示应用提供图形绘制引擎和显示控制支撑功能。其处理流程为：①接收来自雷达产品显示上层应用的绘图请求/显示控制命令;②解析绘图请求/显示控制命令;③根据解析结果，启动相应绘图功能/显示控制功能;④返回执行状态。

显示控制：负责获取用户在界面上对图形的控制操作，实现相应的显示控制，具体包括产品图形的拖拽漫游、放大、缩小、鼠标重新定位等。

图形引擎：提供必要的图形绘制功能，支撑上层图形显示应用。

2.2.3 系统外部接口。雷达处理及产品显示系统在运行过程中需要从所辖区域各雷达站获取雷达基数据，从所辖区域各地面站获取观测数据。雷达处理及产品显示系统外部接口设计如表1所示。

2.2.4 系统内部接口。雷达处理及产品显示系统内部主要是各部分与数据存储环境之间的数据交互接口，各接口设计如表2和表3所示。

3 系统应用

锡林浩特天气雷达组网系统在全盟范围运行，运行状态较为稳定，系统输出的雷达组网数据产品为锡林郭勒盟气象预报业务提供了极大的便利，且组网结果安全、可靠，为广泛应用于突发性灾害性天气的短临预报、预警提供有利支撑，在防灾减灾及上下游的联防中发挥着重要作用;为人工影响天气提供及时、准确的实况信息;对缓解锡林郭勒盟地区的旱情，合理开发空中云水资源，增加有效降水量具有积极意义。另外，天气雷达组网系统及雷达三维显示系统的应用，能够提供大量的雷达回波与二次产品，弥补了以往气象预报工作人员需要同时打开多个雷达显示软件查看附近天气状况的不足，为天气分析提供了极大便利，从而提高地区的防灾减灾能力，最大程度上降低气象灾害带来的损失。

参考文献：

[1]王红艳，刘黎平，王改利，等.多普勒天气雷达三维数字组网系统开发及应用[J].应用气象学报，2009（2）：214-224.

[2]毕明林，于跃，姚维华，等.朝阳新一代天气雷达在天气预报预警业务中的应用[J].现代农业科技，2014（24）：240-242.

[3]周海光.新一代多普勒天气雷达网探测数据对比分析系统[J].计算机应用，2013（1）：270-275.

[4]王建国，高玉春，朱君鉴，等.山东省新一代天气雷达组网业务应用[J].气象，2006（10）：102-106.

[5]李忱，张越，陈赢.气象雷达组网和网络气象雷达的发展[C]//中国气象学会.第26届中国气象学会年会第三届气象综合探测技术研讨会分会场论文集.中国气象学会，2009：588-592.