基于新一代天气雷达产品预警系统设计研究与应用

张东明 卢兴来 王志诚 王 晗

(浙江省大气探测技术保障中心,浙江 杭州 310000)

0 引 言

新一代天气雷达是中小尺度灾害性天气最有效的监测工具。近年来，雷达观测数据共享、组网拼图、资料同化等业务研究和应用取得了显著的进展[1],新一代天气雷达业务软件已在业务中被广泛使用。雷达观测数据质量对上述业务研究和应用有重要影响。只有观测数据稳定精准，才可以为预报方法的改进提供科学的依据。

新一代天气雷达网在历次灾害性天气过程的预报服务中发挥了重要作用。随着雷达网不断扩大和精细化预报服务需求的增加,对雷达运行维护及回波数据质量提出了更高的要求。现行工作制度与业务流程存在一定的盲区,限制或影响了雷达性能的发挥,主要体现在以下两个方面。

(1)对雷达资源管理平台(PUP)数据没有进行综合分析初筛。以金华雷达站2020年3月10日雷达故障为例,雷达故障造成错误数据上传,最后以这个错误数据为基础产生的服务产品，产生了严重的不良影响。分析这次事故的原因,主要为在使用雷达观测数据之前，没有进行严格的质量控制,观测数据在雷达运行保障、信息传输、产品应用各环节，都没有进行回波准确性数据分析或预警。

(2)雷达强回波无有效自动预警手段提醒相关技术人员及时关注。从建设第一部新一代天气雷达开始,针对雷达的运行保障、回波分析、预报服务等，相继出台了一些工作制度和业务流程,明确了工作分工和岗位职责。但是,随着新一代天气雷达站数量的急剧增加,建立在人工基础上的各项工作制度和业务流程，无法满足新一代天气雷达运维、使用的需求,通过人工方式无法快速发现、解决或排除雷达运行中出现的软、硬件故障和错误回波数据输出问题,亟待通过技术手段,提高相关技术人员发现上述问题的时效。

1 雷达故障对探测技术的影响

新一代天气雷达由雷达数据采集系统(RDA)产生反射率、速度、谱宽3种基数据,通过网络传输到雷达产品生成子系统(RPG),RPG根据用户设定生产相应雷达产品,PUP读取RPG产品文件,供用户分析。随着新一代天气雷达组网观测技术的发展,雷达故障产生的异常数据和回波对雷达观测产品精准度的影响越来越大。

当雷达出现故障时,对雷达数据主要产生以下影响:(1)数据完整性出现异常或无数据。主要是雷达硬件系统出现故障,对探测数据的完整性会产生影响。根据统计分析可知，伺服系统故障会导致80%的数据不完整,发射机故障会导致90%的数据不完整,接收机系统故障会导致30%的数据不完整[2]。(2)数据位置信息错误。伺服系统故障常常影响探测数据的方位和仰角信息。当雷达探测数据的位置信息错误时,会导致相邻体扫回波的位置、范围突变，出现丝状回波、V形缺口等图形。(3)数据强度出现异常。分析表明，发射机或接收机故障是影响雷达数据强度信息异常的主要原因,如连续异常高的回波强度、无回波、回波强度无变化或呈规律性变化等,回波表现为相邻体扫强度、范围差别很大,出现环状、饼状回波等[3]。统计分析多年雷达运行情况发现，异常情况主要有3种:(1)空图。雷达看起来在正常运转,但是雷达所有产品数据均为零。(2)圆饼图。由于接收系统或信号处理故障,雷达会产生极值数据形成圆饼图。(3)部分极值图。可能在部分区域内充满极值[4]。

2 异常数据初筛识别方法

2.1 数据完整性信息识别

新一代天气雷达的数据完整性取决于仰角层数和扫描线数的完整,不同工作模式的仰角层数又存在差异。以浙江省雷达的工作模式为例,完整的扫描包括9个仰角11层数据,其中，在0.5和1.5的位置扫描2次,两条扫描线之间的方位角改变量一般小于水平波束宽度(1°),每个仰角层的扫描线大于360条才能闭合,每条扫描线的字节数为2432,文件大小应为9.6 MB左右[5-6]。当仰角层数为NA、每层扫描线数为NB时，数据完整性异常值为:

NA≠11或NB<360

(1)

2.2 数据位置信息识别

当天气雷达伺服系统发生故障时,会导致扫描线方位角错位或缺失,仰角值会突然增高或降低[7]。当相邻两条扫描线径向数据出现序号不连续、方位角之差的绝对值大于2°时,说明此时有扫描线的缺失或错位现象,只要出现一次，即可判断为出错。相邻扫描线的径向数据序号步长为ΔT,方位角之差的绝对值为ΔA。出错判断依据为:

ΔT≠1,ΔA>2°

(2)

2.3 数据强度信息识别

雷达故障导致数据错误会引起回波形态、范围和强度的变化,可能会出现饼状、环状等回波图[8]。气象回波在演变过程中,其移动速度、高度、强度等均有一定的合理限度,在时间和空间上的发展具有一定的延续性[9]。通过比较相邻体扫的回波特征参数，可以识别数据错误。需要对相邻的正常数据进行图像特征相关性分析，才能识别出错误数据[10]。

2.4 产品数据异常信息识别

基于数字图像处理技术的雷达回波初筛分析及预警系统,对新一代天气雷达典型产品进行数字图像处理,提取相关图像特征,形成各类判断指标,判定回波数据质量情况,推出报警或提醒等信息,部分实现雷达回波智能分析功能[11]。研究上述极值出现的情况,分析图像信息,设定阈值,推出报警信息,触发人工干预,避免这类异常数据连续多次传输,理论上可以实现最多一次错误数据传输。

(1)首先将雷达回波图每条径向上的数据解析出来,对一条径向上出现非零同值的现象进行特征值提取分析,并作出错误报警。

(2)针对雷达回波图相邻点位、区块点位进行阈值对比判断,将出现严重跳变的现象进行错误预警。

3 雷达产品预警系统技术实现

3.1 系统总体设计思想

基于雷达产品分析雷达故障报警系统采用C/S架构,可单机运行,基于面向对象模块化设计技术,使用图形、表格、声音、微信推送等方式实现系统展示、分析以及报警的功能,以满足雷达站的业务需求[12]。系统采用实时资料读取,解析新一代天气雷达PUP产品数据模块名称及块标记和包代码列表。基于模块化设计思想,系统由PUP产品文件头读取模块、数据记录读取模块、图形展示模块、数据分析研判模块等组成,全部自编程完成PUP产品读取解析。新一代天气雷达产品预警系统设计流程图如图1所示。

图1 新一代天气雷达产品预警系统设计流程图

3.2 系统数据解析

产品文件分为多个区块,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。产品数据可分为公共数据块、产品头块和产品数据块3个部分[13]。

系统通过读取PUP产品文件位置，实现自动数据解析,分解为公共数据块、产品头块、产品数据块3个模块。用户可通过解析模块查看当前雷达的参数值,实现雷达全参数追踪[14]。

为提高内存利用效率,系统通过指针变量或动态数组来存储和交换读取到的各数据记录,利用文件名中的产品标识或文件头中的产品号，识别产品类型,确定栅格数据、径向数据显示方式[15]。

3.3 系统功能实现

基于新一代天气雷达产品，预警系统分为设置栏、产品展示栏、PUP产品特征值分析栏、预警信息栏等。

(1)设置栏。该模块可以进行用户初始设置,实时查看文件变化,分析写入文件大小，并与常规数据文件比较;监控雷达的基本工作信息,例如天线高度以及工作频率等基础信息。图2为雷达产品基础数据模块。

图2 雷达产品基础数据模块

(2)产品展示栏。此模块可以对雷达产品数据进行绘制,实现回波图实时动态显示。图3为雷达产品数据回波反射率显示图。

图3 雷达产品数据回波反射率显示图

(3)PUP产品特征值分析栏。此模块可以对雷达回波强度进行统计分析,并对回波强度进行平均值、方差等计算。图4为PUP产品特征值分析功能实现图。

图4 PUP产品特征值分析功能实现图

计算新一代天气雷达产品整幅图的平均值、方差如下。

(a)平均值:

(b)方差:

S2=

(4)预警信息栏。系统通过后台算法实现报警及预警信息的展示,同步写入日志,准确记录报警、预警及人工干预信息。

4 结 语

目前，该系统已经在宁波、舟山雷达站试运行。系统通过对新一代天气雷达产品数据的完整性、位置信息和回波特征进行分析,研究提出相应的质量控制方法,并通过软件实现对新一代天气雷达产品数据的特征值提取,实现PUP产品完整性预警、数据位置识别预警、强天气预测预警、PUP产品回波分析预警等功能。相关结论如下。

(1)质量控制算法主要完成对扫描数据方位角和仰角信息数据完整性等进行比较。通过比较相邻体扫和临近的连续正常体扫数据回波特征参数,可以较好地实现系统对强回波以及错误数据的诊断。

(2)实现多种预警方式推送。根据划分的预警等级，以长音报警、短语音播报、微信推送等多种方式实现推送。系统及其产品已经在浙江省相关业务单位投入运行。

该系统尚存在一些不足,有待后期改进。

(1)系统功能尚存在不足。今后将根据全国天气雷达故障数据进行反推,通过训练实现雷达故障反推,对维护维修人员进行指导。

(2)今后将考虑采用回波投影精细化模块,通过分析处理图像数据，获取雷达回波矢量的大小与移动方向。