黃紅兵 趙利民

【摘要】本文介紹了哈爾濱機場基于多普勒天氣雷達、進行雷達回波自動外推的強對流臨近預(yù)報業(yè)務(wù)平臺。該業(yè)務(wù)平臺充分利用多普勒天氣雷達、局域網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備資源，采用交叉相關(guān)算法，通過分析回波在連續(xù)時次的空間最優(yōu)相關(guān)，計算回波的移動矢量特征，根據(jù)移動矢量特征推算回波未來0-1h位置和形狀，進而發(fā)布強對流臨近預(yù)報預(yù)警。經(jīng)應(yīng)用表明，該平臺外推的回波圖像與實際狀況接近，對雷雨季節(jié)開展航空氣象服務(wù)工作具有較高的應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】強對流;臨近預(yù)報;雷達回波;交叉相關(guān)算法

1.引言

眾所周知，在雷雨季節(jié)里，強對流天氣不僅危及飛行安全，還常造成民航機場航班大面積備降、返航和延誤。加強對強對流天氣的研究，提高其短期預(yù)報準確率和臨近預(yù)報效率，對確保飛行安全、提高航班正常率具有重要的意義。為此，民航黑龍江空管分局組成了一個雷暴科研組，在前期科研成果[1]的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計、研制了一套新的哈爾濱太平國際機場雷暴分析預(yù)報系統(tǒng)，實現(xiàn)了3個主要功能：一是實現(xiàn)了雷暴天氣形勢的自動相似判別，二是實現(xiàn)了雷暴出現(xiàn)概率0-24h短期預(yù)報;三是實現(xiàn)了強對流天氣0-1h臨近預(yù)報預(yù)警。本文主要介紹其中的強對流臨近預(yù)報業(yè)務(wù)平臺（以下簡稱業(yè)務(wù)平臺）的設(shè)計、研制和應(yīng)用情況。

2.設(shè)計研制介紹

業(yè)務(wù)平臺的設(shè)計、研制工作始于2011年4月，初級版本完成于2012年4月，2012年5月并網(wǎng)投入試驗，2012年9月通過民航東北空管局驗收并投入業(yè)務(wù)運行，2014年3-6月根據(jù)新的業(yè)務(wù)和技術(shù)需要完成了技術(shù)改造和軟件升級，并隨即投入業(yè)務(wù)運行。

2.1 硬件設(shè)計

業(yè)務(wù)平臺及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的硬件組成結(jié)構(gòu)設(shè)計為3部分，其一為雷達探測部分，其二為雷達回波數(shù)據(jù)文件的儲存、傳輸和交換部分，其三為業(yè)務(wù)平臺綜合分析處理部分，其中：1）雷達回波的探測由機場配置的天氣雷達來實現(xiàn)，并以引接的省臺天氣雷達為備份;2）雷達回波數(shù)據(jù)文件的儲存、傳輸和交換等由機場配置的氣象局域網(wǎng)來實現(xiàn);3）業(yè)務(wù)平臺綜合分析處理部分由1臺工作站和1臺A4激光打印機組成，并配備報警音響（如圖1所示）。

圖1 業(yè)務(wù)平臺及關(guān)聯(lián)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，哈爾濱機場目前配置的天氣雷達，為民航黑龍江空管分局2010年9月新引進的國產(chǎn)ADWR型C波段多普勒天氣雷達，該雷達已于2011年4月經(jīng)中國民航局批準后在哈爾濱機場正式投入業(yè)務(wù)運行;該雷達強度場有效探測半徑為200km，天線俯仰范圍為00-90o，探測定位分辨率為0.1o×150m，探測時間步長設(shè)定為6min;該雷達在完成探測后隨即對強度場基本數(shù)據(jù)進行噪聲門限及距離訂正、標校等處理，還經(jīng)進一步處理后輸出多種二次產(chǎn)品。圖1中所示的省臺天氣雷達是從黑龍江省氣象臺引接的天氣雷達，其型號與機場天氣雷達相似。這兩部雷達的回波數(shù)據(jù)文件在完成處理及本機存檔后又另存入氣象局域網(wǎng)，以備業(yè)務(wù)平臺調(diào)用。

2.2 軟件研制

業(yè)務(wù)平臺主體軟件和終端操作軟件設(shè)計在Windows XP及以上環(huán)境下運行，其開發(fā)語言使用C#，其基本結(jié)構(gòu)按功能和研發(fā)技術(shù)的需要，設(shè)計劃分為數(shù)據(jù)讀取維護單元、數(shù)據(jù)插值處理單元、外推計算告警單元、綜合業(yè)務(wù)功能單元，其操作主窗體界面如圖2所示。限于論文篇幅，業(yè)務(wù)平臺軟件的編程過程及其相關(guān)技術(shù)措施、軟件操作方法等不再詳細介紹。

圖2 業(yè)務(wù)平臺操作主窗體示意圖

2.3 技術(shù)指標

為業(yè)務(wù)平臺設(shè)計并最終實現(xiàn)的主要技術(shù)指標有：

（1）具有標準、美觀的Windows簡體中文界面和友好、快捷的人機互動功能，并具有較強的兼容性，只需調(diào)整數(shù)據(jù)讀取方式，就能夠適應(yīng)其它類型天氣雷達。

（2）自動、快捷地訪問氣象局域網(wǎng)，讀取多普勒天氣雷達PPI、CAPPI數(shù)據(jù)，完成坐標轉(zhuǎn)換、回波數(shù)據(jù)插值處理、質(zhì)量控制等。

（3）自動、快捷地完成雷達回波移動矢量的計算、移動矢量的質(zhì)量控制和再處理，并將回波移動矢量特征直觀地屏顯出來。

（4）自動、快捷地完成雷達回波的未來位置、形狀和強度的分析、推算并直觀屏顯，對監(jiān)測范圍內(nèi)出現(xiàn)的強對流回波將及時以圖像閃爍和雷聲等方式告警。

（5）其它綜合功能，主要包括業(yè)務(wù)平臺的參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測范圍預(yù)約、監(jiān)測強度預(yù)約、圖像打印輸出、圖形文件儲存、提供幫助信息等。

3.主要技術(shù)措施

3.1 算法簡介

（1）采用的外推算法及其基本原理：業(yè)務(wù)平臺對雷達回波圖像的外推計算采用了交叉相關(guān)算法[2]，其基本原理是通過分析相鄰時次的雷達回波在一定區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)空間相關(guān)性，建立相鄰時次的雷達回波的最佳擬合關(guān)系，計算回波區(qū)域移動矢量，根據(jù)移動矢量特征推算回波未來位置和形狀，并發(fā)布強對流臨近預(yù)報預(yù)警。

（2）算法主要特點：交叉相關(guān)算法是通過追蹤雷達回波的特征來計算移動矢量、進行回波外推的，因此對一定時段和一定范圍內(nèi)的雷達回波而言，這種算法既考慮了回波移動大小和移動方向的變化，又考慮了回波區(qū)域在移動中的形變，具有一定的物理意義。據(jù)國內(nèi)外有關(guān)研究表明[2-6]，利用該算法計算回波移動矢量、對回波進行0-1h外推是有效的，這在本文所舉個例中也得到驗證。當然，文中采用的算法目前還只是一種線性外推方法，忽略了回波在移動中的非線性變化、垂直運動、強度變化等因素，因此如果外推時間太長就失去意義。

3.2 計算流程

（1）首先，把極坐標數(shù)據(jù)格式的雷達回波進行插值處理并轉(zhuǎn)換到三維直角坐標中，選擇其中具有代表性的高度或角度的強度場數(shù)據(jù)，將其劃分為若干等同大小的正方形小區(qū)域，計算當前時刻t2與前一時刻t1的小區(qū)域前后之間的相關(guān)系數(shù)R（計算公式略）。

（2）然后，通過尋找最大相關(guān)系數(shù)來確定小區(qū)域之間的對應(yīng)關(guān)系、計算回波移動矢量：對t2時刻某小區(qū)域，找到它在t1時刻中相關(guān)系數(shù)最大的小區(qū)域，t1時刻的小區(qū)域即為t2時刻的小區(qū)域在Δt（=t2-t1）時段以前的移動起點，計算出這兩個小區(qū)域中點之間的方向、距離，即為該小區(qū)域的移動矢量。將各小區(qū)域的移動矢量全部計算出來，就得到了整個雷達回波區(qū)域從t1時刻至t2時刻的移動矢量特征。

（3）最后，對雷達回波區(qū)域移動矢量進行質(zhì)量控制處理，包括缺省區(qū)域插值處理、移動矢量方向和移動大小偏差處理后，根據(jù)回波移動矢量對回波進行外推計算，就可獲得整個回波區(qū)域的外推預(yù)測圖像。

3.3 回波數(shù)據(jù)

（1）數(shù)據(jù)的讀取處理：業(yè)務(wù)平臺軟件安裝在氣象局域網(wǎng)預(yù)報終端上，它通過訪問氣象局域網(wǎng)雷達終端，讀取所需的強度場數(shù)據(jù)，隨即進行插值處理和坐標格式轉(zhuǎn)換，軟件根據(jù)需要在內(nèi)存中只保留了直角坐標數(shù)據(jù)格式的5層CAPPI（2-6km）和14層PPI（0.5-19.5o）。

（2）數(shù)據(jù)可用性分析：由于強度場數(shù)據(jù)已經(jīng)過噪聲門限、距離訂正和標校等處理，因此不再做類似處理;哈爾濱機場凈空條件較好，200km范圍內(nèi)沒有高大自然障礙物，只是機場周邊部分人工障礙物對雷達探測有一定影響。經(jīng)過插值處理和坐標格式轉(zhuǎn)換后的強度場數(shù)據(jù)，只要選擇適宜的角度或高度，并經(jīng)過技術(shù)控制處理后，就可用于交叉相關(guān)分析和外推計算。

3.4 相關(guān)參數(shù)

（1）交叉相關(guān)小區(qū)域的劃分：用于交叉相關(guān)的正方形小區(qū)域大小要適宜，如果劃分太大就可能濾掉了一些小尺度信息，如果劃分太小則其包含的信息就不完整。鑒于新引進的天氣雷達探測定位分辨率為0.1o×150m，程序設(shè)計中將小區(qū)域大小設(shè)定為4.8km×4.8km[3-5]，將相鄰2個小區(qū)域中點橫向和縱向間距設(shè)定為2.1km。

（2）交叉相關(guān)搜索范圍：在進行交叉計算過程中，并不是將t2時刻某小區(qū)域與t1時刻所有小區(qū)域都進行相關(guān)對比，而是限定在一個特定范圍內(nèi)進行。對t2時刻某小區(qū)域在t1時刻的搜索范圍，劃定在以該小區(qū)域中點為圓心、r為半徑的圓形范圍內(nèi)[3-5]，這里r=Vmax·Δt，其中Vmax為回波最大可能移動速度，將Vmax取值為100km/h，則r取值為10.0km。

（3）交叉相關(guān)計算步長的控制：交叉相關(guān)的計算步長影響移動矢量的計算精度，程序設(shè)計中將t2時刻某小區(qū)域在t1時刻搜索范圍內(nèi)的相關(guān)計算步長限定為3個格點[5]，這樣雖然計算量大一些，但卻提高了計算精度。

3.5 質(zhì)量控制

（1）數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制[3-5]：為避免噪聲、地物雜波等造成的異常低值回波的干擾，將回波最低閾值設(shè)為12dBZ，當某小區(qū)域中回波值小于12dBZ的格點數(shù)超過總格點數(shù)的40%，該小區(qū)域就作為缺省區(qū)處理;為避免地物回波、大氣折射虛假回波等造成的異常高值回波的干擾，將相關(guān)系數(shù)超出0.95的小區(qū)域作為缺省區(qū)處理。

（2）移動矢量偏差的處理：由于一些雜波的影響、計算過程誤差及其它隨機因素，導(dǎo)致在移動矢量計算出來后，常常有一少部分移動矢量在移速或移向上與周邊的其它有效矢量存在明顯的差異，對此利用該移動矢量周邊有效的矢量數(shù)據(jù)，用線性插值的方法來進行平滑處理[5]、進行計算質(zhì)量控制。

（3）適宜的范圍和高度[3-5]：鑒于業(yè)務(wù)實用性要求，回波強度場數(shù)據(jù)的水平范圍可控制在150km半徑范圍內(nèi);在使用CAPPI數(shù)據(jù)時主要使用3km高度數(shù)據(jù)，這是因為3km高度回波對于強對流降水系統(tǒng)具有一定的代表性;在使用PPI數(shù)據(jù)時主要使用0.5°仰角數(shù)據(jù)，這是因為仰角太高就不能完全反映遠距離區(qū)域的強對流信息。

3.6 圖像外推

（1）外推方式：采取線性平流外推，具備PPI外推和CAPPI外推2種外推方式;為有效追蹤強對流回波，還采取了用于監(jiān)測特定區(qū)域的特定外推方式來進行回波外推，即設(shè)定一個回波強度監(jiān)測數(shù)值（比如≥30dBZ），臨近預(yù)報軟件將只對監(jiān)測值回波區(qū)域進行外推，如果在外推圖像中存在監(jiān)測值回波信息，就將以雷聲提醒和圖像閃爍方式告警。

（2）外推時間：鑒于雷達探測時間間隔為6min，因此可以根據(jù)需要在1h內(nèi)進行6min任意倍數(shù)時間外推，比如12min、18min、30min、60min等。在強對流天氣條件下，0-1h及時準確的臨近預(yù)報必將為空管決策提供一個及時有效的重要依據(jù)。

（3）預(yù)報預(yù)警：至于如何根據(jù)回波外推預(yù)測圖像開展臨近預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)、采取相應(yīng)的航空管制措施，需要經(jīng)氣象臺與管制部雙方協(xié)商后，依據(jù)民航有關(guān)規(guī)定制定一個可行方案來界定。

4.業(yè)務(wù)應(yīng)用情況

4.1 應(yīng)用效果

在2013-2014年、每年6-8月的雷雨季節(jié)里，業(yè)務(wù)平臺對哈爾濱機場每次出現(xiàn)的雷雨天氣過程都進行了0-1h臨近預(yù)報預(yù)警應(yīng)用，其中，30min的雷達回波外推預(yù)測圖像與實況圖像的擬合率達到70.0%，60min外推預(yù)測圖像擬合率達59.0%，這表明業(yè)務(wù)平臺能夠輸出較為及時、準確的臨近預(yù)報預(yù)警信息，在哈爾濱機場保障航班飛行安全和正常的日常氣象服務(wù)工作中發(fā)揮了積極作用，達到了預(yù)期效果。

4.2 個例演示

4.2.1 個例天氣概況

2014年6月7日，受冷渦系統(tǒng)影響，哈爾濱機場經(jīng)歷一次強雷雨天氣過程：19：32（采用北京時，以下同）強雷暴伴強降水滾滾而至，雷暴持續(xù)時間雖然很短，不到30min，但降雨量卻達20.6mm，并先后造成3個航班備降或返航、共10個航班延誤。下面是當時采用PPI特定外推方式進行強回波0-1h外推的應(yīng)用情況。

4.2.2 初始數(shù)據(jù)參數(shù)

初始數(shù)據(jù)為哈爾濱機場2014年6月7日18：21和18：27兩個時刻0.5oPPI回波圖（如圖3所示），其中設(shè)定回波強度監(jiān)測數(shù)值≥30dBZ（如圖3（b）中的黑色實線內(nèi)區(qū)域所示），其它計算參數(shù)與前文中所述的相同。

圖3 2014年6月7日0.5oPPI實況及移動矢量圖

圖4 2014年6月7日0.5° PPI預(yù)測與實況對比圖

4.2.3 移動矢量計算

利用圖3中的兩張回波圖，計算出回波區(qū)域的移動矢量（見圖3（b）中的紅色箭頭）。從中可以看出，回波區(qū)域移動矢量是不完全一致的，根據(jù)這些矢量外推出來的回波預(yù)測圖既反應(yīng)回波的移動方向和移動快慢，又反應(yīng)回波在移動中的形變。

4.2.4 圖像外推預(yù)測

根據(jù)前期計算出來的回波區(qū)域移動矢量，從外推起始時刻18：27開始進行外推計算，先后外推出未來10張回波預(yù)測圖（每次運行時間約為1min），限于篇幅，文中只演示30min、60min外推預(yù)測效果，如圖4所示，其中，左側(cè)為外推起始時刻18：27實況圖與強對流特定監(jiān)測區(qū)域的外推預(yù)測圖（圖4中暗紅陰影區(qū)域）的合成圖，右側(cè)為外推時間對應(yīng)的回波實況圖。

4.3 應(yīng)用分析

（1）個例效果分析：此次針對強對流回波監(jiān)測區(qū)域的每次外推，預(yù)測圖像與實況圖都較為接近，而且外推時間越短越更吻合：在30min外推預(yù)測圖像中（對應(yīng)時間18：57），預(yù)測圖像與實況圖相比，整個回波區(qū)域的強對流中心位置、范圍和形狀具有較好的吻合性，其中偏南和偏西有兩塊強對流區(qū)域在逐漸靠近機場，機場也就是從19：00開始聞雷。在60min外推預(yù)測圖像中（對應(yīng)時間19：27），強回波區(qū)域已經(jīng)抵達機場，與實際回波實況圖基本一致，雖靠近機場南邊的回波區(qū)域的形狀和范圍存在一定差異，但機場周邊的強回波區(qū)域的中心位置在預(yù)測圖與實況圖中相比仍比較接近，而機場也就是從19：32開始出現(xiàn)了強雷雨，這表明預(yù)測圖像與實況圖之間沒有明顯的時間差距，60min外推圖像仍是有效的、具有一定的參考價值。

（2）個例不足分析：此次外推應(yīng)用也存在一些不足，比如在30min外推圖像中，機場上空強回波區(qū)域左側(cè)的一塊在實況圖中其實已消散，在60min外推圖像中，強回波區(qū)前沿抵近機場，靠近機場南邊的回波區(qū)的形狀和范圍也存在一定差異，究其原因是因為文中使用的回波外推技術(shù)暫不考慮回波在移動過程中的強度變化。

（3）整體效果分析：在2013-2014年、每年6-8月共2a的應(yīng)用中，業(yè)務(wù)平臺對低氣壓、鋒面和高空槽等天氣系統(tǒng)造成的強對流回波具有較好的外推預(yù)報預(yù)警效果，但對冷渦系統(tǒng)造成的渦旋狀的強對流回波的外推效果相對較差一些。此外在采取CAPPI外推應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)CAPPI中心“空洞”影響外推計算效果，需要下一步進行技術(shù)改進。

5.結(jié)束語

科研組基于哈爾濱機場多普勒天氣雷達和局域網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施，采用交叉相關(guān)算法，設(shè)計研制的臨近預(yù)報業(yè)務(wù)平臺，利用雷達回波在連續(xù)時次上的空間最優(yōu)相關(guān)性，計算回波的移動方向和移動大小，并采取了必要的回波數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和計算過程質(zhì)量控制等措施，有效地遏制和避免了異?；夭ㄓ绊?、計算偏差影響，這對外推預(yù)測強對流回波未來的位置和形狀、開展強對流天氣臨近預(yù)報預(yù)警在0-1h是有效的。當然，目前科研組采用的回波外推方法還暫時只是一種線性算法，沒有考慮回波在移動演變中的非線性變化、垂直運動、強度演變等，如果外推計算的時間太長就失去意義?？蒲薪M計劃在下一步工作中將對業(yè)務(wù)平臺進行技術(shù)再升級，將采取當前更為先進的處理技術(shù)[4-6]來改進外推算法、完善臨近預(yù)報預(yù)警方法。

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作者簡介：黃紅兵（1965—），男，重慶人，大學(xué)本科，民航空管專家級高級工程師，從事航空氣象研究。