摘 要：提出一種符合空管氣象運(yùn)行實(shí)際的預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)主要針對(duì)汕頭空管站所處潮汕機(jī)場(chǎng)夏季多雷暴的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種有效的雷暴預(yù)警預(yù)報(bào)功能，軟件通過(guò)C#設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：空管氣象；雷達(dá)；預(yù)警預(yù)報(bào)

1 概述

當(dāng)前民航飛行受天氣影響出現(xiàn)的航班延誤等問(wèn)題日益嚴(yán)重，天氣因素成為影響空中交通管制的重要因素。特別是雷暴，其在東南沿海地區(qū)的航空氣象中更為常見。雷暴是一種對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈發(fā)展而形成的天氣現(xiàn)象，相關(guān)航空規(guī)定禁止飛行物在雷暴區(qū)和積雨云中飛行。另一方面，空管對(duì)天氣信息的把握主要依賴氣象雷達(dá)。因此，空管氣象雷達(dá)如果對(duì)雷暴能夠有一定的預(yù)警預(yù)報(bào)功能對(duì)于我們的保障工作無(wú)疑是錦上添花。本文從汕頭空管站的運(yùn)行實(shí)際出發(fā)，提出一種空管氣象雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)，針對(duì)雷暴的預(yù)警預(yù)報(bào)提出一些看法，并通過(guò)軟件實(shí)際加以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)的總體思路

通過(guò)空管氣象雷達(dá)的回波資料，系統(tǒng)必須進(jìn)行預(yù)處理，濾除相應(yīng)的雜波和層狀云等信息后，結(jié)合閾值設(shè)置和判別將可行的區(qū)域識(shí)別為雷暴。因此，系統(tǒng)主要有特征相似、距離優(yōu)先以及上限設(shè)置等三個(gè)判別條件對(duì)對(duì)流云圖進(jìn)行跟蹤和處理。當(dāng)然，過(guò)程必須包含本地雷暴的歷史經(jīng)驗(yàn)權(quán)重，對(duì)雷暴的具體質(zhì)心以及體系進(jìn)行線性回歸預(yù)算。系統(tǒng)必須包含以下主要功能：數(shù)據(jù)處理；雷暴識(shí)別與跟蹤預(yù)警；預(yù)警顯示和分析。其中數(shù)據(jù)處理包含數(shù)據(jù)的整體管理和數(shù)據(jù)的有效性控制，雷暴識(shí)別與跟蹤預(yù)警則重點(diǎn)關(guān)注雷暴的區(qū)域更新、速度更新等，對(duì)雷暴進(jìn)行跟蹤和預(yù)警；預(yù)警顯示則在于對(duì)降雨量、垂直積分降水總量以及雷暴質(zhì)心等計(jì)算，雷暴分析則在于雷暴的統(tǒng)計(jì)分析、風(fēng)場(chǎng)計(jì)算等主要分析計(jì)算功能。

根據(jù)空管實(shí)際工作，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)源主要有雷達(dá)數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)。這兩個(gè)主要數(shù)據(jù)來(lái)源通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理（包括雜波濾除、亮帶過(guò)濾、頂高過(guò)濾和異常過(guò)濾）形成標(biāo)準(zhǔn)的氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)再進(jìn)一步進(jìn)行雷暴的跟蹤識(shí)別、風(fēng)場(chǎng)計(jì)算和降水量計(jì)算。

在空管氣象雷達(dá)上，雷暴主要體現(xiàn)是反射率高于某一特定閾值的一個(gè)連續(xù)區(qū)域。因此，系統(tǒng)定義一個(gè)完整的雷暴則需要一個(gè)更大的體積區(qū)域，該區(qū)域反射率小于等于系統(tǒng)設(shè)定的閾值。雷暴生成和運(yùn)動(dòng)的軌跡在實(shí)際中比較復(fù)雜，因此系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上必須有相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型描述雷暴的生成，甚至包括過(guò)去狀態(tài)、現(xiàn)在狀態(tài)以及預(yù)測(cè)狀態(tài)，為預(yù)警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)手段。MDV格式是一種可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)壓縮以及良好數(shù)據(jù)元支持的格狀數(shù)據(jù)模式，并且在實(shí)際工作中，MDV可以提供以時(shí)間時(shí)刻命名的文件檢索方式，其對(duì)反射率、溫濕度和風(fēng)速等具體氣象信息有豐富的記錄功能。因此，本文的預(yù)警系統(tǒng)，一方面采集來(lái)自氣象雷達(dá)的數(shù)據(jù)，另一方面通過(guò)MDV數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助。介于觀測(cè)數(shù)據(jù)主要通過(guò)航空?qǐng)?bào)文采集分析，因此，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上必須有一個(gè)良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析和統(tǒng)一處理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上主要以C#進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，并且在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)上采用SQL server。這兩者有較好的數(shù)據(jù)封裝交互接口，對(duì)于軟件設(shè)計(jì)而言可以減少設(shè)計(jì)開發(fā)的壓力。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一上，通過(guò)txt文本文件實(shí)現(xiàn)雷暴的描述，主要數(shù)據(jù)包括觀測(cè)的時(shí)間、雷暴數(shù)量以及反射閾值。在上述經(jīng)驗(yàn)值參與運(yùn)算的設(shè)想下，系統(tǒng)對(duì)于當(dāng)前雷達(dá)回波圖和歷史回波圖必須建立相應(yīng)的聯(lián)系，識(shí)別出歷史回波圖對(duì)當(dāng)前有影響，則軟件對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)示等級(jí)。與此同時(shí)，定義一個(gè)雷暴類，該類在屬性上包含有歷史、當(dāng)前和預(yù)測(cè)值三個(gè)主要子類。再之，雷暴的主要形態(tài)在氣象雷達(dá)圖上主要體現(xiàn)在時(shí)間、經(jīng)緯度位置以及特征參數(shù)，當(dāng)前空管氣象雷達(dá)主要采用國(guó)際時(shí)，而經(jīng)緯度坐標(biāo)則必須考慮相應(yīng)的投影坐標(biāo)平面轉(zhuǎn)換（此處篇幅所限不贅述），雷暴的特征參數(shù)則主要在于雷暴單體頂部、最大反射率以及運(yùn)動(dòng)描述的質(zhì)心。

3 基于氣象雷達(dá)的預(yù)警技術(shù)設(shè)計(jì)

氣象雷達(dá)是空管氣象信息的主要獲取手段之一，其通過(guò)電磁波散射而顯示出回波特征形成圖像信號(hào)對(duì)雷暴等天氣信息進(jìn)行描述。其中，雷達(dá)的回波強(qiáng)度來(lái)自雷達(dá)參數(shù)設(shè)置以及氣象降水體散射特征，通過(guò)回波的強(qiáng)度和分布，預(yù)報(bào)人員可以推斷天氣系統(tǒng)的性質(zhì)從而預(yù)測(cè)天氣狀況。參考相關(guān)文獻(xiàn)雷暴的回波閾值設(shè)定可以定義為30～40dB。因此，雷暴識(shí)別可以通過(guò)距離、方位和高度進(jìn)行氣象雷達(dá)回波圖的計(jì)算。在回波圖坐標(biāo)上選擇反射率大于閾值的線面，線面組成了不同的柵格，通過(guò)不同線面上的包含與被包含的關(guān)系的計(jì)算可以得出相鄰間的連線。這種處理可以降低軟件算法的計(jì)算維度，提高算法效率。

雷暴分析則首先計(jì)算相應(yīng)的雷暴參數(shù)，包括雷暴頂與底、體積、傾斜角和方向以及反射率高度等。再之，在三維立體空間里建立起區(qū)域功能的反射率柱狀圖，通過(guò)用橢圓算法定義出雷暴的行狀，在二維空間中通過(guò)預(yù)計(jì)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)組參數(shù)組成變化定義橢圓的參數(shù)，主要在長(zhǎng)半徑和短半徑兩個(gè)主要方向上。與此同時(shí)，組成轉(zhuǎn)換參考方差矩陣中的特征向量計(jì)算，通過(guò)特征向量一致性計(jì)算得出在笛卡爾坐標(biāo)上橢圓的長(zhǎng)短半徑從而得出雷暴的形狀。

在雷暴的預(yù)警和跟蹤上，系統(tǒng)采用對(duì)空管氣象雷達(dá)一小時(shí)掃描計(jì)算雷暴。此處主要考慮對(duì)于雷暴的最優(yōu)匹配以及雷暴分裂的處理。雷暴匹配必須考慮在某一時(shí)刻出現(xiàn)的雷暴位置和另一時(shí)刻出現(xiàn)雷暴位置之間的連線軌跡問(wèn)題。假設(shè)軌跡有N條，根據(jù)觀測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，真實(shí)軌跡應(yīng)當(dāng)在所有軌跡中較短的部分，雷暴通常的大小為3～10kM，單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離在1～10kM范圍內(nèi)，因此軌跡越短，符合實(shí)際雷暴移動(dòng)的概率越大，系統(tǒng)將計(jì)算不同時(shí)間段雷暴質(zhì)心之間的軌跡連線，并且在后臺(tái)計(jì)算出包括形狀和大小在內(nèi)的雷暴信息，對(duì)于預(yù)計(jì)的移動(dòng)速度則可以通過(guò)閾值設(shè)置（來(lái)自空管氣象觀測(cè)工程師的經(jīng)驗(yàn)值）。通過(guò)這樣處理，軌跡確定的過(guò)程可以轉(zhuǎn)換為軟件算法上的最優(yōu)選擇設(shè)計(jì)。通過(guò)最優(yōu)選擇算法設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以解決最優(yōu)匹配問(wèn)題。將上述的變量集中轉(zhuǎn)換為向量，匈牙利法可以找出向量矩陣中最多零元素的行列，通過(guò)零元素的查找得出相應(yīng)的坐標(biāo)位置，并且循環(huán)計(jì)算產(chǎn)生新的矩陣。這種最優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過(guò)不斷迭代得出最優(yōu)解，在軟件設(shè)計(jì)上也較為簡(jiǎn)單，性能實(shí)現(xiàn)也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。當(dāng)然，在重疊計(jì)算上，系統(tǒng)必須通過(guò)重疊面積在時(shí)刻1和時(shí)刻2的比例的計(jì)算評(píng)估得出雷暴的唯一性。而在雷暴分裂的處理上，系統(tǒng)通過(guò)匹配算法，設(shè)定在T1時(shí)刻有比T2時(shí)刻更多的雷暴，并且T1～T2間有雷暴消失，計(jì)算T2時(shí)刻雷暴的具體參數(shù)并根據(jù)上述算法加以預(yù)測(cè)，確定其區(qū)域還是屬于T2時(shí)刻的雷暴區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為T1雷暴與T2雷暴是來(lái)自同一個(gè)雷暴。

4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要采用c#設(shè)計(jì)，考慮空管的實(shí)際工作情況，采用C/S模式設(shè)計(jì)。因此軟件設(shè)計(jì)主要包括服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和前端客戶端兩部分。數(shù)據(jù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)控制，分別在SQL server上建立表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且服務(wù)器端提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)交互能力為技術(shù)維護(hù)提供手段。數(shù)據(jù)控制則包括對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，服務(wù)器軟件一是必須識(shí)別雷達(dá)數(shù)據(jù)圖像信息，并且將過(guò)濾好的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)回傳到客戶端；二是通過(guò)卡爾曼網(wǎng)格處理過(guò)濾亮帶發(fā)射率，并且計(jì)算數(shù)據(jù)格的中間值作雜波處理；三是進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)融合，去除不必要的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)處理由于部署在服務(wù)器端，與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互更為高效。前端客戶端則處理來(lái)自服務(wù)器的各種經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)解決雷暴識(shí)別與跟蹤、雷暴預(yù)警與分析，為現(xiàn)場(chǎng)提供技術(shù)支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于雷暴預(yù)警的氣象雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足空管氣象的運(yùn)行，為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)保障提供一種建議，同時(shí)也為相關(guān)研究拋磚引玉。

參考文獻(xiàn)

[1]黃文彥.雷暴臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技大學(xué)，2011 （12）：276.

作者簡(jiǎn)介：周曉璇（1991，1-），女，漢族，廣東澄海人，本科，民航汕頭空管站助理工程師，研究方向：空管氣象設(shè)備保障。