陳 波，張 進(jìn)，趙庭飛，羅 紅

(1 貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000；2貴州省織金縣氣象局，貴州 織金 552100)

新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式自動(dòng)識(shí)別及軟件實(shí)現(xiàn)方法*

陳 波1，張 進(jìn)1，趙庭飛2，羅 紅1

(1 貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000；2貴州省織金縣氣象局，貴州 織金 552100)

新一代天氣雷達(dá)多種基數(shù)據(jù)文件格式讀寫一直是影響雷達(dá)數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用的一個(gè)原因。為使從事短臨監(jiān)測(cè)的人員能更好的應(yīng)用雷達(dá)數(shù)據(jù)資料，該文通過(guò)分析我國(guó)新一代天氣雷達(dá)各種雷達(dá)基數(shù)據(jù)格式異同及國(guó)家氣象信息中心最新規(guī)定的雷達(dá)基數(shù)據(jù)傳輸文件命名規(guī)則，提出一種基于雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件名字符串自動(dòng)識(shí)別基數(shù)據(jù)格式的方法，介紹基于雷達(dá)廠商提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)接口利用Csharp語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)各種基數(shù)據(jù)格式自動(dòng)識(shí)別和讀取方法。檢驗(yàn)證明基于基數(shù)據(jù)文件名自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)格式的方法可行，并在業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用。

天氣雷達(dá)；基數(shù)據(jù)格式；自動(dòng)識(shí)別；動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

1 引言

天氣雷達(dá)是通過(guò)接收氣象目標(biāo)物對(duì)雷達(dá)電磁波的散射信號(hào)作為探測(cè)大氣的基礎(chǔ)。根據(jù)氣象目標(biāo)物的后向散射信號(hào)特征，探測(cè)出氣象目標(biāo)物的大小、相態(tài)及其空間分布，便于天氣監(jiān)測(cè)員了解天氣系統(tǒng)的生消演變、移動(dòng)方向及移動(dòng)速度等信息，天氣雷達(dá)是監(jiān)測(cè)暴雨、暴雪、臺(tái)風(fēng)、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣的重要工具，為天氣預(yù)測(cè)預(yù)警防災(zāi)減災(zāi)工作提供有利的數(shù)據(jù)支撐。

目前參與全國(guó)新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)主要有S波段(波長(zhǎng)10 cm)和C波段(5 cm)雷達(dá)，S波段雷達(dá)主要分布在我國(guó)沿海及長(zhǎng)江流域，主要監(jiān)測(cè)熱帶天氣系統(tǒng)、暴雨及強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害天氣，而C波段雷達(dá)主要分布在我國(guó)內(nèi)陸海拔較高地區(qū)，主要監(jiān)測(cè)冰雹、暴雨等災(zāi)害天氣。兩種波段天氣雷達(dá)都是以體掃基數(shù)據(jù)方式工作，基數(shù)據(jù)是雷達(dá)采集的原始數(shù)據(jù)，包括回波強(qiáng)度、徑向數(shù)據(jù)、速度譜寬等，并以二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但由于雷達(dá)型號(hào)和研制廠商的不同，基數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式存在差異，造成針對(duì)某一基數(shù)據(jù)格式開發(fā)的軟件應(yīng)用到另一種基數(shù)據(jù)格式時(shí)不能兼容；因此本文研究各類雷達(dá)基數(shù)據(jù)格式的異同，利用Csharp編程語(yǔ)言通過(guò)識(shí)別基數(shù)據(jù)文件名從而判斷基數(shù)據(jù)格式，利用雷達(dá)廠商提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)接口方法讀取雷達(dá)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到操縱雷達(dá)基數(shù)據(jù)的目的，開發(fā)兼容各類雷達(dá)基數(shù)據(jù)的快速查看工具。

2 新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)格式研究

2.1 雷達(dá)型號(hào)與基數(shù)據(jù)文件格式種類

目前我國(guó)在氣象上使用的S和C波段雷達(dá)主要有8種雷達(dá)型號(hào)，包括CINRAD-SA、CINRAD-SB、CINRAD-SC、CINRAD-CB、CINRAD-CC、CINRAD-CCJ、CINRAD-CD(簡(jiǎn)稱SA、SB、SC、CB、CC、CCJ、CD)和WSR-88D，各種型號(hào)雷達(dá)出現(xiàn)6種雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式(SAB、SCD、88D、CB、CC1.0和CC2.0)，其中SA、SB和CB型號(hào)雷達(dá)由北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司研制生產(chǎn)，SC和CD型號(hào)雷達(dá)由成都錦江電器制造有限公司研制生產(chǎn)，WSR-88D型號(hào)雷達(dá)由美國(guó)洛克希德·馬丁公司生產(chǎn)，而CC和CCJ型號(hào)雷達(dá)由安徽四創(chuàng)電子股份有限公司研制生產(chǎn)。

2.2 基數(shù)據(jù)文件格式對(duì)比分析

雷達(dá)基數(shù)據(jù)是指雷達(dá)完成一次體掃所掃描的包括回波強(qiáng)度、徑向速度和速度譜寬三要素的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，文件字節(jié)數(shù)據(jù)量較大。根據(jù)體掃模式(VCP)的不同，雷達(dá)掃描仰角數(shù)不同和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式不同，文件大小也不相同，如SA型號(hào)雷達(dá)VCP21一個(gè)體掃時(shí)間為6 min完成9個(gè)仰角錐面掃描的數(shù)據(jù)字節(jié)大小為11層×360方位×2 432字節(jié)(每個(gè)方向字節(jié)數(shù))≈9.4 MB，而VCP11一個(gè)體掃時(shí)間為5 min完成14個(gè)仰角錐面掃描的字節(jié)大小為16層×360方位×2 432字節(jié)≈13.7 MB數(shù)據(jù)。

基數(shù)據(jù)文件一般由描述區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)組成，描述區(qū)一般包括雷達(dá)參數(shù)、工作參數(shù)和掃描方式等信息，全局描述區(qū)一般位于文件頭，稱為文件頭；局部描述區(qū)一般位于徑向數(shù)據(jù)開始位置，稱為徑向頭；數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)雷達(dá)觀測(cè)的三要素。

經(jīng)查閱各廠商雷達(dá)數(shù)據(jù)格式文件說(shuō)明，新一代天氣雷達(dá)的6種基數(shù)據(jù)文件格式對(duì)比見表1所示。敏視達(dá)SAB格式和CAB格式基數(shù)據(jù)無(wú)文件頭，分布采用固定徑向長(zhǎng)度2 432字節(jié)或4 132字節(jié)按低位優(yōu)先儲(chǔ)存；SCD格式使用文件頭(1 024字節(jié))+固定徑向長(zhǎng)度(4 000字節(jié))按低位優(yōu)先儲(chǔ)存；CC1.0格式使用文件頭(1 024字節(jié))+固定徑向長(zhǎng)度(3 000字節(jié))按低位優(yōu)先儲(chǔ)存，SCD格式徑向數(shù)據(jù)包括四要素(雜波控制的回波強(qiáng)度、徑向速度、速度譜寬和原始回波強(qiáng)度)，而CC1.0格式數(shù)據(jù)沒(méi)有原始回波強(qiáng)度這一要素；88D格式使用文件頭(16字節(jié))+固定徑向長(zhǎng)度(2 432字節(jié))按高位優(yōu)先儲(chǔ)存；CC2.0格式使用文件頭(2 060字節(jié))+可變徑向長(zhǎng)度按低位優(yōu)先儲(chǔ)存。

表1 新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)格式對(duì)比Tab.1 The new generation weather radar base data format comparison

3 基數(shù)據(jù)格式自動(dòng)識(shí)別方法

3.1 基數(shù)據(jù)格式命名規(guī)則

根據(jù)國(guó)家氣象信息中心最新規(guī)定的雷達(dá)基數(shù)據(jù)傳輸文件命名規(guī)則，要求各站統(tǒng)一按照文件名格式：Z_RADR_I_IIiii_yyyymmddhhMMss_O_DOR_雷達(dá)型號(hào)_掃描方式.bin.bz2上傳國(guó)家氣象信息中心，其中Z：固定編碼，表示國(guó)內(nèi)交換文件；RADR：固定編碼，表示雷達(dá)資料；I：表示后面為雷達(dá)站的區(qū)站號(hào)IIiii；yyyymmddhhMMss：為體掃結(jié)束后文件生成時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒，用UTC世界時(shí)表示)；O：固定編碼，表示觀測(cè)資料；DOR：表示多普勒雷達(dá)；雷達(dá)型號(hào)與掃描方式標(biāo)識(shí)符見表2、表3；Bin：表示二進(jìn)制文件；bz2：表示使用 bzip2 壓縮后的文件。

表2 新一代天氣雷達(dá)型號(hào)標(biāo)識(shí)符Tab.2 A new generation weather radar type identifiers

表3 新一代天氣雷達(dá)掃描方式標(biāo)識(shí)符Tab.3 A new generation weather radar scanning method identifiers

按照基數(shù)據(jù)文件名格式命名規(guī)則可知：文件名字符串共有50個(gè)字符(除CCJ型雷達(dá)外)，如果文件名字符串有51個(gè)字符時(shí)即可判斷為CCJ型雷達(dá)，每個(gè)文件名的第37～38兩個(gè)字符即為雷達(dá)型號(hào)標(biāo)識(shí)符，因此通過(guò)獲取基數(shù)據(jù)文件名字符串長(zhǎng)度和判斷雷達(dá)型號(hào)標(biāo)識(shí)符即可判別基數(shù)據(jù)格式是可行的。

3.2 基數(shù)據(jù)格式自動(dòng)識(shí)別和讀取方法

研究雷達(dá)廠商提供的基數(shù)據(jù)類動(dòng)態(tài)庫(kù)模塊(CINRADPolarDat.dll)發(fā)現(xiàn)，讀取雷達(dá)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)庫(kù)接口函數(shù)ClsRadarPolarDat(type)的參數(shù)type值和雷達(dá)型號(hào)及標(biāo)識(shí)符有如表4的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表4 新一代天氣雷達(dá)型號(hào)標(biāo)識(shí)符與接口函數(shù)參數(shù)值Tab.4 New generation weather radar type identifier and interface function parameter values

本文基于Csharp語(yǔ)言介紹如何實(shí)現(xiàn)對(duì)基數(shù)據(jù)格式自動(dòng)識(shí)別和讀取方法，第一步、基于Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境新建一個(gè)窗口項(xiàng)目，第二步、在項(xiàng)目引用處加載CINRADPolarDat.dll文件至項(xiàng)目中，第三步、在程序代碼行中加入類命名空間和類名CINRADPolarDat.ClsRadarPolarDat，第四步、調(diào)用ClsRadarPolarDat類的readCompressFile( FileName, type)方法讀取雷達(dá)三要素(強(qiáng)度、速度、譜寬)，其中參數(shù)FileName為數(shù)據(jù)路徑、type為各雷達(dá)型號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)值見表4。下面介紹程序通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)文件名稱獲取type值的流程圖，如圖1所示，即獲取數(shù)據(jù)文件名字符串后，通過(guò)字符匹配文件名字符串中是否存在"SA"、"SB"、"SC"、"CB"、"CC"、"CD"、"CCJ"的方法獲得對(duì)應(yīng)的type值，調(diào)用讀取方法完成基數(shù)據(jù)格式識(shí)別和讀取過(guò)程。

圖1 程序識(shí)別雷達(dá)數(shù)據(jù)文件名獲取type值的流程圖Fig.1 The program identifies the flowchart for the type value of the radar data file name

3.3 檢驗(yàn)及應(yīng)用

隨機(jī)選取符合最新規(guī)定的雷達(dá)基數(shù)據(jù)傳輸文件命名規(guī)則的北海(SA)、梧州(SB)、宜賓(SC)、柳州(CB)、邵通(CC)、都勻(CD)、寧德(CCJ)等站雷達(dá)基數(shù)據(jù)各10個(gè)，程序?qū)σ陨细袷阶R(shí)別成功率為100%，證明通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)文件名自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)格式的方法是可行的；動(dòng)態(tài)庫(kù)CINRADPolarDat.dll還提供了加載地圖的類接口、獲取任意兩點(diǎn)間剖面的類方法、獲取任意點(diǎn)上三要素值等方法、支持biz2壓縮格式直接讀取基數(shù)據(jù)等功能，圖2為基于基數(shù)據(jù)類動(dòng)態(tài)庫(kù)開發(fā)的《基于單站雷達(dá)的短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)警—快顯工具》軟件界面，兼容現(xiàn)役所有雷達(dá)基數(shù)據(jù)讀取顯示及實(shí)現(xiàn)以上介紹的方法功能，該軟件已在貴州省黔南州氣象局天氣預(yù)報(bào)平臺(tái)得到應(yīng)用。

圖2 雷達(dá)基數(shù)據(jù)快顯工具軟件界面 (左為回波反射率PPI圖、右為任意方向的三要素RHI圖)Fig.2 The radar base is based on the fast visible tool software interface (Left is the echo reflectivity PPI、The right is a three-element RHI diagram in any direction)

4 總結(jié)

①新一代天氣雷達(dá)是災(zāi)害性天氣預(yù)測(cè)預(yù)警的重要工具，而雷達(dá)多種基數(shù)據(jù)格式一直是影響雷達(dá)資料得到廣泛應(yīng)用的原因，本文從分析各種雷達(dá)基數(shù)據(jù)格式異同入手，通過(guò)識(shí)別雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件名字符串中標(biāo)識(shí)符讀取各類基數(shù)據(jù)格式。

②采用Csharp編程語(yǔ)言介紹了如何識(shí)別各類基數(shù)據(jù)格式、讀取數(shù)據(jù)的方法，并附程序?qū)崿F(xiàn)基數(shù)據(jù)格式識(shí)別和讀取流程圖，為今后從事雷達(dá)基數(shù)據(jù)研究者予以借鑒。

③基于雷達(dá)廠商提供的基數(shù)據(jù)類動(dòng)態(tài)庫(kù)CINRADPolarDat.dll開發(fā)兼容現(xiàn)役所有雷達(dá)基數(shù)據(jù)的快速查看工具，為從事短臨預(yù)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)人員提供很大的幫助。

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The research of automatic identification to the file format of radar raw data andsoftware realization for the new generation of weather radar

CHEN Bo1，ZHANG Jin1，ZHAO Tingfei2，LUO Hong1

(1.Qiannan Meteorological Bureau of Guizhou Province，Duyun 558000, China;2.Zhijin Meteorological Bureau of Guizhou Province,Zhijin 552100, China)

The file format of the new generation of weather radar is varied, which makes it difficult to use radar raw data products. In order to sufficiently use radar raw data on doing short term forecasting, based on the analysis of the similarity of radar data format and the latest rules of radar data transmission file naming rules for the new generation of weather radar in China, this paper presents a method based on radar table data file name string automatic identification base data format.On the basis of dynamic library port for radar manufacturer offering, using Csharp programming, the method of automatic identification and reading is rebuilted.The test proves that the method of automatically recognizing the data format based on the base data file name is feasible and applicable in the business.

radar raw data; base data format; automatic identification; dynamic link library

2017-02-17

陳波(1987—)，男，助工，主要從事短期天氣預(yù)報(bào)工作，E-mail：554939210@qq.com。

貴州省氣象局攻關(guān)小組項(xiàng)目 “基于單站雷達(dá)的短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)警(黔氣科合 QN[2015])”。

1003-6598(2017)03-0065-04

TP312

B