李子平，周欽強(qiáng)，張來添，張興鈴

（1.茂名市氣象局，廣東茂名 525000；2.信宜市氣象局，廣東信宜 525300）

近年來，突發(fā)性短時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)的洪澇、滑坡、泥石流、城市內(nèi)澇等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。新一代天氣雷達(dá)能為突發(fā)性強(qiáng)災(zāi)害天氣的監(jiān)測和預(yù)警提供重要的監(jiān)測手段，充分利用好新一代天氣雷達(dá)的資料［1］，能提高災(zāi)害性天氣的預(yù)警能力、氣象服務(wù)能力和防災(zāi)減災(zāi)能力，做好突發(fā)性強(qiáng)災(zāi)害天氣的監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)已成為各級氣象部門氣象服務(wù)的重要內(nèi)容［2］。如何將天氣雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)和精細(xì)化地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，利用GIS提高雷達(dá)數(shù)據(jù)的可視化程度和人機(jī)對話功能［3］，為政府、公眾和其他專業(yè)用戶提供精細(xì)化氣象服務(wù)，努力做到“監(jiān)測精密，預(yù)報(bào)精準(zhǔn)，服務(wù)精細(xì)”的要求，已成為基層氣象部門一項(xiàng)重要任務(wù)。

在地理信息系統(tǒng)（GIS）與雷達(dá)基數(shù)據(jù)資料結(jié)合一起應(yīng)用在氣象防災(zāi)減災(zāi)方面已有許多專家和學(xué)者做過研究，例如陳海泉等［4］研究了雷達(dá)和自動氣象站資料在GIS中的同步顯示；張錄青等［5］研究了基于GIS技術(shù)的韶關(guān)市地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)；伍志方等［6］研究了基于GIS的廣東新一代天氣雷達(dá)綜合應(yīng)用系統(tǒng)；黃錦燦等［7］研究了基于GIS幾何對象模型和分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流處理框架對多臺雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行快速處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸；熊文兵等［8］研究了基于GIS技術(shù)和天氣雷達(dá)的短臨預(yù)警平臺；李赟［9］研究了基于GIS的新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)拼圖；江峰［10］研究了基于GIS的雷達(dá)回波圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；黃永璘等［11］研究了GIS在廣西山洪災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用；莫建飛等［12］研究了基于GIS的廣西溪河洪水型山洪溝空間分布特征。另外，段蕾等［13］介紹了一種利用ArcGIS開發(fā)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用在雷達(dá)數(shù)據(jù)方面的方法，如果地理信息數(shù)據(jù)源可靠，在C＃開發(fā)環(huán)境下自行開發(fā)GIS系統(tǒng)在技術(shù)層面上是可以的，因此，結(jié)合部署在茂名信宜的新一代C波段多普勒天氣雷達(dá)，自行開發(fā)滿足于茂名市基層氣象部門業(yè)務(wù)需求的茂名市精細(xì)化GIS系統(tǒng)也是可行的。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

茂名市精細(xì)化地理信息系統(tǒng)（GIS）以Mapinfo的鄉(xiāng)鎮(zhèn)圖層數(shù)據(jù)為信息源，在C＃中讀取經(jīng)緯度的點(diǎn)陣列，采用等距離柱投影的方式，實(shí)現(xiàn)地理信息圖層的繪制。利用C?？丶M合和控制技術(shù)，完成透明圖層的疊加和顯示，實(shí)現(xiàn)對地理信息系統(tǒng)放大、縮小、拖動等基本操作功能，并在地圖窗口顯示雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，使用戶方便、直觀看到雷達(dá)回波資料的時(shí)空分布［14］。

1.1 地級市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)獲取

在Maninfo軟件中打開“鄉(xiāng)鎮(zhèn)圖層”原始基礎(chǔ)TAB格式數(shù)據(jù)，在菜單“表”的下拉菜單中選擇“轉(zhuǎn)出”，將TAB格式數(shù)據(jù)地圖表轉(zhuǎn)換為MIF格式的中間交換文件數(shù)據(jù)及MID屬性文件數(shù)據(jù)，MIF數(shù)據(jù)及注釋如圖1所示。

圖1 邊界線圖元數(shù)據(jù)及注釋

1.2 投影方式及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

地理信息圖形的繪制涉及地圖投影，而等距圓柱投影是地圖投影開發(fā)中最常見的方法之一，該投影適合于低緯地區(qū)制圖。天氣雷達(dá)探測范圍覆蓋是以固定距離R為半徑的圓，雷達(dá)圖顯示區(qū)域?yàn)檫呴L2R的正方形區(qū)域［15］，與等距圓柱投影的特點(diǎn)相吻合，茂名市地處低緯地區(qū)，故采用等距圓柱投影。茂名市精細(xì)化GIS坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換包括在繪制地圖時(shí)將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，與地圖交互操作時(shí)將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

1.3 GIS信息圖層繪制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在自行開發(fā)的GIS中，為避免雷達(dá)回波圖與GIS信息面圖元之間顏色的重疊和交叉沖突，GIS信息圖層在顯示窗口上繪制成線圖元和點(diǎn)圖元。線圖元圖層含信宜雷達(dá)半徑覆蓋及茂名市各轄區(qū)縣市、區(qū)的行政區(qū)域范圍。各行政區(qū)域圖層的MIF文件數(shù)據(jù)及注釋如圖1所示，文件包含文件頭和數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)包含曲線數(shù)據(jù)和直線經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。點(diǎn)圖元圖層含信宜雷達(dá)半徑覆蓋及茂名市轄區(qū)各縣市、區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政駐點(diǎn)圖層。相關(guān)地級市、縣級市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的名稱及駐點(diǎn)經(jīng)緯度通過Maminfo提取，和線圖元一樣取轉(zhuǎn)為MIF和MID格式文件，通過讀取相關(guān)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)讀取對應(yīng)屬性配置文件中對應(yīng)的駐點(diǎn)顯示設(shè)置信息，在相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)處完成繪制相應(yīng)的圖標(biāo)和顯示名稱。繪制GIS信息圖層時(shí)，先設(shè)定顯示區(qū)域的經(jīng)緯度范圍和視圖中心點(diǎn)經(jīng)緯度，屏幕顯示的鼠標(biāo)滾輪滑動觸發(fā)事件函數(shù)，對顯示區(qū)域范圍內(nèi)經(jīng)緯度進(jìn)行一定比例放大或縮小，后臺函數(shù)重新繪制和顯示GIS信息，實(shí)現(xiàn)地圖的放大或縮小。茂名精細(xì)化GIS地理圖層如圖2所示，GIS信息圖層采用線圖元和點(diǎn)圖元各自分層控制，線圖元含市、縣兩級行政區(qū)劃邊界和雷達(dá)距離圈圖層；點(diǎn)圖元包含市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地三級GIS圖層。

圖2 精細(xì)化GIS地理圖層控制層（a）和市縣鎮(zhèn)三級GIS圖層（b）

2 CINRAD／CCJ天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)解析和回波圖成像繪制

2.1 CINRAD／CCJ天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)及解釋

廣東茂名信宜的新一代C波段多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD／CCJ）是中國氣象局用于國內(nèi)氣象業(yè)務(wù)組網(wǎng)探測的新一代C波段全相參多普勒天氣雷達(dá)。該雷達(dá)能夠監(jiān)測400 km內(nèi)的熱帶氣旋、暴雨等大范圍強(qiáng)降水目標(biāo)，有效監(jiān)測和識別距離大于150 km的龍卷、雹云、冰雹等中小尺度強(qiáng)天氣現(xiàn)象，徑向風(fēng)速測量的范圍達(dá)到±36 m／s，是分析茂名北部山區(qū)中小尺度天氣系統(tǒng)、應(yīng)對突發(fā)強(qiáng)對流災(zāi)害性天氣的有力工具。

根據(jù)中國氣象局觀測司下發(fā)的《天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式（V1.0版）》規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)天氣雷達(dá)格式基數(shù)據(jù)可分為公共數(shù)據(jù)塊和徑向數(shù)據(jù)塊兩部分。公共數(shù)據(jù)塊用于提供數(shù)據(jù)站點(diǎn)信息、任務(wù)配置等公共信息，徑向數(shù)據(jù)塊用于存儲天氣雷達(dá)的探測資料，包括3個子塊：徑向頭、徑向數(shù)據(jù)頭以及徑向數(shù)據(jù)。CINRAD／CCJ如采用VCP21模式進(jìn)行體掃，在6 min之內(nèi)9個仰角完成9次掃描，每層包涵3個產(chǎn)品，即回波強(qiáng)度（Z）、徑向速度（V）、速度譜寬（W），基數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制文件存儲［16］，不能直接查看應(yīng)用，整個基數(shù)據(jù)文件由一個文件頭（公共數(shù)據(jù)塊）和基于極坐標(biāo)系的原始數(shù)據(jù)（512個徑向數(shù)據(jù)塊）組成。在基數(shù)據(jù)讀取過程中，首先讀取的是存儲在二進(jìn)制文件中的頭文件（公共數(shù)據(jù)塊），獲取CINRAD／CCJ型天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)的描述信息，如雷達(dá)所在經(jīng)緯度、觀測起始時(shí)間、回波類型、天線仰角等，再對數(shù)據(jù)塊各個徑向數(shù)據(jù)順序讀取，直到所有徑向數(shù)據(jù)讀取完畢。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（極坐標(biāo)-平面坐標(biāo)）

雷達(dá)掃描結(jié)果生成的基數(shù)據(jù)以極坐標(biāo)的方式進(jìn)行存儲，因此為了在平面坐標(biāo)系中顯示雷達(dá)的回波圖，需將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)。不同型號的天氣雷達(dá)體采用的體掃模式不一樣，同一體掃中各仰角的徑向距離庫也不相同，為了盡可能保留雷達(dá)掃描出來原始數(shù)據(jù)，以所需仰角層的雷達(dá)徑向的距離庫值來確定平面大小。預(yù)設(shè)雷達(dá)掃描層的徑向距離庫數(shù)為n，則雷達(dá)掃描到的平面圖像覆蓋面積為半徑等于n像素的圓，平面即是這個圓所外接的最小正方形，大小為2n×2n像素，如圖3所示。

圖3 雷達(dá)回波平面圖和任意P點(diǎn)示意圖

平面內(nèi)4個角坐標(biāo)分別為（0，0）、（2n，0）、（0，2n）和 （2n，2n），中心點(diǎn)坐標(biāo)為（n，n），即雷達(dá)站經(jīng)緯度位置。在平面中循環(huán)掃描橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，定位平面內(nèi)任意P（x，y）點(diǎn)，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系算出P（x，y）的方位角為

P（x，y）點(diǎn)的距離庫為

雷達(dá)波束徑向分辨率為i，循環(huán)一個體掃各仰角層徑向數(shù)據(jù)，得到任意徑向的方位角α（°），則該體掃的徑向覆蓋范圍為根據(jù)算出來的結(jié)果，如是該值則P（x，y）點(diǎn)處于徑向覆蓋范圍內(nèi)，在該徑向數(shù)據(jù)庫內(nèi)讀取顯示的第K（0≤K＜n）個要素?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)查詢到的雷達(dá)回波圖色標(biāo)值RGB對照表，填充P（x，y）點(diǎn)顏色，循環(huán)平面上對應(yīng)所有點(diǎn)，直至整張雷達(dá)回波圖繪制完成。

3 結(jié)合雷達(dá)產(chǎn)品在氣象服務(wù)中的應(yīng)用

受2019年第11號臺風(fēng)“白鹿”殘留云系和西南季風(fēng)共同影響，2019年8月26日茂名北部的信宜市出現(xiàn)大雨到暴雨，局部大暴雨到特大暴雨的降水過程，25日20：00—26日20：00（北京時(shí)，下同）的過程雨量如圖4所示。

圖4 2019年8月25日20：00—26日20：00累計(jì)降雨量（單位：mm）

部署在茂名信宜的新一代C波段多普勒天氣雷達(dá)準(zhǔn)確地觀測到該次強(qiáng)降水過程的資料，2019年8月26日02：40的雷達(dá)組合反射率和1.5°仰角基本反射率回波圖如圖5b和圖5a所示。從1.5°仰角基本反射率回波圖上看，01：24強(qiáng)回波的最大值達(dá)到55 dBz，疊加茂名GIS系統(tǒng)市縣和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的圖層并放大，可以明顯地看到01：24強(qiáng)降水云團(tuán)在信宜北面的廣西容縣、岑溪和廣東羅定濱鎮(zhèn)和新樂鎮(zhèn)一帶。

圖5 2019年8月26日01：24茂名信宜雷達(dá)1.5°仰角基本反射率（a）和組合反射率（b）（單位：dBz）

根據(jù)時(shí)間前后之間雷達(dá)產(chǎn)品的推斷，該云團(tuán)正在緩慢地向信宜東北方向移動并有加強(qiáng)的趨勢。根據(jù)云團(tuán)的分布、移動速度和移動方向等各方面的綜合判斷，信宜市氣象局值班員于26日01：29開始通過預(yù)警平臺先后發(fā)布了暴雨黃色、橙色和紅色預(yù)警信號。

統(tǒng)計(jì)區(qū)域自動氣象站監(jiān)測到的實(shí)時(shí)雨量信息情況。03：40信宜市貴子鎮(zhèn)自動站5 min雨量為22.2 mm，與實(shí)時(shí)雨量對應(yīng)的03：42雷達(dá)回波圖如圖6。

圖6 2019年8月26日03：42茂名信宜雷達(dá)回波（單位：dBz）

另外，信宜新一代C波段多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品和茂名精細(xì)化GIS信息系統(tǒng)進(jìn)行疊加定位，反映在GIS上的強(qiáng)降雨云團(tuán)位置與實(shí)際降雨區(qū)域在定位上有一定偏差，經(jīng)對自動站觀測時(shí)間與雷達(dá)掃描的時(shí)間差對比和地圖粗略測量，偏差距離約為0.5～1 km。疊加到GIS的雷達(dá)回波產(chǎn)品主要分為PPI和CAPPI兩類，在徑向距離產(chǎn)生誤差的原因一是投影、二是地球曲率。通常的做法是將CAPPI產(chǎn)品疊加顯示在GIS上，PPI產(chǎn)品比較少用，這種做法可以帶來另一種好處，就是快速，便于監(jiān)測快速變化的回波，本應(yīng)用是采用0.5°或1.5°兩種仰角PPI直接疊加。沿著雷達(dá)波束向外，隨著徑向距離的增加，距地面的高度也在增加，通過三角函數(shù)計(jì)算得出，1.5°仰角的PPI產(chǎn)品，距離100 km的回波，距離地面高度約2.62 km，平面投影誤差約35 m；200 km的回波，距離地面高度約5.24 km，平面投影誤差約70 m，在遠(yuǎn)距離處，由于最低仰角獲取到的數(shù)據(jù)離地面有一定高度，有可能探測不到真正的最高仰角回波強(qiáng)度，所以，近距離的投影誤差可以忽略，但遠(yuǎn)距離，尤其是高仰角PPI產(chǎn)品的投影誤差則無法避免。

4 結(jié)論

本研究用Mapinfo公共數(shù)據(jù)資源接口為數(shù)據(jù)源，利用C＃環(huán)境下的控件組合與控制技術(shù)，采用等距圓柱投影的方式實(shí)現(xiàn)精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的茂名市精細(xì)化地理信息系統(tǒng)（GIS），以茂名市精細(xì)化GIS為基礎(chǔ)，描述了新一代C波段多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD／CCJ）標(biāo)準(zhǔn)格式基數(shù)據(jù)的解析、繪圖過程，完成了雷達(dá)觀測產(chǎn)品圖與茂名市精細(xì)化GIS的匹配。茂名市精細(xì)化GIS與茂名信宜CINRAD／CCJ新一代天氣雷達(dá)的產(chǎn)品進(jìn)行疊加應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)是能根據(jù)GIS信息進(jìn)行快速判斷定位回波位置，提供便捷的決策參考依據(jù)；缺點(diǎn)是PPI雷達(dá)產(chǎn)品以雷達(dá)為中心直接疊加在GIS平面系統(tǒng)上，沿著雷達(dá)波束向外，隨著徑向距離的增加，距地面的高度也在增加，測量、投影和定位疊加等誤差也會增加，因此本研究應(yīng)用近距離的投影誤差可以忽略，但遠(yuǎn)距離高仰角PPI產(chǎn)品的投影誤差則無法避免，這需要業(yè)務(wù)人員在使用前對當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛埠透骺h的地理環(huán)境情況大概有所了解。