陶威 向華 周之栩

（浙江省湖州市氣象局，浙江湖州 313000）

1 概述

湖州市地形特殊，西部以丘陵、山地為主，東部為水鄉(xiāng)平原，北臨太湖，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，季風(fēng)顯著，四季分明；雨熱同季，降水充沛，降水對(duì)人們生活生產(chǎn)具有重要影響。同時(shí)夏季強(qiáng)回波經(jīng)常短時(shí)間生消，且對(duì)本市影響很大。目前國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行分析，得到了很多成果。如樊利強(qiáng)等[1]對(duì)北京一次強(qiáng)對(duì)流天氣分析得出近地面輻合線是颮線生成的主要觸發(fā)機(jī)制,而低層?xùn)|風(fēng)系統(tǒng)對(duì)輻合線的發(fā)展起著重要的作用；張妤晴等[2]對(duì)廈門(mén)2020 年7 月29 日局地短時(shí)強(qiáng)降水的成因和預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行分析得出相控陣?yán)走_(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)局地短時(shí)強(qiáng)降水均有很好的指示作用；鄭媛媛等[3]對(duì)一次強(qiáng)對(duì)流進(jìn)行天氣雷達(dá)觀測(cè)分析得出該超級(jí)單體南邊出現(xiàn)兩條明顯的出流邊界，一條位于鉤狀回波的西南，另一條位于東南，這是超級(jí)單體風(fēng)暴的典型特征之一。從這些研究中均能發(fā)現(xiàn)對(duì)短時(shí)強(qiáng)對(duì)流的研究均離不開(kāi)多普勒天氣雷達(dá)，新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)和預(yù)警強(qiáng)對(duì)流天氣的主要工具之一[4-5]。因?yàn)閺?qiáng)回波的短時(shí)性和實(shí)時(shí)性，給預(yù)報(bào)服務(wù)工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[6-8]。因?yàn)樘鞖饫走_(dá)系統(tǒng)和自動(dòng)站系統(tǒng)不統(tǒng)一，且缺少提醒功能，所以很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣提醒進(jìn)行了一系列研究。如早期吳國(guó)銳等[9]將香港天氣雷達(dá)回波圖和廣東省自動(dòng)站實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，將預(yù)警信息通過(guò)電話(huà)對(duì)預(yù)報(bào)員進(jìn)行天氣提醒；而鄭媛媛等[10]則將多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)，擴(kuò)大預(yù)警范圍，增加預(yù)警時(shí)間；李勇等[11]則建立了一套強(qiáng)對(duì)流自動(dòng)化提醒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、加工和發(fā)布；岳平等[12]將靜止衛(wèi)星紅外云圖加入到汛期強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)中，為強(qiáng)對(duì)流天氣研究提供衛(wèi)星參數(shù)；杜小松等[13]則利用VB 語(yǔ)言編程，采用人機(jī)交互的方法，自動(dòng)讀取雷達(dá)和自動(dòng)站資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)惠州市未來(lái)3 小時(shí)的強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警；鄭永光等[14]利用多源資料建立了包括雷達(dá)回波追蹤、對(duì)流系統(tǒng)識(shí)別追蹤分析、閃電密度監(jiān)測(cè)技術(shù)等強(qiáng)對(duì)流天氣綜合監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。由于現(xiàn)在應(yīng)用中，湖州地區(qū)預(yù)報(bào)員對(duì)龍卷、中氣旋等中小尺度天氣過(guò)程的監(jiān)測(cè)分析，仍以單站雷達(dá)產(chǎn)品為主。常用分析工具有兩個(gè)：一是主用戶(hù)處理器（Principal User Processor，PUP），二是浙江雷達(dá)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。但是這兩個(gè)分析工具都缺少?gòu)?qiáng)對(duì)流天氣提醒功能，當(dāng)強(qiáng)對(duì)流天氣突發(fā)時(shí)預(yù)報(bào)員容易遺漏，且預(yù)報(bào)員在編輯天氣提醒短信時(shí)需要查看自動(dòng)站實(shí)況，分析該強(qiáng)對(duì)流天氣的演變，這容易導(dǎo)致預(yù)警短信的更新不及時(shí)。因此，有必要進(jìn)行湖州本市范圍以外50KM 以及本市范圍內(nèi)強(qiáng)回波的監(jiān)測(cè)、識(shí)別、跟蹤與檢驗(yàn)，預(yù)警短信的自動(dòng)生成系統(tǒng)的建設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用，為預(yù)報(bào)服務(wù)保駕護(hù)航。本研究根據(jù)前人研究思路，借鑒王剛等、黃成南等在WebGIS 方面的研究成果，結(jié)合使用JAVA、WebGIS 和HTML5 技術(shù)開(kāi)發(fā)了新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品綜合顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面結(jié)合以上兩種分析工具的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)天氣實(shí)況與雷達(dá)回波對(duì)比分析顯示功能，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波的質(zhì)量控制，強(qiáng)化局地小范圍災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)，最大限度發(fā)揮新一代天氣雷達(dá)的應(yīng)用效益，通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轄區(qū)內(nèi)的強(qiáng)對(duì)流天氣實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)視以及提前預(yù)警，減輕值班人員的工作量，提高業(yè)務(wù)科技水平，提高災(zāi)害性天氣應(yīng)對(duì)的反應(yīng)時(shí)間，更好的為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

2 資料與方法

2.1 資料

資料：湖州本市雷達(dá)資料，湖州本市及外延50KM 范圍以?xún)?nèi)自動(dòng)站資料。

2.2 方法

方法：通過(guò)光流法對(duì)本市及外延50KM 范圍以?xún)?nèi)回波進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別、跟蹤，同時(shí)將識(shí)別到的回波通過(guò)中尺度自動(dòng)站實(shí)時(shí)風(fēng)雨數(shù)據(jù)對(duì)回波進(jìn)行檢驗(yàn)，防止回波的漏報(bào)和空?qǐng)?bào)。

光流法: 它是空間運(yùn)動(dòng)物體在觀察成像平面上的像素運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，是利用圖像序列中像素在時(shí)間域上的變化以及相鄰幀之間的相關(guān)性來(lái)找到上一幀跟當(dāng)前幀之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而計(jì)算出相鄰幀之間物體的運(yùn)動(dòng)信息的一種方法。一般而言，光流是由于場(chǎng)景中前景目標(biāo)本身的移動(dòng)、相機(jī)的運(yùn)動(dòng)，或者兩者的共同運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。其計(jì)算方法可以分為三類(lèi)：（1）基于區(qū)域或者基于特征的匹配方法。（2）基于頻域的方法。（3）基于梯度的方法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光流是空間運(yùn)動(dòng)物體在觀測(cè)成像平面上的像素運(yùn)動(dòng)的“瞬時(shí)速度”。光流的研究是利用圖像序列中的像素強(qiáng)度數(shù)據(jù)的時(shí)域變化和相關(guān)性來(lái)確定各自像素位置的“運(yùn)動(dòng)”。研究光流場(chǎng)的目的就是為了從圖片序列中近似得到不能直接得到的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。

3 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為資料下載、資料顯示、監(jiān)測(cè)預(yù)警、雷達(dá)外推、產(chǎn)品制作五個(gè)模塊，其中核心模塊為監(jiān)測(cè)預(yù)警、雷達(dá)外推和產(chǎn)品制作。資料顯示是綜合顯示自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)（基于SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)獲取1 小時(shí)數(shù)據(jù)和5 分鐘加密數(shù)據(jù)）、新一代多普勒天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)（SA）和各種預(yù)警信息的展示。監(jiān)測(cè)預(yù)警的功能主要是監(jiān)測(cè)自動(dòng)氣象站和新一代多普勒雷達(dá)回波值，達(dá)到設(shè)定的預(yù)警閾值后以聲音、圖標(biāo)等方式提醒值班人員。雷達(dá)外推主要是利用光流法外推獲取雷達(dá)范圍內(nèi)1 小時(shí)的降水和風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并生成預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)圖。

根據(jù)以上模塊功能設(shè)計(jì)了湖州市強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)預(yù)警流程圖，首先對(duì)ftp 服務(wù)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)服務(wù)器有新的雷達(dá)基數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)將雷達(dá)基數(shù)據(jù)拷貝到本地路徑，并進(jìn)行解壓和解碼，在軟件上進(jìn)行顯示，同時(shí)獲取自動(dòng)站的五分鐘加密數(shù)據(jù)和1 小時(shí)數(shù)據(jù)（根據(jù)時(shí)間選擇獲取不同的自動(dòng)站數(shù)據(jù)）并進(jìn)行顯示；基于閾值對(duì)自動(dòng)站數(shù)據(jù)和雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，是否進(jìn)行預(yù)警；基于前兩個(gè)時(shí)次的雷達(dá)數(shù)據(jù)和自動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行光流法外推，判定未來(lái)趨勢(shì)；基于前面閾值進(jìn)行聲音和圖標(biāo)預(yù)警（根據(jù)災(zāi)害要素閾值級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的預(yù)警信號(hào)圖標(biāo)并進(jìn)行展示），同時(shí)生成初始的預(yù)警文件，預(yù)警文件包含發(fā)布單位、發(fā)布時(shí)間、發(fā)布預(yù)警類(lèi)型、回波強(qiáng)度、回波方位、未來(lái)移動(dòng)方向以及可能產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流天氣等信息；值班人員根據(jù)預(yù)警文件開(kāi)展預(yù)警和服務(wù)。

圖1 湖州市強(qiáng)對(duì)流監(jiān)測(cè)預(yù)警流程圖

3.2 基數(shù)據(jù)下載與處理

3.2.1 ftp 下載是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下載網(wǎng)絡(luò)中ftp 服務(wù)器中的文件功能，它需要ftp 路徑、ftp 文件名、用戶(hù)名、密碼、下載到本地的路徑和文件名，需要引用的類(lèi)主要是System.Net 和System.IO。

3.2.2 在引用中添加System.Net 和System.IO 等類(lèi)。

3.3 數(shù)據(jù)顯示

Bitmap 類(lèi)和Graphics 類(lèi)是C# 圖像處理中最重要的3 個(gè)類(lèi)，Bitmap 對(duì)象封裝了GDI+中的一個(gè)位圖, 此位圖由圖形圖像及其屬性的像素?cái)?shù)據(jù)組成。Graphics 對(duì)象是GDH+的關(guān)鍵所在，許多對(duì)象都是由Graphics 類(lèi)表示的, 該類(lèi)定義了繪制和填充圖形對(duì)象的方法和屬性，一個(gè)應(yīng)用程序只要需要進(jìn)行繪制或著色,它就必須使用Graphics 對(duì)象。

3.3.1 雷達(dá)顯示

3.3.2 自動(dòng)站數(shù)據(jù)顯示

g.DrawString （Std [i].Name, ft, bsT, x, y + 3）;//自動(dòng)站名顯示，ft 為字體格式，bsT 為畫(huà)筆顏色，x，y 為對(duì)于的坐標(biāo)值，需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化

g.DrawString（Rt.ToString（"f1"）, ft, bsR, x - 32, y）;//顯示雨量值，當(dāng)大于0 時(shí)顯示

g.DrawString （Th.ToString （"f1"）, ft, bsT, x - 32, y - 15）;//顯示溫度值

DrawWind（g, FD, FS, x, y）;//顯示風(fēng)向和風(fēng)速，F(xiàn)D 為風(fēng)向，F(xiàn)S 為風(fēng)速

3.3.3 預(yù)警信息顯示

通過(guò)解析雷達(dá)和自動(dòng)站數(shù)據(jù)，將雷達(dá)和自動(dòng)站數(shù)據(jù)疊加在一張底圖上，當(dāng)自動(dòng)站值和雷達(dá)回波達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，在右側(cè)的信息欄顯示預(yù)警信息，在站點(diǎn)附近顯示預(yù)警圖標(biāo)，并以聲音方式提醒值班人員。

3.4 預(yù)警閾值及回波定位

3.4.1 預(yù)警閾值

根據(jù)強(qiáng)對(duì)流天氣中的標(biāo)準(zhǔn)，1 小時(shí)降水量≥20mm，風(fēng)速≥17m/s，最高氣溫≥35℃，雷達(dá)回波≥35dbz 等閾值條件進(jìn)行預(yù)警（可根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整）。同時(shí)根據(jù)災(zāi)害的不同級(jí)別設(shè)置不同等級(jí)的預(yù)警，如暴雨預(yù)警信號(hào)降水量區(qū)間為[20,30）,[30,40）,[40,50）,[50,+∞）對(duì)于的是藍(lán)、黃、橙、紅色預(yù)警信號(hào)，雷電預(yù)警信號(hào)降水量區(qū)間（根據(jù)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)）為[10,30）,[30,50）,[50,+∞）對(duì)于的是黃、橙、紅色預(yù)警信號(hào)，高溫預(yù)警信號(hào)最高氣溫區(qū)間為[35,38）,[38,42）,[42,+∞）對(duì)應(yīng)的是黃、橙、紅色預(yù)警信號(hào)，大風(fēng)預(yù)警信號(hào)最大風(fēng)速區(qū)間為[12,17）,[17,24）,[24,30）,[30,+∞）對(duì)于的是黃、橙、紅色預(yù)警信號(hào)。

3.4.2 回波定位

將雷達(dá)回波極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)（誤差范圍在允許范圍內(nèi)），然后根據(jù)shp 文件的經(jīng)緯度信息定位回波范圍。

4 核心功能實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)雷達(dá)產(chǎn)品程序只是一個(gè)查看工具，沒(méi)有提醒與制作短信功能，而強(qiáng)對(duì)流天氣恰恰有突發(fā)性與短時(shí)性特點(diǎn)，而預(yù)報(bào)員并不能時(shí)時(shí)查看雷達(dá)產(chǎn)品，強(qiáng)對(duì)流天氣容易漏報(bào)且實(shí)時(shí)性不夠。該天氣雷達(dá)產(chǎn)品綜合顯示系統(tǒng)（圖2）產(chǎn)品窗口分為2 個(gè)子區(qū)域: 圖像區(qū)、標(biāo)注區(qū)。圖像區(qū)用于圖形產(chǎn)品、字符產(chǎn)品以及背景地圖等的顯示; 標(biāo)注區(qū)用于顯示產(chǎn)品的一些標(biāo)識(shí)信息，包括自動(dòng)站號(hào)、天氣實(shí)況、出現(xiàn)強(qiáng)降水和大風(fēng)的站點(diǎn)等。同時(shí)在后臺(tái)生成預(yù)警短信并有聲音提示，預(yù)警信息包含的內(nèi)容為：回波生成地點(diǎn)、移動(dòng)方向與移動(dòng)速度、強(qiáng)弱變化以及預(yù)計(jì)對(duì)本市的風(fēng)雨影響。

圖2 天氣雷達(dá)產(chǎn)品綜合顯示系統(tǒng)客戶(hù)端功能界面

5 結(jié)論與探討

5.1 該系統(tǒng)基于湖州市氣象部門(mén)天氣雷達(dá)資料的數(shù)據(jù)源現(xiàn)狀，提出基于光流法雷達(dá)產(chǎn)品處理技術(shù)方案，自動(dòng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣報(bào)警并生成預(yù)警短信，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有高性能、低耦合、高可靠等特性，雷達(dá)產(chǎn)品處理響應(yīng)時(shí)間快速，為短時(shí)臨近預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)贏得寶貴的時(shí)間。

5.2 該系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用GIS 技術(shù)將自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)、多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品整合在一張底圖上，可將天氣實(shí)況與雷達(dá)回波對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)警短信的質(zhì)量控制，進(jìn)一步挖掘天氣雷達(dá)的應(yīng)用潛力，充分發(fā)揮雷達(dá)的建設(shè)效益。

但該系統(tǒng)對(duì)回波的生消和強(qiáng)度變化判斷并不精準(zhǔn)，尤其是夏天局地生成的回波，容易遺漏，這需要我們進(jìn)一步研究。