韋凱華， 梁偉杰,2， 韋海寧， 袁宇東,2

(1.廣東省氣象臺，廣東 廣州 510080；2.中國南海石油聯(lián)合服務(wù)總公司氣象服務(wù)公司，廣東 廣州 510080；3.廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責任公司，廣西 南寧 530023)

0 引言

南海海域是我國重要的戰(zhàn)略縱深，地理位置十分重要。隨著近年來海洋主權(quán)意識的不斷增強，在南海進行生產(chǎn)作業(yè)和駐守的軍民也在增加。受地理環(huán)境和氣象環(huán)境條件影響，南海災(zāi)害性天氣頻發(fā)，海洋氣象條件復(fù)雜，季風(fēng)和熱帶云團導(dǎo)致的強對流天氣以及路徑曲折、強度多變的臺風(fēng)[1-3]，使得在南海航行及進行漁業(yè)作業(yè)的船舶常受惡劣天氣的威脅[4]。天氣雷達作為監(jiān)測近海臺風(fēng)及強對流天氣的有效工具，其相關(guān)產(chǎn)品對預(yù)報員分析判斷未來天氣動向，以及為公眾和行業(yè)提供防御決策指導(dǎo)至關(guān)重要。但現(xiàn)行的雷達產(chǎn)品圖在精細化地理信息(如南海島礁)的繪制方面的不足限制了其使用價值的進一步挖掘。本文在此前工作的基礎(chǔ)上[5-7]利用Python編程語言及其相關(guān)類庫重新制作南海海域氣象雷達可視化專題圖，并實現(xiàn)自動化生成，以期進一步推進相關(guān)資料應(yīng)用，充分發(fā)揮氣象防災(zāi)減災(zāi)第一道防線的作用。

Python作為一種跨平臺的計算機程序設(shè)計語言，結(jié)合了解釋性、編譯性、互動性等特點，并且是一種面向?qū)ο蟮母呒壵Z言。其設(shè)計之初定位自動化腳本(Shell)語言的編寫，隨著相關(guān)類庫的不斷更新和發(fā)展，逐漸被用于大型項目的開發(fā)。其提供的便捷的數(shù)據(jù)分析、擬合等功能，并被應(yīng)用于金融分析、數(shù)據(jù)挖掘等多個領(lǐng)域[8]。本研究選NumPy、Pandas進行數(shù)據(jù)解碼，利用強大的繪圖類庫Matplotlib完成專題圖繪制。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 氣象雷達基數(shù)據(jù)資料的讀取

南海海域以及周邊的海南、廣東、廣西三省沿海共布設(shè)有S波段(SA、SC)氣象雷達12部，不同型號的雷達其基數(shù)據(jù)格式不盡相同。中國氣象局于2020年度完成了氣象雷達數(shù)據(jù)格式標準化工作，實現(xiàn)標準格式單軌運行。本文選取位于南海中部三沙市永興島的西沙SC型雷達作為代表，一方面考慮西沙附近島礁密集，對于精確地理信息與氣象信息結(jié)合需求相對較大；另一方面，SC型雷達在上述業(yè)務(wù)變更前后，基數(shù)據(jù)格式的改動較大。標準格式雷達基數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 標準格式基數(shù)據(jù)整體結(jié)構(gòu)

其中，N表示第N個仰角；M表示第M個徑向；K表示第K個數(shù)據(jù)類型；I表示徑向數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)讀取過程中涉及到上述多個結(jié)構(gòu)字段的循環(huán)。本文首先選用NumPy類庫中的numpy.dtype函數(shù)構(gòu)建類似結(jié)構(gòu)體的字典類型。并采用NumPy類庫的frombuffer函數(shù)循環(huán)遍歷讀取雷達基數(shù)據(jù)的各個數(shù)據(jù)塊并經(jīng)解碼后存入對應(yīng)numpy.ndarray類型的三維數(shù)組(仰角、方位角和徑向)中。其關(guān)鍵代碼如圖2所示。

圖2 標準格式基數(shù)據(jù)讀取及解碼關(guān)鍵代碼

由于Numpy底層采用Fortran和C++ BOOST進行數(shù)據(jù)處理和運算的工作，本文采用numpy.frombuffer函數(shù)可以在確保運行效率的同時充分發(fā)揮Python易讀性強的特點。數(shù)據(jù)讀取和解碼完成后，根據(jù)各個徑向的方位角信息，以方位角升序的方式對變量三維數(shù)組進行排序，形成排序后的反射率因子(ref)和多普勒速度(vel)三維數(shù)組數(shù)據(jù)，用于后續(xù)進一步繪圖或計算處理。

1.2 GIS信息的預(yù)制作

從國家地理信息共享平臺(全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng))獲取1：100萬全國地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于獲取的是分幅數(shù)據(jù)，故需要通過ArcGIS軟件按照所需要的南海區(qū)域地理信息范圍合并相應(yīng)的幾幅，再進行裁剪，最后得到一組以SouthChinaSea命名的地理信息數(shù)據(jù)。對于主要島礁名稱的文字標注，需要讀取其中的庫表關(guān)系獲取名稱和位置信息。為簡化步驟，提高讀取效率，用ArcGIS軟件中的要素轉(zhuǎn)點功能，將.shp文件中原有的面元素和線元素轉(zhuǎn)換為點元素，同時運用軟件中的Excel轉(zhuǎn)換工具，將已轉(zhuǎn)換為點元素的.shp文件中包含各元素的屬性表轉(zhuǎn)換為.xls文件并另存，每行中就包含了元素所屬類別、中英文名稱、經(jīng)緯度坐標等。后續(xù)即可通過Python程序讀取該.xls文件實現(xiàn)地理信息的標注。

2 氣象雷達可視化專題圖自動制作程序設(shè)計

本研究利用Python語言設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)氣象雷達可視化專題圖自動制作，程序框圖及數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 程序框圖及數(shù)據(jù)處理流程

氣象雷達站觀測到的雷達回波信息數(shù)據(jù)上傳至國省兩級氣象信息中心數(shù)據(jù)庫后，再通過推送下發(fā)或數(shù)據(jù)接口訪問的方式將基數(shù)據(jù)提供給氣象臺等業(yè)務(wù)單位使用[9]。設(shè)計的程序主要分為3大功能模塊，即時間調(diào)度與實時資料檢索匹配模塊、雷達數(shù)據(jù)讀取計算處理模塊、雷達數(shù)據(jù)與GIS信息繪圖模塊。經(jīng)程序處理后自動制作生成的氣象雷達可視化專題圖可推送到本地或網(wǎng)絡(luò)指定位置，供氣象部門內(nèi)及部門外各渠道調(diào)用。

2.1 實時資料的檢索與匹配

無論通過數(shù)據(jù)接口訪問或是本地推送(或FTP共享)的方式獲取氣象雷達基數(shù)據(jù)，要實現(xiàn)實時的專題服務(wù)圖自動制作，首先需完成最新資料檢索下載。以本地(或FTP共享)方式訪問為例，讀取配置文件settings.ini中的資料路徑fileFolder，列出該目錄下后綴名為.bz2的文件。標準雷達基數(shù)據(jù)文件名的形式為Z_RADR_I_Ziiii_YYYYMMDDhhmmss_O_DOR_TT_CAP_FMT.bin.bz2，其中iiii為4位數(shù)字的雷達區(qū)站號；TT為雷達型號；YYYYMMDDhhmmss為基數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間。本文利用正則表達式提取雷達站號和數(shù)據(jù)時間信息。通過提取后的雷達站號確定西沙雷達基數(shù)據(jù)存放的次級目錄，進入到目錄中后對列表中的所有文件根據(jù)文件名時間進行逆序排列，排序后的第一個文件名即為最新的資料?？紤]到可能出現(xiàn)的雷達數(shù)據(jù)傳輸故障，設(shè)定為機器當前時間與最新雷達數(shù)據(jù)文件名時間的延遲小于15分鐘以內(nèi)時，才進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作。具體代碼如圖4所示。

圖4 實時資料檢索與匹配關(guān)鍵代碼

2.2 氣象雷達基數(shù)據(jù)資料的可視化專題圖繪制

在讀取雷達基數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上進行可視化專題圖的繪制。自定義一個帶參數(shù)的draw_radar_ppi函數(shù)，傳入的參數(shù)為要繪制的專題圖數(shù)據(jù)類型。先利用循環(huán)按投影比例繪制雷達距離圈和方位角射線，此后根據(jù)傳入的參數(shù)確定繪制數(shù)據(jù)類型及其對應(yīng)的色標(色標預(yù)先以數(shù)組形式定義在mycolors_變量名.npy文件中，通過自定義的get_cmap函數(shù)傳遞)。以雷達所在坐標經(jīng)緯度為中心，按方位和徑向計算雷達極坐標投影至地理坐標的經(jīng)緯度位置。本文充分利用NumPy的向量運算的特性，運用Pyproj包中的Geod函數(shù)，將極坐標通過WGS84坐標系投影轉(zhuǎn)換為等經(jīng)緯網(wǎng)上的笛卡爾坐標，得到雷達數(shù)據(jù)在平面上的lon(經(jīng)度)與lat(緯度)值，再利用pcolormesh函數(shù)按排序處理后的三維數(shù)組數(shù)據(jù)值對應(yīng)的色標繪制圖形。pcolormesh函數(shù)可用于均勻/非均勻色標的繪制，通過對BoundaryNorm類型的指定實現(xiàn)，其構(gòu)造函數(shù)為BoundaryNorm(boundaries, ncolors, clip)。各參數(shù)含義如下：levels為傳入的色標閾值；ncolors為色標的色階數(shù)；clip為控制邊界值是否截斷進行繪制，選用True表示超出閾值上下邊界的均截斷為閾值。

再確定子坐標軸，分別以文本形式繪制相關(guān)的雷達基本信息和觀測信息，以矩形填色方式繪制色標與閾值，并從基數(shù)據(jù)中提取時間信息，用datetime類完成儒略歷、地方時轉(zhuǎn)換，用作保存專題圖的文件名使用，完成整幅圖的基本繪制。關(guān)鍵代碼如圖5所示。

圖5 專題圖繪制關(guān)鍵代碼

2.3 GIS信息的繪制

運用Matplotlib類庫中的Basemap庫指定數(shù)據(jù)繪圖的投影方式以及經(jīng)緯度范圍，并通過readshapefile函數(shù)依次讀入國省市及縣界的.shp地理信息，本設(shè)計中，使用的.shp地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括了南海所有島礁的信息以及南海九段線，符合地理信息規(guī)范化制圖的規(guī)定。drawmapboundary函數(shù)使用指定顏色繪制底圖，此處指定為海洋顏色，fillcontinents函數(shù)將在底圖上用指定顏色填充繪制陸地地形。此外，南海島礁名稱的標注，通過Pandas類庫中的read_excel函數(shù)，按指定格式讀取第2.2節(jié)中預(yù)先制作好的SouthChinaSea.xls中按行列存儲的地理信息，提取其中的名稱、經(jīng)緯度值，最后通過循環(huán)的方式逐條通過text函數(shù)將島礁名稱按前述繪圖投影方式的經(jīng)緯度以標注文字的形式繪制在底圖上。

3 專題圖效果展示與應(yīng)用

原程序制作的專題圖如圖6(a)所示。設(shè)計的Python程序自動運行后制作的南海氣象雷達專題圖如圖6(b)、圖6(c)所示。其中圖6(b)為繪制的雷達反射率因子(ref)資料。相較于原有VB(Visual Basic)程序繪制的專題圖(圖6(a))，可以發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計程序制圖的若干優(yōu)點。其一是增加了精確的地理信息，三沙市范圍內(nèi)西沙群島、中沙群島的島礁位置及名稱均清晰標注在圖內(nèi)，同時在海南島范圍內(nèi)將地理信息精確繪制至縣級(原來僅為市級)，并增加標注沿海重要港口及雷達探測距離圈范圍，幫助終端用戶能清楚獲悉惡劣天氣的影響區(qū)域、范圍和過去及未來一段時間的移動趨勢，特別是在臺風(fēng)臨近登陸時，上述功能可以輔助確定精確到縣級的可能登陸地段，以便更有針對性地采取防御措施。其二是改進了雷達數(shù)據(jù)處理的邏輯，原有的VB專題圖制作程序設(shè)計直接采取徑向數(shù)據(jù)方位角取整的方法處理和繪制圖像，造成了個別徑向的缺失，如圖6(a)中150°-180°方位角的部分徑向缺失影響了雷達回波圖像的完整性。本文的程序由于在繪制圖像前先進行了排序，并考慮到可能缺失徑向的插補，避免了繪制缺失徑向問題的出現(xiàn)。其三是高精度圖像繪制，由于雷達進行了技術(shù)升級與數(shù)據(jù)格式標準化統(tǒng)一工作，分辨率從原來的1.2 km提升了4倍至300 m，相應(yīng)程序也進行了修改，使得繪制的圖像更精細。同時本文的程序設(shè)計可以通過改變圖像dpi的方式調(diào)整輸出圖像的分辨率(默認dpi為100)。其四是在原有基礎(chǔ)上新增了徑向速度(vel)資料的專題圖，如圖6(c)所示。

圖6 各程序制作的專題圖

所選個例為2020年第22號臺風(fēng)“環(huán)高”過程，通過制作的專題圖，預(yù)報員可以分析計算得到專題圖代表的雷達探測0.5°仰角上，該臺風(fēng)底層中心附近的最大風(fēng)速為51 m/s(15級上限、16級下限)，考慮到臺風(fēng)中心距離雷達約150 km，根據(jù)測高公式算得回波離地高度約2.5 km，故結(jié)合預(yù)報經(jīng)驗公式折算至地面估計的風(fēng)應(yīng)在14到15級(46-48 m/s)左右。本臺預(yù)報員最終制作發(fā)布的臺風(fēng)路徑和強度在未來18 h內(nèi)均維持在45-50 m/s，同時繼續(xù)發(fā)布了臺風(fēng)緊急警報，指出“受冷空氣和臺風(fēng)‘環(huán)高’的共同影響，南海中西部海面：旋轉(zhuǎn)風(fēng)10到11級陣風(fēng)13級，其中臺風(fēng)中心經(jīng)過的附近海面14級陣風(fēng)15級”，預(yù)報結(jié)論與觀測實況較為一致，應(yīng)用專題圖起到了較好的服務(wù)效果。

此外程序自動生成的專題圖可以按配置文件settings.ini中的目標路徑輸出到指定目錄下或FTP服務(wù)器，除可以生成網(wǎng)站及App端常用的.jpg或.png格式外，還可以生成矢量圖.eps及.svg格式文件，為研究應(yīng)用印刷出版提供支持。

4 總結(jié)

本文基于Python語言，結(jié)合精細的GIS信息實現(xiàn)了南海氣象雷達專題服務(wù)圖的自動制作，支持雷達基數(shù)據(jù)自動檢索下載、解碼讀取、圖像投影繪制等功能。程序流程簡明清晰，從數(shù)據(jù)檢索到成圖分發(fā)耗時在5 s以內(nèi)，滿足業(yè)務(wù)時效需求。制作的專題服務(wù)圖供氣象部門內(nèi)預(yù)報分析網(wǎng)站及對內(nèi)/外App等多渠道應(yīng)用，特別是為近海臺風(fēng)、強對流等天氣的氣象防災(zāi)減災(zāi)工作提供了有力的資料支撐。添加的精確地理信息對于天氣影響區(qū)域的研判準確性較此前大為提升，且可以通過修改相關(guān)預(yù)制GIS文件的方式增加或突出顯示，在后續(xù)也可以按需增加近海航線、漁場等信息[10]，為更具體的應(yīng)用場景服務(wù)。此外，程序設(shè)計是基于標準格式的雷達基數(shù)據(jù)處理，可擴展應(yīng)用到南海海域及周邊任意一部業(yè)務(wù)雷達進行專題服務(wù)圖的制作，具有一定的推廣應(yīng)用價值。