强对流监测跟踪预警系统研发

2021-12-14陶威向华周之栩

科学技术创新 2021年34期

陶威向华周之栩

（浙江省湖州市气象局，浙江湖州 313000）

1 概述

湖州市地形特殊，西部以丘陵、山地为主，东部为水乡平原，北临太湖，河网纵横交错，季风显著，四季分明；雨热同季，降水充沛，降水对人们生活生产具有重要影响。同时夏季强回波经常短时间生消，且对本市影响很大。目前国内很多学者对强对流天气过程进行分析，得到了很多成果。如樊利强等[1]对北京一次强对流天气分析得出近地面辐合线是飑线生成的主要触发机制,而低层东风系统对辐合线的发展起着重要的作用；张妤晴等[2]对厦门2020 年7 月29 日局地短时强降水的成因和预报误差进行分析得出相控阵雷达和风廓线雷达对局地短时强降水均有很好的指示作用；郑媛媛等[3]对一次强对流进行天气雷达观测分析得出该超级单体南边出现两条明显的出流边界，一条位于钩状回波的西南，另一条位于东南，这是超级单体风暴的典型特征之一。从这些研究中均能发现对短时强对流的研究均离不开多普勒天气雷达，新一代天气雷达系统是监测和预警强对流天气的主要工具之一[4-5]。因为强回波的短时性和实时性，给预报服务工作带来巨大挑战[6-8]。因为天气雷达系统和自动站系统不统一，且缺少提醒功能，所以很多专家学者对强对流天气提醒进行了一系列研究。如早期吴国锐等[9]将香港天气雷达回波图和广东省自动站实况数据进行分析对比，将预警信息通过电话对预报员进行天气提醒；而郑媛媛等[10]则将多普勒天气雷达进行组网，扩大预警范围，增加预警时间；李勇等[11]则建立了一套强对流自动化提醒系统，实现了对气象数据的自动采集、加工和发布；岳平等[12]将静止卫星红外云图加入到汛期强对流天气系统中，为强对流天气研究提供卫星参数；杜小松等[13]则利用VB 语言编程，采用人机交互的方法，自动读取雷达和自动站资料，实现对惠州市未来3 小时的强对流天气预警；郑永光等[14]利用多源资料建立了包括雷达回波追踪、对流系统识别追踪分析、闪电密度监测技术等强对流天气综合监测业务系统。由于现在应用中，湖州地区预报员对龙卷、中气旋等中小尺度天气过程的监测分析，仍以单站雷达产品为主。常用分析工具有两个：一是主用户处理器（Principal User Processor，PUP），二是浙江雷达组网监测应用。但是这两个分析工具都缺少强对流天气提醒功能，当强对流天气突发时预报员容易遗漏，且预报员在编辑天气提醒短信时需要查看自动站实况，分析该强对流天气的演变，这容易导致预警短信的更新不及时。因此，有必要进行湖州本市范围以外50KM 以及本市范围内强回波的监测、识别、跟踪与检验，预警短信的自动生成系统的建设和业务应用，为预报服务保驾护航。本研究根据前人研究思路，借鉴王刚等、黄成南等在WebGIS 方面的研究成果，结合使用JAVA、WebGIS 和HTML5 技术开发了新一代天气雷达产品综合显示系统，该系统开发用户界面结合以上两种分析工具的优点，同时实现天气实况与雷达回波对比分析显示功能，实现雷达回波的质量控制，强化局地小范围灾害性天气监测，最大限度发挥新一代天气雷达的应用效益，通过该系统可以实现对辖区内的强对流天气实时跟踪监视以及提前预警，减轻值班人员的工作量，提高业务科技水平，提高灾害性天气应对的反应时间，更好的为地方经济建设和防灾减灾服务。

2 资料与方法

2.1 资料

资料：湖州本市雷达资料，湖州本市及外延50KM 范围以内自动站资料。

2.2 方法

方法：通过光流法对本市及外延50KM 范围以内回波进行监测、识别、跟踪，同时将识别到的回波通过中尺度自动站实时风雨数据对回波进行检验，防止回波的漏报和空报。

光流法: 它是空间运动物体在观察成像平面上的像素运动的瞬时速度，是利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧跟当前帧之间存在的对应关系，从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的一种方法。一般而言，光流是由于场景中前景目标本身的移动、相机的运动，或者两者的共同运动所产生的。其计算方法可以分为三类：（1）基于区域或者基于特征的匹配方法。（2）基于频域的方法。（3）基于梯度的方法。简单来说，光流是空间运动物体在观测成像平面上的像素运动的“瞬时速度”。光流的研究是利用图像序列中的像素强度数据的时域变化和相关性来确定各自像素位置的“运动”。研究光流场的目的就是为了从图片序列中近似得到不能直接得到的运动场。

3 系统总设计

3.1 系统设计

根据功能需求，将系统设计为资料下载、资料显示、监测预警、雷达外推、产品制作五个模块，其中核心模块为监测预警、雷达外推和产品制作。资料显示是综合显示自动气象站数据（基于SQL 数据库实时获取1 小时数据和5 分钟加密数据）、新一代多普勒天气雷达基数据（SA）和各种预警信息的展示。监测预警的功能主要是监测自动气象站和新一代多普勒雷达回波值，达到设定的预警阈值后以声音、图标等方式提醒值班人员。雷达外推主要是利用光流法外推获取雷达范围内1 小时的降水和风场预报数据，并生成预报动态图。

根据以上模块功能设计了湖州市强对流监测预警流程图，首先对ftp 服务器进行动态监测，当服务器有新的雷达基数据时，自动将雷达基数据拷贝到本地路径，并进行解压和解码，在软件上进行显示，同时获取自动站的五分钟加密数据和1 小时数据（根据时间选择获取不同的自动站数据）并进行显示；基于阈值对自动站数据和雷达基数据进行判定，是否进行预警；基于前两个时次的雷达数据和自动站数据进行光流法外推，判定未来趋势；基于前面阈值进行声音和图标预警（根据灾害要素阈值级别对应不同的预警信号图标并进行展示），同时生成初始的预警文件，预警文件包含发布单位、发布时间、发布预警类型、回波强度、回波方位、未来移动方向以及可能产生的强对流天气等信息；值班人员根据预警文件开展预警和服务。

图1 湖州市强对流监测预警流程图

3.2 基数据下载与处理

3.2.1 ftp 下载是实现自动下载网络中ftp 服务器中的文件功能，它需要ftp 路径、ftp 文件名、用户名、密码、下载到本地的路径和文件名，需要引用的类主要是System.Net 和System.IO。

3.2.2 在引用中添加System.Net 和System.IO 等类。

3.3 数据显示

Bitmap 类和Graphics 类是C# 图像处理中最重要的3 个类，Bitmap 对象封装了GDI+中的一个位图, 此位图由图形图像及其属性的像素数据组成。Graphics 对象是GDH+的关键所在，许多对象都是由Graphics 类表示的, 该类定义了绘制和填充图形对象的方法和属性，一个应用程序只要需要进行绘制或着色,它就必须使用Graphics 对象。

3.3.1 雷达显示

3.3.2 自动站数据显示

g.DrawString （Std [i].Name, ft, bsT, x, y + 3）;//自动站名显示，ft 为字体格式，bsT 为画笔颜色，x，y 为对于的坐标值，需要经过转化

g.DrawString（Rt.ToString（"f1"）, ft, bsR, x - 32, y）;//显示雨量值，当大于0 时显示

g.DrawString （Th.ToString （"f1"）, ft, bsT, x - 32, y - 15）;//显示温度值

DrawWind（g, FD, FS, x, y）;//显示风向和风速，FD 为风向，FS 为风速

3.3.3 预警信息显示

通过解析雷达和自动站数据，将雷达和自动站数据叠加在一张底图上，当自动站值和雷达回波达到设定的阈值时，在右侧的信息栏显示预警信息，在站点附近显示预警图标，并以声音方式提醒值班人员。

3.4 预警阈值及回波定位

3.4.1 预警阈值

根据强对流天气中的标准，1 小时降水量≥20mm，风速≥17m/s，最高气温≥35℃，雷达回波≥35dbz 等阈值条件进行预警（可根据情况进行调整）。同时根据灾害的不同级别设置不同等级的预警，如暴雨预警信号降水量区间为[20,30）,[30,40）,[40,50）,[50,+∞）对于的是蓝、黄、橙、红色预警信号，雷电预警信号降水量区间（根据预报经验）为[10,30）,[30,50）,[50,+∞）对于的是黄、橙、红色预警信号，高温预警信号最高气温区间为[35,38）,[38,42）,[42,+∞）对应的是黄、橙、红色预警信号，大风预警信号最大风速区间为[12,17）,[17,24）,[24,30）,[30,+∞）对于的是黄、橙、红色预警信号。

3.4.2 回波定位

将雷达回波极坐标转化为直角坐标（误差范围在允许范围内），然后根据shp 文件的经纬度信息定位回波范围。

4 核心功能实现

传统雷达产品程序只是一个查看工具，没有提醒与制作短信功能，而强对流天气恰恰有突发性与短时性特点，而预报员并不能时时查看雷达产品，强对流天气容易漏报且实时性不够。该天气雷达产品综合显示系统（图2）产品窗口分为2 个子区域: 图像区、标注区。图像区用于图形产品、字符产品以及背景地图等的显示; 标注区用于显示产品的一些标识信息，包括自动站号、天气实况、出现强降水和大风的站点等。同时在后台生成预警短信并有声音提示，预警信息包含的内容为：回波生成地点、移动方向与移动速度、强弱变化以及预计对本市的风雨影响。