新一代天气雷达产品的读取与研究

李高

【摘 要】本文介绍了多普勒雷达产品的一般数据格式，及常用两种产品的扫描方式、读取方式、坐标转换与插值等算法，最后采用实际产品读取验证，结果表明该读取、插值算法适用于产品的读取开发。

【关键词】多普勒雷达；Radial；Raster；读取

0 前言

随着新一代多普勒天气雷达的发展，基于多普勒雷达资料的临近预报系统的研究是目前我国气象预报的重要发展方向之一。但雷达产品、衍生的产品种类繁多，在天气预报中如何利用由雷达生成的数据产品来读取数据点的格点数值，进而建立精细化预报工具是当前雷达产品应用开发的首要步骤。本文将对雷达数据产品的数据格式进行解读、并根据数据点的经、纬度（或方位角与距离）读取到雷达产品格点。

1 雷达数据产品

当前新一代多普勒雷达系统生成的产品有两种格式，即数据产品格式和基于数据产品的位图格式[1]。前一种格式有助于用户作进一步的研发使用，后一种格式有利于用户直接浏览产品，所有的图像产品文件都采用Windows标准的位图格式（BMP）。它是一种通用的图像数据格式，具有与设备无关性等特点。为了节省磁盘空间采用压缩格式。图像大小采用640×480、800x600、1024x768三种方式。作为二次开发，我们主要使用的是前一种产品，且产品可多达几十种，在预报工作中较为常用的有：基本反射率、基本速度、组合反射率、风廊线、垂直液态含水量、1小时降水量、风暴追跟踪信息、冰雹指数等。产品的图像格式有：Radial Image、Raster Image、Linked Contour Vectors、Geographic and Non-geographic Alpha等，其中大多数产品为Radial image与Raster Image。本文主要介绍这两种格式雷达产品的读取。

2 雷达产品的格式及读取

数据文件格式大致为：第一部份是标题信息头块（MESSAGE HEADER），第二部份是产品描述块（PRODUCT DESCRIPTION），第三部份是产品符号块（ProductSymbologyBlock），第四部分是绘图的文字数字块，第五部份是表格用的文字数字块[2]。其中，第一、第二、第三部份是每个文件都有的部份，第四、第五部分是部份文件所具有的格式。具体格式如图1所示。

数据的读取是先以二进制方式打开产品数据文件，读出每个字节值，存入变量，但是其数据的写入是与WINXP相反的，即WINDOW在写入时是高位在后，低位在前，而它则相反，因此在读入变量后要将变量进行高、低位转换。最后把换位后得到的十六进制数据再转换为十进制。此时得到的数据才是我们真正需要的数据。还需要注意的是格式中的变量的单位与公用的单位不同如：长度（海拔）用英尺，距离用海里，速度用海里/小时，这些都要转换成常用的单位。

Radial Image、Raster Image类型产品，最后数据是以RLE（Run Length Encode）旅程方式进行编码，RLE是一种压缩算法，它是无损的压缩算法，即将一串连续的相同数据转化为特定的格式达到压缩的目的，在雷达产品中，一个字节的前四位存放的是Run（相同的数据组个数），后四个字节存放的是Color code代码，不需进行位制转换，如图1最后一行所示。用户可根据颜色值确定强度。

2.1 Raster Image的读取

许多常用的产品都是Raster Image格式，如组合反射率、回波顶高、液态水含量等。图像是按从左至右，它是以雷达测站为中心点的探测范围内的一个正方形平面，从上到下的扫描的。如图2所示。

2.2 Radial image的读取

一小时降水估测等产品为Radial image格式，它是以雷达测站为中心点为扫描圆心，从正北方顺时针扫描的。以方位角定位其所在位置。如图3所示。与Raster不同的是，由于Radial数据以雷达扫描的极坐标方式存储，要将以极坐标表示的雷达回波资料，转换为兰勃托投影的地理经纬坐标和相对应的x、y直角坐标。其变换公式如下：

2.3 插值

雷达资料位于以雷达为中心的球坐标内，为便于分析运用，往往需要将雷达资料插值到直角坐标网格点上（格点化），且多普勒雷达在探测中受雷达硬件设备的精度和地物回波、大气折射与衰减等因素的影响，会产生很大的噪音，同时雷达扫描仰角一般不均匀，还往往有许多缺测区，这给资料的格点化带来困难。因此需要进行插值，将对应点强度值读出。我们采用的是三角网空间平面插值法进行插值[3]。

将临近网格点连接，构成若干三角形单元。认为一个三角形单元即为一个空间平面，这个空间平面由相应三个站点的地理位置和雷达强度决定，若干空间平面同属以东经为X轴，北纬为Y轴，雷达强度为P轴的空间三维直角坐标系。

对三角形单元建立各自的空间平面方程，求由三个站点A（x1，y1，P1）、B（x2，y2，P2）、C（x3，y3，P3）所决定的平面内任一点M（x，y，P）的雷达强度P，用空间平面方程计算：

对三角形单元内的任意点M（x，y，P），可用（1）式内插雷达强度值P。对于计算区域中位于所有三角形单元之外的点，可就近移用内插点插值结果 。

3 结果检验

选取绵阳雷达2015年8月16-17日过程各种产品读取相应站点雷达强度值，与实际雷达图所对应进行比较验证。取2015年8月17日5：38：54组合反射率雷达图，如图4。根据上述方法读出的各站点值如表1。可以看出结果与实际相符。该雷达产品读取方法为切实可行。

4 结束语

在分析多普勒雷达产品的格式基础上，选用合适的方法进行坐标转换和插值运算，将相应站点的产品强度格点值读出，为进一步开展新一代多普勒天气雷达产品的二次开发，搞好精细化预报工作的开发奠定了基础。

【参考文献】

[1]胡明宝，高太长，汤达章.多普勒天气雷达资料分析与应用[M].北京：解放军出版社，2000.

[2]张培昌，杜秉玉，戴铁丕.雷达气象学[M].北京：气象出版社，2001：314-333.

[3]蔡晓云，焦热光.多普勒速度图暴雨判据和短时预报工具研究[J].气象，2001， 27（7）：13-15.

[责任编辑：杨玉洁]