基于Surfer的天气雷达基本反射率产品的绘制

雷永恒，江涛，陈晨，刘峰

（湖南省气象技术装备中心，长沙410007）

0 引言

新一代天气雷达在短临天气预报中发挥着重要的作用，其基本反射率产品应用范围最广。高精度位置信息、格点化的基本反射率数据，一直是天气雷达产品使用的关注点和研究基础。Surfer为美国Golden Software公司开发的一款三维绘图功能的画图软件，具有强大的插值和绘图功能。马英莲、陈欢欢等人对Surfer软件插值方法进行了比较[1-2]，认为空间连续性变化不规则时，采用克里金插值方法绘图效果最好。Surfer软件在气象行业使用广泛，如绘制气象要素等值线图（如雨量、气温等），成为气象工作者首选工具[3-5]。Surfer软件具有强大的二次开发功能，基于Surfer绘图功能开发的系统应用软件，在不少行业领域，尤其气象领域得到广泛的应用[6]。利用Surfer强大的数据插值和高精度格点化地理信息的优势，绘制天气雷达基本反射率产品，叠加多种气象产品图层，对了解气象监测实况和改进短临预报方面，有着良好的应用前景。

1 资料和方法

1. 1 资料来源

天气雷达基本反射率产品使用的原始基数据来源于衡阳市新一天气雷达（CINRAD/SA型）2019年5月3日23时26分体扫数据，共11个cut，9个仰角(0.5,1.5,2.4,3.4,4.3,6.0,9.9,14.3,19.5)，反射率数据分辨率为1km。Surfer采用XYZ类型数据格式，常见格式如下：

107.7829 22.79117-10.2341 107.7876 23.56245-15.1339 107.7922 21.18411 21.1484……

三列数据分别表示经度、纬度、属性值，第一、二列分别用来表示X、Y坐标，Z坐标代表属性值，可用不同的颜色进行填充。

1. 2 基数据格式与预处理

CINRAD/SA型天气雷达生成的基数据为二进制格式，按照每个径向排列，为了满足方位空间精度要求，每个cut的径向文件大于360个，少于400个，通常在370个左右。每个径向由460个距离库组成，分辨率为1km，故其监视范围可达460km。业务化的CINRAD/SA天气雷达，以vcp21模式工作，由于多普勒天气雷达探测存在两难的情况，vcp21工作模式时，在0.5和1.5度先采用CS（连续监测）模式获取最大探测距离反射率数据，在第二圈0.5和1.5采用CS（连续多普勒）模式获取最大探测速度，因此，在低仰角的时候，0.5和1.5均扫描两圈。一次读取一个径向数据，读取次数N=，其中Mb为一个基数据所对应的文件大小，正常情况N为整数。一个仰角或者体扫是否结束由该径向第41-42字节控制，若该字节值为2，代表为该仰角最后一个径向数据数，若该字节值为4，代表为该体扫最后一个径向数据。径向数据读取与处理时，需要注意反射率强度值计算方式，当径向反射率强度读取数据为0（低于信噪比，为无回波）或1（距离模糊）时，对其置空，否则为(读取值-2)/2.0-32。

1. 3 基本反射率产品水平投影方法

新一代天气雷达采用立体连续扫描方式，某一个仰角的基本反射率数据，可看成在该仰角上的距离半径为460公里，方位360度范围内的立锥体。若在平面上进行投影显示，可用如下公式进行转换：

R'=R*cosα

上述R'为天气雷达站径向扫描距离库在水平位置上的投影，R为径向距离库，取值为0-460km，α为新一代天气雷达扫描仰角。

1. 4 任一点经纬度信息求取方法

已知雷达站的经纬度(long1,lat1)，扫描区域内的任何一点的经纬度可由以下公式计算获得：

long2=long1+d*sin(ψ)/[R*cos(lat1)*2*PI/360];

lat2=lat1+d*sin(ψ)/[R*2*PI/360];

式中R为赤道半径，PI为圆周率，long1、lat1分别为雷达站址经度和纬度，d为求取点与雷达站之间的直线距离，ψ为方位角。

1. 5 Surfer格点数据插值方法

Surfer绘制等值线时，提供反距离加权插值法、克里金插值法、最小曲率法、改进谢别德法、自然邻点插值法、最近邻点插值法、多元回归法、径向基函数法、线性插值三角网法、移动平均法、数据度量法、局部多项式法十二种方法，其中克里金插值法在气象数据应用最广，本文数据插值格点后的天气雷达基本反射率数据，就是采用的克里金插值算法。

1. 6 Surfer绘制天气雷达基本反射率产品图步骤

（1）资料处理。利用MATLAB小程序，读取天气雷达基数据，自动生成三维Excel文件数据(x,y,z),其中x为经度、y为纬度、z为天气雷达基本反射率值。

（2）将Excel文件生成为.grd文件。打开Surfer在菜单中点击“grid”|“data”，选择要网格化的Excel文件并确定。

（3）插值方法与格点大小选择。格点化数据时，应注意 Column A、Column B、Column C三列与 X、Y、Z对应关系，grid method选择格点插值的方法，grid line geometry选择X,Y坐标范围，一般与匹配的地图范围相适应，天气雷达基数据网格点数一般取默认值的20倍，点击确定后即可生成gridz.grd格点数据文件。

（4）对格点数据进行白化。白化的目的是保存地图内的数据，打开“grid”|“blank”，找到刚才生成的grd格点后的数据，然后再选择已经做好的区域边界地图bln文件，输出白化后的格点数据out.grd文件。

（5）绘制天气雷达基本反射率产品回波图和叠加地图边界。打开“map”|“new”|“contour map”，如需绘制白化后的格点数据out.grad，新建等值线图。双击刚才生成的等值线图，可设置等值线属性，如levels选择advance可自定义天气雷达回波图颜色。打开“map”|“new”|“base map”，选择bln格式的地图边界，勾选bln和等值线图层，再点击“map”|“overlay maps”，进行地图重置，使两图地理信息重合。

1. 7 Surfer格点数据的导出

点击“File”|“Open”|菜单，打开插值后的格点数据，如上述生成的gridz.grd文件，点击“File”|“Save as”|，另存为保存类型选择DAT XYZ grid格式，即可导出使用插值算法后的纬度、经度、属性值三维数据xyz.dat。

2 应用实例与分析

2. 1 真实性检验

图1为分别采用Surfer和PUP（Principal User Processor）绘制的衡阳天气雷达2019年7月13日02时32分0.5度基本反射率产品，可见两者图像形状、强度、位置信息的一致性吻合的很好。Surfer绘制的基本反射率产品地理信息丰富，画面更细腻，也可导出数字化后的图像信息（经度、纬度、反射率强度值），对天气雷达数据的分析和处理、研究等方面优势明显。

图1利用Surfer和PUP分别绘制的衡阳天气雷达2019年7月13日02时32分0.5度基本反射率产品

2. 2 Surfer白化后的天气雷达基本反射率

工作实际中，常常只需要获得地图区域内的相关气象产品，这个时候，就需要对相关气象产品进行白化处理。天气雷达反射率基本产品，由于其探测距离半径可达到460公里，很容易超过湖南区域范围。天气雷达基本反射率与其他气象产品，如雨量、气温等进行区域地图叠加显示，为保持气象信息的一致性，一般需要进行白化处理。图2是进行白化后的衡阳天气雷达2019年7月13日02时32分0.5度基本反射率产品，对比图1可见，湖南区域之外的回波进行了白化消除处理，不在地图内显示。

图2 Surfer白化后绘制的衡阳天气雷达2019年7月13日02时32分0.5度基本反射率产品

3 结语

利用Surfer专业的数据插值和高精度位置功能，绘制的格点化的天气雷达基本反射率产品图，不仅图像细腻，而且能展示更多的有用信息。应用插值算法进行格点化的XYZ三维数据，为天气雷达探测业务和研究人员，研究不同天气雷达一致性比较和设备标定，提供良好的基础。将天气雷达基本反射率产品与其他气象监测信息进行融合叠加，丰富了Surfer在气象行业中的应用范围。