天气雷达网资料拼图方法分析

朱静群

摘要：天气雷达在我国灾害性天气监测及预警方面发挥着重要作用，当前全国各地也已完成了新一代天气雷达观测网的建设工作。为更好地发挥天气雷达在天气监测及预警方面的作用，有必要将多部雷达网资料进行组网拼图，以解决单部雷达探测范围的有效性、数据不完整等问题，进而更大范围地进行灾害性天气的监测和预警。基于此，本文以某省多部天气雷达网资料为例，提出应用RabbitMQ消息中间技术，对多部天气雷达网资料进行拼图处理，归纳总结天气雷达网资料拼图的处理要点，以供参考。

关键词：天气雷达；组网拼图；拼图处理

我国天气雷达系统建设时间始于1988年，目前，全国已建233部多普勒天气雷达系统。该系统在我国气象业务中具有重要的作用，以多普勒效应为基础，当雷达发射波束与降水粒子为相对运动时，通过探测接受信号与发射信号的差异，测得定散射体相对雷达的速度，同时还能推演出大气风场、气流垂直速度分布等的情况。因此，多普勒天气雷达在研究降水形成、分析天气系统、灾害性天气监测等方面具有重要意义。

天气雷达网生成的数据资料，需要通过组网拼图的方式，完整反映各种尺寸天气系统的移动演变过程，进而实现更大范围的天气监测。基于这一诉求，国内气象学者纷纷开展天气雷达组网拼图技术的研究，胡鹏宇等人（2022）以TITAN系统为基础框架，引入了大数据处理技术，构建了辽宁省及周边地区10部雷达组网拼图系统，并实现了雷达数据的分布式处理；陈鲍发等人（2020）构建了基于天气雷达风暴识别跟踪信息的拼图系统，形成了多部雷达的组合STI产品。天气雷达网资料拼图的传统方法是以多核处理器并行的方式进行拼图处理，这种方式并不能满足当前气象业务精细化发展的需求。因此，如何有效提升雷达拼图的时效性，是当前亟待解决的问题。从现有的研究情况来看，各气象学者均积极引入了各种先进技术，进行天气雷达资料的组网拼图处理。消息中间是一种可分布式数据交换的技术，可在不同计算机之间进行异步数据的传递，正因为这一优势，该技术目前在气象数据传递和处理中被广泛应用。

当前，气象业务逐渐朝着精细化的方向发展，也因此提高了天气雷达拼图的时效性要求。为满足气象业务的精细化发展要求，本研究对天气雷达拼图处理系统进行优化设计，主要通过应用RabbitMQ消息中间技术构建、分布、并行的雷达组网拼图处理系统。

一、雷达资料

天气雷达工作过程中，主要对9个仰角进行探测，探测模式为VCP21体模式，探测范围约为460km，探测频次为6min/次，主要探测反射率因子、径向速度、速度谱宽这三类数据。探测所得的数据，可通过流传传输方式传至省气象信息中心，并以统一的标准格式存储。

由于探测所得的全部仰角数据，是在传至信息中心后生成全体基数据文件，其时效性滞后。为了快速获得雷达拼图产品，实现全省覆盖，采取雷达组网拼图处理方法，是基于单站逐仰角反射率因子数据进行的，由此可形成覆盖全省的反射率因子雷达拼图产品。

二、拼图流程

由于传统雷达组网拼图方式的工作效率较低，且拼图产品滞后时间较长，难以满足气象业务精细化的需求。为提高雷达拼图产品的时效性，在雷达组网拼图处理系统中引入了RabbitMQ消息中间技术。这一流程大致包括以下几个步骤：

其一，数据提取。通过数据接口对省气象信息共享综合平台，获取最新时次单站逐仰角雷达数据，然后对获取的数据进行解码，由此提取反射率因子数据。然后将解码后的数据传送至MQ消息队列中。

其二，数据处理。雷达接收端接收到信号后，逐一进行数据的处理，包括数据质控、网格化处理、数据缓存等，从而获得网格化的单站逐仰角反射率因子雷达数据。

其三，拼接处理。获取网格化反射率因子数据后，采用多进程并行的方式进行单站逐仰角数据的拼接，从而获得探测区雷达拼图产品。

三、关键技术

（一）RabbitMQ

RabbitMQ是一种应用程序对应用程序的通信方法，其技术优势在于可实现数据的可靠传递及异步数据交换。RabbitMQ是在AMQP的基础上进行的，可规范统一众多消息中间件标准，具有高安全性、高可靠性的特征。随着计算机技术的快速发展，其逐渐朝着高性能、分布式集群计算等方向发展。而基于AMQP协议标准，RabbitMQ不仅能在不同的操作系统中运行，而且支持多种开发语言客户端，适用于分布式系统中进行消息存储和转发处理。

RabbitMQ主要由服务端和客户端这两个部分构成。其中，服务端主要由交换主题和队列构成，客户端主要分为消息发布者和信息消费者这两类客户。RabbitMQ可提供多种交换主题，用以满足不同业务应用场景的需要。交换主题主要负责接收消息，之后结合路由键值信息将信息发送至消息队列中。RabbitMQ的传输模式，可降低消息发布与消息消费之间的耦合程度。

在天气雷达拼图处理中，通过应用MQ消息中间技术进行Topic模式和路由键值的模糊匹配，可实现队列与Excchange绑定，进而完成一个消息发布与多个消息对立的并列处理。在对各雷达站逐仰角数据文件同步处理的过程中，为提高数据的处理效率，文中建立了多个消息队列，每个消息队列负责一个逐仰角雷达数据的处理。消息处理客户端主要分为雷达数据下载和雷达数据处理这两个模块。其中，在雷达数据下载模块，可从省气象信息共享平台上下载最新时次的雷达数据，并可对下载的雷达数据进行解码处理，处理后的数据根据消息体结构进行消息封装，并发送至相应的消息队列中；雷达数据处理模块负责提取消息队列中的消息体数据，并进行数据质控处理、网格化处理和缓存处理。数据处理完成后，可实时监控消息队列的更新情况，由此实现消息的实时调度处理。

（二）雷达数据质控处理

考虑雷达探测过程中会受地形、建筑物等因素的限制，为提高雷达数据质量，有必要对雷达探测数据进行质控处理。文中主要采用回波纹理变化方法，具体的处理步骤如下：

（1）剔除回波孤立点。剔除雷达反射率孤立点的目的是减少孤立点的噪声影响。孤立点计算公式为：

PX=N/Ntotal

在式（1）中，N为5个方位角和5个距离库像素内全部反射率为非缺省值个数；Ntotal为所有像素个数，共25个。在Px＜75％时，说明次点标记的孤立点已被剔除。以南昌雷达站为例，对该点孤立点进行剔除，剔除前后对比见图1。对比发现，南昌雷达0.5[°]仰角反射率因子孤立点得到有效剔除。

（2）回波纹理变化处理。通过像素点与同一锥面上像素点的反射率因子的方差均值来体现雷达反射率因子水平纹理变化的特征，计算公式为[TDBZ=j=1Nbeami=2NgateZi，j-Zi-1，jNbeam×Ngate]。在公式中，[TDBZ]为雷达反射率因子的[TDBZ]值；[Z]表示反射率因子；[i]用于表示不同方位角像素点的位置；[j]用于表示不同距离库方向像素点的位置；[Nbeam]为方位角个数，取值7；[Ngate]指距离库的个数，取值7。当TDBZ值＞25dBz时，则说明该点雷达反射率因子有水平上不连续的情况出现，需要对此点的回波进行剔除处理。图2a为南昌雷达站0.5仰角反射率因子的TDBZ值，结合图片可得知，TDBZ值分布在雷达站附近，由于受到附近建筑物、地物遮挡影响，使得雷达探测回波呈现出不连续的状态。因此，就需要对区域雷达探测回波纹理变化处理，纹理变化处理后见图2b。可以发现，在回波纹理变化处理后，有效剔除了该区域的不连续回波。

（三）雷达数据网格化处理

在雷达基数据文件中，反射率因子主要通过极坐标的方式进行存储，换句话说，反射率因子相对雷达位置用方位、仰角、距离等数据表示。为了便于雷达网数据资料的拼接，还需要对坐标格式的雷达数据进行网格化处理，将坐标格式的雷达数据转变为等经纬度的网格数据。在具体的处理过程中，主要采用双线性插值方法处理，先通过直角坐标网格点经纬度数据获得雷达位置的距离与方位角坐标，并找出临近的四个极坐标数据，然后对这四个极坐标数据插值，便可获得直角坐标网格点的反射率值。

（四）数据缓存处理

结合雷达资料可知，研究区探测频率为6min/次，但考虑到区域内各雷达站的启动时间及传输时效有所差异，可能在同一时次内雷达探测数据无法同步生成。因此，为了能提高雷达拼图的效率，同时避免在拼图处理时出现数据重复处理的情形，需要对各时次生成的雷达数据进行缓存处理，待全部雷达数据缓存后，再从缓存数据中提取雷达反射率因子数据，然后进行拼图处理。在雷达网格化数据缓存处理方面，本研究采用Redis缓存技术，该技术通过键值进行数据存取处理，且能设置数据缓存的期限，满足数据动态缓存的业务需求。为便于在拼图处理中快速获取同一时次的雷达数据，要先对数据缓存时间进行标准化处理，结合雷达探测的频次，每个小时设置10个时次，主要为00、06、12、18、24、30、36、42、48、54min，采取邻近的方法对雷达探测时间进行标准化处理，如雷达探测时间为10：10，根据上述处理规则，数据缓存时间为10：12。数据缓存时间经标准化处理后，基于Key值唯一性的原则，设置缓存数据的Key值。

（五）雷达组网拼图处理

在对雷达数据进行网格化处理后，为实现多部雷达的组网拼图处理，可基于单站逐仰角雷达反射率因子数据进行拼接，这一过程中，可能会出现重叠的部分。对于重叠部分，通常有最大值、最小距离和平均值这三种处理方法。为了避免出现遗漏，并突出表现强对流天气，本文在处理重叠区域时采用了最大值方法。该方法主要是针对重叠区域提取反射率因子的最大值。此外，针对雷达重叠区域，传统的拼图处理方法具有操作复杂、处理耗时长等弊端，本研究提出了一种快速、简便的组网拼图方法，具体思路为：先在研究区域范围内生成一个1000×1000网格初始场，然后根据雷达站的坐标及网格场，计算出各个点的拼图网格点，并进行拼图网格初始场的更新，可获得同一网格各部雷达的反射率数据，接着将拼图网格场划分为若干子区域，计算各个子区域网格点反射率的最大值，最后基于各个子区域网格点反射率的最大值进行拼接处理，获得最终的雷达拼图产品。采用这一组网拼图的方法，可避免对重叠区域的重复计算，并经分区处理，减少网格点遍历次数，进而提高雷达组网拼图的处理效率。

四、系统实现

本研究基于分布式并行设计思想，采用消息中间技术对雷达拼图处理时效进行优化，进一步结合雷达数据质控方法及高效便捷的拼图方法，实现了对该省多部雷达的同步观测和组网拼图。在该拼图系统中，通过流传输和分布式处理方法，可按需生成雷达单站及组网产品，为天气分析、临近预报、气象灾害监测等业务的开展提供基础支持。实践证明，经过优化，雷达资料预处理时间显著缩短，有效解决了雷达拼图产品的时效性问题。

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