张杰;张思豆;代华
【摘 要】针对目前多普勒天气雷达PUP产品显示程序都是单纯显示图像和信息而忽略风暴分析信息应用的现状,通过对PUP产品数据格式的研究,使用DELPHI XE2编程语言研发了多普勒天气雷达PUP产品强对流天气监测预警系统.该系统全部自编代码完成PUP产品的读取解析,能够单独或批量读取、解析、显示多普勒天气雷达19类(36个文件)PUP产品,进行强风暴识别定位及存储图片和风暴特征分析信息,有利于PUP产品综合应用广度和深度的扩展.利用该系统及PUP产品既可以实时获取冰雹发生概率信息和发布冰雹预警,又有助于深入研究强风暴天气发生发展机理,目前该系统及其产品在云南省气象局相关业务单位应用,满足了强对流天气监测预警业务服务、人工防雹作业指挥和科研应用需求.系统使用WINDOWS API函数和MIF格式行政区边界较为准确地完成强天气的乡镇定位,程序复杂度小,代码量较少,系统体量较小,可供单一定位功能的WINDOWS程序设计参考. 【期刊名称】《暴雨灾害》
【年(卷),期】2018(037)005
【总页数】7页(P486-492)
【关键词】雷达PUP产品;强天气监测预警;系统设计
【作 者】张杰;张思豆;代华
【作者单位】云南省气象信息中心,昆明650034;云南大学大气科学系,昆明650500;云南省气象信息中心,昆明650034
【正文语种】中 文
【中图分类】TP311.1;P40
引言
云南地处低纬高原地区，是一个高原山区省份，地形复杂，山地占94%，单点性、突发性、灾害性强对流天气频发，目前云南省已建成7部CC波段、2部CA波段多普勒天气雷达并投入业务运行，有效探测范围几乎覆盖全省，云南的气象工作者利用多普勒天气雷达基数据、PUP产品进行了大量的强对流灾害性天气研究[1-3],取得了一些有意义的成果，多普
勒天气雷达已经成为强对流灾害性天气监测预警、人工影响天气的重要支撑工具。
雷达产品生成子系统(RPG)基于基数据生成了36类导出产品(PUP产品)，这些产品使用特定气象算法或直接从基数据计算得到。美国在1993年5月底已成功安装约100个PUP[4]，到2006年2月已开发完成10个版本的PUP，并于2006年8月发布了OPUP(Open System Principal User Processor)[5]。
国内气象工作者应用多普勒雷达基数据和PUP产品对强降水成因、雹云的识别、分析、预警和人工影响天气以及PUP产品传输共享和图形显示等进行了有益的研究，并取得了一些成果。傅朝等[6]使用区域自动站CR产品资料格点数据讨论了甘肃陇东南地区大暴雨过程降水量演变趋势；彭双姿等[7]利用PUP产品分析了湘中突发性强降水过程，认为反射率因子、雨强、组合反射率因子是暴雨临近预报的重要依据。李红斌等[8]对雷达基数据进行PUP计算处理，总结了识别雹云的技术方法；汤兴芝等[9]认为对流云回波平均最大反射率因子、回波顶高、最大垂直液态水含量的比例等可以作为冰雹发生的参考条件；唐仁茂等[10]利用多普勒雷达二次产品研制了对流云人工增雨雷达效果分析软件，提高了人工增雨效果分析的科学性；李红玉等[11]编程实现了雷达PUP产品栅格及径向数据包的显示和拼图，
解决了雷达监测盲区的问题；刘一谦[12]研发了多普勒天气雷达PUP产品共享系统，实现了多普勒雷达PUP产品收集入库及客户端接口调用等功能。
盲区监测雷达回波特征参量计算较复杂，国内气象工作者在算法研究、优化改进方面也进行了大量的研究工作。张家国等[13]基于多普勒天气雷达反射率因子资料，研究估计降水回波最大降水量算法，并开发出计算机自动暴雨回波定量识别产品；余建华等[14]利用改进算法所得的最优A、b值与最优混合扫描的回波强度资料作为输入Z-I关系生成三种降水产品，并将其与PUP降水产品进行了比较；杨引明[15]分析研究了WSR-88D多普勒雷达冰雹探测算法并提出了改进的使用步骤和方法；吴林林等[16]提出了在SWAN中使用垂直高度阈值进行改进的方法，并与PUP产品数据进行对比验证算法的正确性，减少了冰雹天气的误判率。这些研究工作对PUP产品风暴特征信息的分析研究提供了有益的思路和参考。
上述研究中使用的多普勒雷达回波特征参量如组合反射率(CR)、回波顶高(ET)、垂直液态水含量(VIL)及风暴追踪信息等均内嵌在PUP产品中，科学合理使用PUP产品能够有效减少计算量和计算复杂度，提高科研业务工作效率。但由于PUP产品数据格式复杂，内嵌的风暴特征分析信息作为辅助分析信息读取较为繁杂，同时因为包含了栅格数据、径向数据等
丰富直观的图形信息，导致了重图形显示、忽略风暴特征分析信息应用，而图形的计算机实时自动识别分析较为困难且计算量较大，人工跟踪识别分析工作量同样巨大，从而限制了PUP产品的大规模、自动化综合应用，造成总体上PUP产品在强对流灾害性天气监测预警方面的综合应用研究较少。
云南省C波段多普勒雷达RPG均实时生成PUP产品，其中包含较为全面的强对流风暴监测预警所需的风暴特征分析信息，这些信息对强对流天气的识别、监测预警以及人工影响天气作业指挥方面具有重要的指导作用。使用计算机自动读取分析并进一步研究PUP产品，对加深理解中小尺度强对流灾害性天气发生、发展、演变机理以及提高中小尺度强对流灾害性天气识别分析能力具有重要的意义。为了提升PUP产品自动化综合应用能力，使用DELPHI XE2设计开发了多普勒天气雷达PUP产品强对流天气监测预警系统,本文将详细介绍软件开发情况，并通过强对流天气过程个例说明软件使用效果。
1 强天气监测预警系统设计
PUP产品中对强天气监测预警业务有重要参考作用的风暴特征分析信息主要内嵌在组合反射率CR、冰雹指数HI、中气旋M以及风暴跟踪信息STI等产品中，其中包含了风暴极坐标
位置、涡旋特征、风暴降雹概率、风暴垂直累积液态含水量、风暴最强回波强度、强回波高度、回波顶高、移向移速以及未来15～60 min预报位置等信息，能够为强对流风暴的预测预警、指挥人工防雹作业提供丰富的强天气回波特征分析信息。据此，使用DELPHI XE2编制了多普勒天气雷达PUP产品强天气监测预警系统，系统可应用于实时强对流天气预警，亦可用于强对流天气个例分析。
1.1 系统设计思路
多普勒天气雷达PUP产品强天气监测预警系统为C/S架构，亦可单机运行，采用基于面向对象模块化技术设计，软件运行于WINDOWS操作系统，使用图形、表格、声音等直观展示强对流天气监测预警结果，可以运行于实时监测预警、科研分析2种状态，满足业务科研需求。 系统设计的关键难点是多普勒天气雷达PUP产品的读取解析，表1为使用DELPHI XE2结构化编程语言编制的26个PUP产品数据读取模块名称及块标记和包代码列表。多普勒天气雷达PUP产品文件为二进制顺序记录文件，结构复杂，其包含了文件头记录、PUP产品描述记录、标志记录、字符图形记录及文本列表记录等。在产品标志记录、字符图形记录及文
本列表记录中又包含了约30类图形、文本、矢量等数据结构，每个数据记录之间使用分割字(定义为-1)分隔，每一个PUP产品文件均由这30类数据结构组合构成，结构复杂紧凑，各数据记录嵌套紧密，通过高精度定位读取数据才能确保资料读取正确。基于模块化设计思想，系统由PUP产品文件头读取模块、数据记录读取模块、图形展示模块、数据分析研判模块等组成，在设计时根据PUP产品可能出现的数据类型，对一些结构相似的数据类型进行合并，定义了约20类数据记录结构，程序设计中使用BLOCK ID/PACKET CODE定义数据读取模块的跳转及返回，PUP产品读取解析源代码全部为自行编写，未使用任何第三方构件或动态链接库。
表1 多普勒雷达PUP产品数据读取模块及块标记和包代码Table 1 Doppler radar PUP product data reading module and BLOCK ID/PACKET CODE注：表中PACKET CODE一栏中，前缀为0x的值表示为十六进制值，无0x前缀的值为十进制值。模块序号BLOCK ID PACKET CODE 1 2 3 4 5模块名称及功能文件信息头读取模块产品描述信息读取模块产品符号块读取模块图形字符块读取模块表格字符块读取模块1 2 3 1-15,23-25,0x0802,0x0E03,0x3501 0xAF1F 0xBA0F、0xBA07 6-24 PUP数据包读取模块25 26径向数据包读取模块栅格数据包读取模块
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