数字化雷达人工影响天气作业指挥系统研究.pdf

数字化雷达人工影响天气作业指挥系统研究 李云川1张文宗2王建峰3赵利品1郭金萍1王秀玲4王建恒51 . 河北省人工影响天气办公室石家庄 0 5 0 0 2 1 2 . 河北省气象科学研究所石家庄 0 5 0 0 2 1 3 . 邢台市人工影响天气办公室 邢台 0 5 4 0 0 0 4 . 唐山市人工影响天气办公室 唐山 0 6 3 0 0 0 5 . 衡水市人工影响天气办公室 衡水 0 5 3 0 0 0 摘 要 人工影响天气作业指挥系统是火箭高炮人工增雨和防雹取得理想效果的重要条件应用 C+ +和 V i s u a l B a s i c 语言研制的新一代数字化雷达人工影响天气作业指挥系统包括天气雷达监测大气探测火箭高炮作业指挥作业信息通讯作业效果检验作业档案和资料管理六个子系统系统适用于各种型号的数字化天气雷达及多普雷达应用效果表明新一代地市级人工影响天气指挥系统具有相当高的作业指挥能力和科技水平专业技术先进功能界面友好操作简单方便是市级人工影响天气作业指挥人员理想的指挥平台 关键词人工影响天气 作业 指挥 系统 1引言 近年来由于社会发展的需要全国人工增雨火箭已经发展到相当大的规模形成了一定的人工增雨作业能力 但是 人工影响天气作业指挥系统建设相对落后 一直是制约火箭高炮人工增雨和防雹取得理想效果关键问题 为了进一步提高火箭 高炮人工增雨和防雹的作业效果 逐步提高指挥人员的指挥和管理水平以及作业人员的技术素质 研制新一代数字化雷达市级人工影响天气作业指挥系统就显得十分重要 河北省人工影响天气办公室在数字化雷达改造的基础上 研制了利用数字化雷达指挥作业的新一代地市级人工影响天气指挥系统 能够根据数字化雷达监测的天气信息 作业目的和不同的火箭类型科学地计算用弹量 科学的确定发射方位角度和发射高度 并能自动向作业点发送雷达回波信息帮助作业人员克服火箭高炮人工增雨和防雹作业的盲目性极大地提高了火箭高炮人工增雨和防雹作业的作业水平科技含量和作业效果 2 数字化雷达作业指挥界面的设计原理 1 雷达极坐标系以雷达为中心雷达的最大半径距离为半径建立了雷达的方位和距离的空间坐标系统 2 经纬度坐标系本系统以经纬度为各种气象信息数据雷达图像云图的标准投影系统 建立以 1 度为单位的经纬度坐标系 保证经纬度坐标系内各种数据的位置信息标准统一 3 空间计算的函数库包括了屏幕显示视图点和整幅图像数据之间的转换函数直角坐标系点到图像数据的转换函数 经纬指标系点到直角坐标系的转换函数 直角坐标点到雷达回波点的转换函数雷达为中心的直角坐标系 以保证各种单位的信息数据准确统一投影到坐标系统便于对比分析和转换 ( a ) 屏幕显示视图点和整幅图像数据之间的转换函数 C P o i n t C J i n g w e i : : V i e w T o P i c ( C P o i n t p i c ) ; C P o i n t C J i n g w e i : : P i c T o V i e w ( C P o i n t V i e w ) ; ( b ) 直角坐标系点到图像数据的转换函数 C P o i n t C J i n g w e i : : Z B t o P i c ( f l o a t X , f l o a t Y ) ; C P o i n t C J i n g w e i : : Z B t o P i c ( C P o i n t F t h e P o i n t ) ; ( c ) 经纬指标系点到直角坐标系的转换函数 C J i n g w e i F C J i n g w e i : : Z B t o j i n g w e i ( C P o i n t F t h e P o i n t ) ; C P o i n t F C J i n g w e i : : j i n g w e i t o Z B ( C P o i n t F t h e P o i n t ) ; ( d ) 直角坐标点到雷达回波点的转换函数 C P o i n t C J i n g w e i : : Z B t o D a t a ( C P o i n t F t h e P o i n t ) ; C P o i n t F C J i n g w e i : : D a t a t o Z B ( C P o i n t t h e p o i n t ) ; e 雷达为中心的直角坐标系的研究以雷达为中心的直角坐标系向经纬度之间的转换方法是设雷达中心的经度为 m C e n t e r J i n g d u 纬度为 m C e n t e r W e i d u 则直角坐标系统中坐标点 P o i n t ( X , Y ) 对应的经纬度为 j i n g d u = X * m R u l e X + m C e n t e r J i n g d u 1 w e i d u = Y * m R u l e Y + m C e n t e r W e i d u 2 其中m R u l e X 为当地每一公里距离的经度度数m R u l e Y 为当地每一公里距离的纬度度数近似地 m R u l e Y = 1 8 0 / ( P i * E a r t h R ) ; 3 m R u l e X = m R u l e Y / c o s ( ( P i / 1 8 0 ) * m C e n t e r W e i d u ) ; 4 E a r t h R 为地球半径取 6 4 0 0 公里 m C e n t e r W e i d u 为本地区纬度 P i 为圆周率 P i = 3 . 1 4 1 5 9 2 7 3 系统结构和主要功能 本系统主要包括六个子系统即包括天气监测和探测火箭高炮雷达作业指挥作业信息通讯作业效果检验作业档案和资料管理六个子系统如图 1 所示系统具有很全面的管理功能和专业指挥功能 可以满足火箭 高炮 人工影响天气作业各个方面的需要 人影办数据库 作业实况资料库作业点信息库 人员信息库 实时常规天气资料库 省气象台 资料库 市气象台 资料库 图 1a数据存储系统图 图 1 b 作业指挥系统流程图 天气预警 实 时 天 气 资 料 MICAPS Tlnp 卫星云图 中短期预报 雨情旱情灾情 事故处理情况 资料存储 作业汇报 作业方案设计 作业信息发送 效果检验 雷达识别 雷达三级预警 雷达指标 信息库 天气资料 市政府 省人影办 自动发送作业方案 方位用弹量 作业时段 作业地点 统计检验 3 1 天气监测和探测系统的功能是 1 M I C A P S 系统的调用及数值产品的调用 2 卫星云图的调用 3 温度对数压力图如图 2 所示0 度层高度- 1 0 度层高度- 2 0 度层高度不稳定能量 E 对流不稳定沙氏指数 S I K 指数 图 2 温度对数压力图 4 地市各测站点所有的各项气象实况观测资料自动站实时资料实时雨情实时灾情显示 5 显示省市气象台的天气预报结果 3 2 雷达指挥系统的主要功能是 1 显示本地区的地理信息系统直接调用地理信息数据文件为美国 E S R I 公司的s h a p e 矢量文件格式在系统坐标系中显示本地区的边界城市河流公路机场航线等地理信息本系统直接采用国家地理信息数据或其他格式的地理信息数据系统可以设置信息的颜色外观显示图例等图 3这里指出系统调取地理信息并不需要购买昂贵的地理信息系统软件本系统已经直接在系统中开发加入了地理信息系统处理模块 2 显示雷达回波信息在坐标系中显示各种雷达包括 D o p p l e r 的 P P I R H I信息系统对不同分辨率不同半径和不同单位的雷达信息进行标准化处理以适应各地不同的预警指标系统为雷达回波建立统一的强度单位时间和其他信息的标准模型对不同的雷达数据采用不同的处理库采用统一的外部函数接口和统一的处理方式得到雷达回波信息系统可以为不同的雷达采用滤波的方法去除地物杂波信息同时可以根据不同用户的习惯选择雷达回波图像的调色板 图 3 地理信息显示 ( 3 ) 显示雷达预警系统可跟踪强回波中心进行雷达回波数据分析图 4可得到> 3 5 - 7 0 d B z 各个回波强度的变化情况回波总面积的大小中心位置角度移动方向移动速度移动距离及移动趋势预测并将各作业点是否进入预警作业可作业的作业点直观地显示在屏幕上将所选中的作业点自动和进行人为干预通过通讯平台发送到各作业点 图 4 雷达回波数据分析 4 显示指挥要素作业点信息作业工具流动作业点信息G P S定位信息系统将雷达回波区域内的作业点信息可视化显示 同时将作业点的作业工具 禁射方位 负责人号码 作业点的图像信息 文字信息和多媒体信息以热键的方式展示在系统的地理信息中用户可以随时调阅不同作业点的多媒体信息另外本系统支持 G P S 数据接口可以方便的将流动作业点的位置信息实时显示在指挥屏幕上 4 显示作业点的预警半径作业半径预警指标等信息系统可按照本地自行选定雷达回波的预警指标作业指标方位强度面积移动方向速度等指标对整个雷达回波进行扫描符合指标的预警区域可闪烁显示图 4 图 4 雷达回波预警半径显示图 5 系统具备放大缩小漫游动画定位查询等功能 3 3 指挥通讯系统功能是 利用可以接受和发送短信息的 G S M短信息平台建立指挥通讯系统系统登记作业点各县指挥中心的号码信息实现雷达预警指挥和作业效果信息的上行和下行的传送 1 按照作业点的位置信息对作业点的条件进行分析显示符合指标条件的作业点并计算用弹量作业方位作业仰角作业时间通过短信息平台自动向作业点发送作业信息 2 各作业点也可以通过短信息平台向指挥中心发送作业信息图 5 3 4 业务公文通信系统的功能是 建立业务公文通信系统具有中文编辑排版打印发送中文信息的功能系统分为向地方政府汇报的报告内容包括作业前后的天气实况经济效益和向省级人影办汇报的报告两部分内容向省级人影办的报告包括作业前后的天气状况云状云高云量云的描述风向风速雷暴作业区内的实况是否出现冰雹降水大风云状变化情况 雨雹起止时间冰雹最大直径重量等情况系统还规范了汇报格式并自动分发这些报告和 图 5 通讯系统整理平台 作业中的特殊事件情况报告事故的发生和处理意见 3 5 作业效果检验系统功能是 系统应用统计检验方法建立了作业效果检验系统其方法[ 1 ]如下 ( 1 ) 自然降水量估算方法 雷阵雨分布很不均匀降水量既与大尺度天气背景有关也与中小尺度天气系统有关由此估算作业点自然降水量时分成两个阶段 第一阶段 在大尺度天气背景下 认为作业点周围区域受大尺度天气系统影响是相同的在此区内测站的次平均降水量 RRN′=∑∑该项同大尺度天气背景紧密相关 由一雷阵雨云团形成的某测站雨量称为次降水量R∑为作业的某一时段全区各站点降水量总和N∑为同一时段各站点降水总次数 第二阶段估算出中小尺度天气系统对作业点自然降水量的影响以作业点为中心以H 为扫描半径画圆假设落在该圆周内有 M 个测站首先计算出该圆周内各测站在作业点作业的那一时段内雷阵雨云团降水的次平均值 iiiRRN= 其中iR 为第 i 个站点的降水量iN 为降水次数然后计算出iR与R′的偏差值 iiRRR′∆=− 最后用偏差值iR∆对R′进行距离加权订正从而得到作业点的估算自然降水量为 11(.)MMiii iiRWRWR==′=∆+∑∑其中 2222() ()iiiWHhHh=−+ ih为扫描半径 H 内各站点到作业点的距离 ( 2 ) 作业效。