141雷达拼图在weathercentral气象影视节目制作中的应用

雷达拼图在Weather Central气象影视节目制作中的应用
黄惠1 官晓军3
潘佳文1 吴伟杰2镕
1厦门市气象台，厦门，361012
2厦门市气象服务中心，厦门，361012
3福建省气象台，福州，350001
摘 要
针对在单部雷达产品在气象影视节目中使用时，无法充分地展现较大尺度的天气系统（如台风等）的结构，本文利用C#语言，读取雷达产品数据，并对其进行相应的处理，生成二次产品，导入Weather Central气象影视系统中进行显示。

通过“莲花”台风的个例说明了：使用区域雷达拼图，可以弥补单部雷达扫描范围有限的缺陷。

使得观众对天气系统的影响和演变，有了更加直观的印象。

同时，也提升了影视节目的生动性和时效性。

关键词：雷达拼图，weather central，本地化应用
1 前言
随着人民群众生活水平的提升，观众们对电视节目的欣赏水平日益提升。

这就对气象影视类节目的制作，提出了更高的要求。

为了提供更加新颖的制作手段，使气象影视节目的表现形式更加的生动，同时提高节目的视觉效果。

厦门市气象局影视中心于2010年引进了美国MyWeather公司的Weather Central影视系统，该系统在很大程度上提升了气象节目的表现力和视觉效果。

然而，由于中美两国在数据格式方面的差异，日常使用中，不可避免地仍存在着一些问题，尤其是数据的兼容性。

厦门地处东南沿海，每年汛期的短时强对流天气多发、台风季里的台风影响，诸多灾害性天气过程都需要有更加直观生动的展现形式。

新一代多普勒天气雷达具有高时空分辨率的特点，尤其是对于短时强对流等中小尺度天气系统，有着极好的监测能力[1]。

现有的Weather Central影视系统，由于数据格式问题，并不能直接将雷达数据直接导入气象影视节目的制作。

潘佳文等人[2]通过对雷达数据进行加工处理，将雷达数据转换成
Weather Central影视系统所能接受的数据形式。

通过较长时间的业务运行，证明了雷达资料应用于影视节目后，能够极大地提高了节目的表现力，也增强了气象影视节目的实效性，同时，也能更生动具体地反映本地天气系统的变化情况。

然而，对于地面上固定站点的单部雷达而言，其探测范围是有限的，不足以覆盖较大尺度的天气系统，尤其是东南沿海常见的天气系统——台风，其空间尺度往往大于单部雷达所能覆盖的探测范围。

因此，在原有研究的基础上，探索应用多部雷达的区域拼图在影视节目中使用，就成为了迫切的需求。

2 数据来源
在之前的研究中，我们使用了雷达基数据作为数据来源，但考虑到每份雷达基数据的大小为9Mb左右，用于拼图时，数据的传输会存在较明显的滞后性，且跨省区的雷达基数据的及时获取较为麻烦，故我们选用了雷达产品进行拼图。

2.1雷达数据产品简介
新一代天气雷达(Cinrad)的数据分为三级[3、4]。

第一级为接收机输出的模拟数据。

第二级为信号处理器产生的最高时空精度的高分辨率数据，称为基数据，这类数据主要用于研究，前期的研究就是基于雷达基数据进行的。

第三级数据为RGP生成的雷达产品数据，是经由各种算法加工处理后生成的，产品种类多达近百种，通常只能用Principal User Processor 软件(简称PUP)进行显示。

由于国内的新一代多普勒天气雷达的原型为美国的NextRad，因此，本文参考了美国国家气候数据中心编制的下一代天气雷达第三级数据存档格式(Data Documentation For NextRad Level III)入手，解析了第三级数据的格式，并对常用的产品进行了读取和显示。

下面结合本文所需要用到的数据格式进行简要的介绍。

2.2 数据格式说明
每一份雷达产品都是由信息头块(Message Header Block)、产品描述块(Product Description Block)、产品符号表示块(Product Symbology Block)、图像数字文本块(Graphic Alphanumeric Block)和文本列表块(Tabular Alphanumeric Block)组成。

前两个是数据块是必选的，后三个数据块则根据产品类型的不同有所不同。

数据文件是以二进制的方式进行存储，需要注意的是，在美国，业务雷达的操作系统为Linux系统，其数据存储方式为小头字节序，引进到我国后，虽然改为了windows环境，但是数据格式仍保留了原有的形式，与windows系统常见的大头字节序存在明显的区别，故在读取数据时需要特别注意。

2.2.1 信息头块(Message Header Block)
该数据块由9个双字节(18个字节)组成，数据结构如表1所示。

字节顺序 说明
1-2 产品ID
3-4 产品日期
5-8 产品时间
9-12 文件大小
13-14 雷达站号
15-16 接受站号
17-18 数据块数目
表1 信息头块数据结构
2.2.2 产品描述块(Product Description Block)
该数据块由51个双字节(102个字节)组成，数据结构如表2所示。

该块有51个双字节，数据结构如表2所示。

需要注意的是，该数据块里的数据单位为英制单位，使用时需要把它们转换为的国际单位，例如，描述风速的节(Knots)需转为m/s，英寸(Inches)需转为mm。

字节顺序 说明
1-2 分隔符
2-6 雷达站纬度
7-10 雷达站精度
11-12 雷达站高度
13-14 产品ID
15-16 操作模式
17-18 体扫模式
19-20 产品序列号
21-22 体扫编号
23-24 体扫开始日期
25-28 体扫开始时间
29-30 产品生成日期
31-34 产品生成时间
35-38 产品依赖项
39-40 仰角代号
41-52 数据阈值
53-54 产品版本号
55-58 信息头块到产品符号表示块之间的双字节数，0为没有对应的数据块
59-62 信息头块到图像数字文本块之间的双字节数，0为没有对应的数据块
63-66 信息头块到文本列表块之间的双字节数，0为没有对应的数据块
表2 产品表述块的数据结构
2.2.3产品符号表示块(Product Symbology Block)
该数据块的数据结构如表3所示，其中块长度指的是整个数据块的字节数，层长度指的是每个数据包(Data Packets)的字节数。

数据包的数据又分为径向数据包、栅格数据包、向量数据包、文本数据包、等值线数据包等5种主要类型，通过识别码(Packet Code)进行区别。

除此之外，尚有用来绘制风廓线、中气旋、冰雹指数、风暴跟踪信息等产品的数据包。

本文所使用的数据为径向数据和栅格数据，故只针对这两种数据格式进行简要介绍。

块分隔符
块ID
块长度
数据层数
层分隔符
层长度
数据包
表3产品符号块数据结构
2.2.4 径向数据包(Radial Data Packet)
径向数据包的识别码为OxAF1F，其数据结构如表4所示。

一个产品由多条径向数据组成，每条径向的数据又由多个距离的颜色值所构成。

径向数据包采用的坐标系为极坐标，通过简单的三角函数关系，可获得各个角度和距离处的数值。

识别码
首个距离库位置
径向库数
雷达I坐标
雷达J坐标
比例因子
径向数
径向数据长度
扫描起始角度
波束宽度
径向距离及颜色
表4径向数据包的数据结构
2.2.5 栅格数据包(Raster Data Packet)
栅格数据包结构如表5所示，包内的数据以行为单位，每行数据由多个距离库的数据组成。

其中I坐标为水平坐标，J坐标为垂直坐标。

栅格数据的坐标为屏幕坐标，左上角为(0, 0)。

图像由高度相等、宽度不等的方块组成，绘图时以(I0,J0)为矩形左上角坐标，每行沿水平方向绘制不同长度的矩形后，直至绘制完所有行。

识别码
I0坐标起始位置
J0坐标起始位置
X方向放大系数
Y方向放大系数
行数
每行字节数
X方向索引
颜色
表5栅格数据包的数据结构
3 雷达拼图的实现
随着新一代多普勒天气雷达布网的进行，针对新一代雷达的拼图工作也相继展开，胡胜
[5]、肖艳姣[6]等人做较为细致和科学的研究。

同时随着网络技术的发展，通讯传输速度大幅提升，这为进行高时空分辨率的拼图提供了条件。

为了更好地展示上下游天气系统对本地区的影响，本文使用了福建周边的9部雷达进行拼图，分布是福州、厦门、泉州、南平、三明、龙岩、温州、汕头、梅州。

分别选择上述9部雷达生成的0.5°、1. 5°仰角的基本反射率因子、组合反射率因子、回波顶高等数据产品进行组网拼图。

其步骤为: 首先对数据路径进行检索，以6分钟为间隔对各雷达站的产品进行匹配。

由于现有的多普勒天气雷达多采用VCP21扫描方式，其时间间隔为6分钟，故将每个小时按6分钟进行划分，各雷达站数据根据临近原则进行匹配。

其次是读取各雷达的雷达产品数据，选取拼图的中心，确定适合本区域的投影方式。

雷达产品数据的读取方式上文已做了较详细的描述，在提取完雷达产品数据后，可将各雷达站数据拼接在一起。

由于采用了平面直角坐标，因此在选定拼图中心时后，需将区域上的地理经纬格式的数据投影到显示平面上。

气象上常用的投影方式有三种:极射赤面投影、兰勃特投影和麦卡托投影。

极射赤面适用于高纬度地区。

兰勃特投影在中纬度地区的变形比较小，适用于我国的大部分地区。

而麦卡托投影属于圆柱投影，对低纬和赤道地区比较合适。

考虑到厦门地处较低纬的特征和雷达覆盖范围，我们选择了麦卡托投影。

在经过上述处理过程之后，还需要对雷达重叠覆盖的区域进行处理，由于所选的9部雷达相距较近，重叠的区域较多较广，适当地对雷达重叠区域进行处理是非常有必要的。

肖艳姣对雷达拼图几种常见方式进行了对比，但考虑到在日常生活中，人民群众更关注的是强回波所造成的影响，所以采用了最大值法，即在重叠区域内，选取各网格点对应的最大回波值。

在获得雷达拼图产品后，还需将其转变为灰度图，才能导入Weather Central中使用了。

图1为生成的灰度图，图2a为Weather Central中显示的结果。

1509号台风“莲花”于2015年7月9日12时15分在汕尾市陆丰甲东镇沿海地区登陆,也就是位于厦门的西南方，登陆时中心附近最大风力12级（35米/秒）。

在当天的节目中，我们多次将雷达拼图资料导入Weather Central 系统，制作成动画在影视节目中进行显示，使得观众可以很直观地了解到目前台风的位置及其走向，同时主持人也可以根据台风螺旋雨带的旋转（图2b），告知观众当前的降雨，是由台风外围的螺旋雨带所造成的。

图1给出的是2015年7月9日10：00的根据雷达拼图生成的灰度图，图2a 为Weather Central 的呈现效果。

此时正值台风登陆前期，从图中可以清楚地看到台风眼的结构及移动方向，造成强降水的台风螺旋云带的也清晰可见。

由于此时台风的尺度已经横跨了汕头、梅州、厦门和龙岩雷达的探测范围，其外围环流带来的雨带，更是到达福建的中北部地区，仅凭单部雷达是无法完整展现“莲花”台风的整体结构，而区域拼图则弥补了这个不足。

图1为2015年7月9日 12时的雷达拼图灰度图
图2a 为2015年7月9日 12时的雷达拼图在Weather Central 的呈现效果；2b 为节目现场效果
a b
本文介绍了新一代多普勒天气雷达区域拼图在Weather Central气象影视节目中的应用方法,经过相应的数据处理后可获得高时空分辨率的区域雷达拼图，尤其面对一些较大尺度的天气系统如台风等，雷达拼图可以弥补单部雷达扫描范围有限的缺陷。

通过将雷达拼图导入Weather Central气象影视节目中，使得观众对天气系统的影响和演变，有了更加直观的印象。

同时，也提升了影视节目的生动性和时效性。

参考文献
1张培昌,杜秉玉,戴铁丕. 雷达气象学[M],第3版.北京:气象出版社. 2005.
2潘佳文,郑秀云，吴伟杰等. 雷达数据在Weather Central气象影视节目制作中的应用. 第31届中国气象学会年会, 2014. 3赵瑞金，杨洪平，郭亚田.新一代大气雷达产品在MTCAPS中的显示与调用[J].气象.2005, 31 (2) : 31-34.
4俞小鼎，姚秀萍，熊廷南等.新一代大气雷达讲义[M].中国气象局培训中心.2000.
5胡胜，伍志方，刘运策等.新一代多普勒天气雷达广东省区域拼图初探.气象科学，2006, 26(1): 74-80
6肖艳姣. 新一代天气雷达三维组网技术及其应用研究. 南京信息工程大学博士学位论文，2007.。