基于多普勒天气雷达的临近预报系统

我国新一代多普勒天气雷达网的建设已经初见成效，在其基础上的临近预报系统又该怎么建立呢？

目前，社会经济的不断发展和全球气候的变化，特别是极端气候事件(如局地突发性暴雨、冰雹、龙卷)的频繁发生，对临近预报的准确率提出了更高的要求。

何谓临近预报

临近预报技术是在20世纪60~70年代提出的。随着大气科学、计算机科学以及社会经济的快速发展,临近预报的内涵也在不断变化。按照世界气象组织大气科学委员会天气预报工作组于1981年10月在莫斯科会议上给出的定义，短时预报是指0~12小时以内的天气预报，而临近预报只是短时预报中的特定类别，专指当时的天气监测和0~2小时的外推预报。2005年9月5~9日，世界气象组织在法国召开的国际临近预报和短期天气预报国际研讨会上，对临近预报概念进行了时间拓展。新定义的临近预报是指综合利用外推技术和数值预报技术进行预报，其空间分辨率可以达到2.5公里，预报时效可以延续到6小时的预报。

我们通常所说的临近预报是指对未来几小时之内(一般指0~2小时)的灾害性天气系统及其所伴随的灾害性天气的发生、发展、演变和消亡的预报。局地强降水、短时雷雨大风、冰雹、龙卷等强对流天气系统发展非常迅速，虽然其生命史很短，但经常带来非常严重的自然灾害。2004年北京“7・10”城区暴雨、2007年济南“7・18”突发性大暴雨等一系列强对流天气事件表明，提高临近预报的准确率对经济社会的可持续发展具有重要意义。

获取高时间和空间分辨率的气象资料是提高强对流天气临近预报准确率的基础之一。由于多普勒天气雷达的探测数据有很高的时间和空间分辨率，这些数据对预报强对流天气系统的发展具有重要的指示意义，因此多普勒天气雷达已经成为改进临近预报最有效的工具之一,具有其他气象探测设备所无法取代的优势。

基于多普勒天气雷达的临近预报技术的研究起源于20世纪60年代。从20世纪80年代开始,随着多普勒天气雷达在气象领域的广泛应用，美国、英国、法国、加拿大、日本、澳大利亚等国家先后对基于多普勒天气雷达的临近预报技术进行了研究。目前,气象工作者已经研发了多个主要基于多普勒天气雷达的临近预报系统，如ANC、CARDS、NIMROD、TITAN、WDSS等。这些临近预报系统不仅使用了多普勒雷达数据，还使用了其他气象探测设备的数据，从而能提供更加丰富的预报产品，提高预报准确率。在世界天气研究计划预报示范项目的支持下,2008年北京奥林匹克运动会将运行多个来自世界各地的主要基于多普勒天气雷达资料的临近预报系统，目前已经开展了奥运演练试验。

我国从1998年开始新一代多普勒天气雷达建设工作，目前已经初见成效。为了充分发挥多普勒雷达在临近预报中的作用，提高对强对流天气系统的监测和预警能力，满足社会发展对临近预报的需求，我国就必须研发适合我国天气特点的基于多普勒天气雷达的临近预报系统，这是一项非常紧迫的任务。

软件体系结构

临近预报软件系统在设计和实现过程中采用自上向下、逐步求精的设计思想，使用Visual C++和Visual Fortran混合编程。Visual C++是面向对象的语言,编写的代码具有较好的可重用性、可靠性和连续性，可以方便快捷地制作友好的图形用户界面。Visual Fortran提供的数学函数库精度高,功能丰富，有效缩短了软件研发周期。

临近预报系统对计算性能要求很高，但系统的大部分用户是地市级气象台甚至是县级气象台，不可能购买高端计算设备。Windows平台在大规模科学计算上目前仍处于劣势，因此必须使用一些编程技术，解决上述矛盾。

系统组成

软件系统采用模块化的设计思想,分为7个子系统,依次是雷达原始数据自动识别监测、雷达原始数据格式转换、雷达原始数据质量控制、运行参数和算法参数设置、产品生成、产品可视化、产品数据格式转换与分发，各子系统之间相互独立。每个功能模块由一个或多个类来实现，为了确保类的独立和安全特性，系统通过指针变量来存储和交换数据，提高动态利用内存的效率。

雷达原始数据自动识别监视子系统:实时监视用户定制的多个雷达数据目录中是否有新的原始数据生成，并对其数据类型进行识别。如果有新的数据生成,系统将其文件名放入新文件队列。

雷达原始数据格式转换子系统：目前，国内各个雷达厂家生产的多普勒雷达的数据格式不一致,这使得后续的计算工作变得非常复杂。系统定义了一种标准数据格式,该数据格式与实际雷达的数据格式无关。当一种新的雷达数据格式进入时,软件系统只需添加相应的数据转换模块即可。系统根据定制信息自动识别雷达数据格式，然后调用相应的原始数据格式转换模块将其转换为标准格式数据。上述过程对用户来讲是完全透明的。

雷达原始数据质量控制子系统:完成雷达资料的去噪声、补测点等质量控制工作,这是多普勒雷达资料应用的基础。

运行参数和算法参数设置子系统:通过修改系统的各种运行参数和产品算法参数，增强系统的灵活性和适用范围，便于生成符合当地天气特点的临近预报产品。

产品生成子系统:这是临近预报系统的核心。该子系统利用多普勒雷达数据和其他气象数据，依据一定的气象算法生成各种临近预报产品。预报人员综合上述各种预报产品并结合其他气象数据和产品，制作最终的预报产品。产品生成子系统由多个模块构成，每个功能模块实现一种气象产品生成算法。例如，强对流系统识别与外推预报模块利用雷达原始数据识别强风暴，并对其移动路径和强度变化进行预报。雷达―雨量计联合订正估算降水模块可以经计算得到降水的精细时间和空间分布特征，这对水文预报、防汛抢险等非常重要。风场反演计算模块则使用雷达资料近似计算，得到大气中实际风场的分布特征，对临近预报具有重要参考价值。多部天气雷达三维数字化拼图模块可以将多部雷达原始数据插值到统一的坐标系下，这有利于充分发挥组网雷达的优势，对强对流天气进行全网监测，提升对灾害性天气系统的联防能力，提高预报准确率。

产品可视化子系统:将雷达探测到的原始数据、产品生成子系统生成的各种产品数据以文字、图形、图像等直观的方式显示，便于预报人员使用。

产品数据格式转换与分发子系统:为了便于雷达产品的共享使用，本子系统可以将雷达产品转换成通用图像文件格式(如GIF、JPEG等格式)、科学数据专用可视化软件数据格式(如Vis5D等)和其他气象软件系统数据格式。

库/组件技术的应用

将功能模块制作成库或组件，可提高系统的可用性，也有利于系统的推广。在我国气象软件领域，重复开发比较普遍，对于如何高效利用已有软件资源这一问题，库/组件技术提供了一种比较成熟的解决方案。将临近预报系统中的功能模块制作成库/组件，通过相应的数据接口协议，它们就可以很容易地集成为一个新系统。

系统与运行

通过Install Shield软件制作成标准的安装软件后，临时预报软件系统即可。系统提供人机交互式和后台自动运行两种工作模式，两种工作模式可以自由切换。自动运行模式下，数据自动识别监视进程可以实时监视数据输入源。当有新数据生成时，系统自动读取数据并根据定制参数，实时生成各种临近预报产品。产品数据格式转换与分发子系统自动将产品转换成用户定制的数据格式，并将其分发给相应的软件系统。