基于多普勒氣象雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警技術研究
孫世軍，韓 洪
（國網(wǎng)山東省電力公司，山東省 濟南市，250000）
Research on Early Warning Technology of Meteorological Precise Forecast Based on Doppler Weather Radar Vectorization
SUN ShiJun,HAN Hong
(State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan City, Shandong Province, 250000)
Abstract: In recent years, rain and snow, typhoons, strong convection and other extreme weather frequent occurrence, to the grid facilities and power grid operation caused serious harm and loss. Meteorological disasters, regional strong, short time to judge, its strength, impact time, the scope of the impact on the grid equipment, operation and other effects are also different. Meteorological information, especially radar monitoring data, if not connected with the grid GIS platform system, can not be timely and accurate access to meteorological disasters on the power grid equipment, the impact of operation, making the weather on the power grid can not achieve the corresponding early warning role, Accurate correlation technology of high - efficiency meteorological data based on grid GIS and high - precision disaster monitoring and early warning. This paper focuses on radar vectorization analysis method and the forecasting and warning technology of meteorological meteorological forecasting based on grid GIS platform and radar vectorization.
Key words: Power grid GIS;Doppler weather radar;radar vectorization;refinement;forecasting and warning
摘要：近年來，雨雪冰凍、臺風、強對流等極端天氣頻繁發(fā)生，給電網(wǎng)設施及電網(wǎng)運行造成了嚴重的危害和損失。氣象災害的地域性強，判斷時間短，其強弱度、影響時間、影響范圍對電網(wǎng)設備、運行等影響也各不同。氣象信息尤其是雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果不能與電網(wǎng)GIS平臺系統(tǒng)關聯(lián)，就不能及時，準確獲得氣象災害對電網(wǎng)設備，運行帶來的影響，使得氣象對電網(wǎng)的起不到相應的預警作用，亟需基于電網(wǎng)GIS的高效氣象數(shù)據(jù)精準關聯(lián)技術及高精度災害監(jiān)測預警。本文重點闡述雷達矢量化分析方法以及基于電網(wǎng)GIS平臺及雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警技術。
關鍵詞：電網(wǎng)GIS；多普勒天氣雷達；雷達矢量化；精細化；預報預警
0 引言
多普勒天氣雷達是一種大氣探測設備，間歇性地向空中發(fā)射電磁波，以近于直線的路徑和接近光波的速度在大氣中傳播。若遇到了氣象目標物，脈沖電磁波會被氣象目標物散射。雷達回波強度圖是將天氣雷達從各個方位掃描所獲得的降雨目標物的距離、方位、回波強度等信息，投影到一張平面圖上，是監(jiān)測云層和降雨系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)。在監(jiān)測、預警、預報強降雨、風暴等災害性天氣，特別是極端天氣事件方面發(fā)揮重要作用。
國內(nèi)現(xiàn)有的雷達數(shù)據(jù)分析，沒有針對具體電網(wǎng)設備及運行方式的雷達數(shù)據(jù)分析，氣象監(jiān)測、預報預警，當氣象災害發(fā)生時，由于得不到及時有效的預警信息，給電網(wǎng)設施的搶險救災，電網(wǎng)運行方式維護帶來極大困難。由于雷達圖像是位圖圖像，對位圖圖像放大、縮小等操作非常不方便。因此對雷達圖像矢量化十分有意義。基于多普勒氣象雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警技術研究，通過將氣象多普勒雷達信息與電網(wǎng)GIS平臺運行電網(wǎng)設備資源數(shù)據(jù)結合，能夠及時準確分析電網(wǎng)設備所處環(huán)境地域當前降雨范圍、降雨強度以及未來發(fā)展趨勢等。
基于多普勒氣象雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警技術研究，將電網(wǎng)設備與雷達矢量化氣象要素信息結合，實現(xiàn)電網(wǎng)設備、電網(wǎng)運行方式與氣象數(shù)據(jù)關聯(lián)，進行準確分析研究。通過對氣象數(shù)據(jù)的應用，提高電網(wǎng)運行預報預警的精度，有效降低應急資源浪費，實現(xiàn)針對電網(wǎng)的臺風、暴雨、強對流等災害性天氣的發(fā)生與發(fā)展直觀和全方位的實時監(jiān)測，并追蹤這類天氣系統(tǒng)的運動和演變，為預測預報災害性天氣提供分析依據(jù)。
1 山東電網(wǎng)GIS平臺
山東電網(wǎng)GIS平臺始建于2011年11月，2012年9月正式上線試運行。在前期開發(fā)中實現(xiàn)了與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、配電自動化、營銷GIS、門戶目錄、IP多媒體子系統(tǒng)（IP multimedia subsystem，IMS）、輸變電狀態(tài)監(jiān)測等內(nèi)部專業(yè)業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，在這些應用的基礎上不斷進行功能完善，實現(xiàn)了電網(wǎng)結構模型構建、電網(wǎng)資源的結構化管理和可視化展現(xiàn)，并通過與各業(yè)務系統(tǒng)的集成實現(xiàn)空間位置信息、電網(wǎng)拓撲信息和公共屬性信息的統(tǒng)一維護和管理，按照標準的面向服務的體系架構（SOA）和統(tǒng)一的服務規(guī)范為各類電網(wǎng)業(yè)務應用提供電網(wǎng)空間信息圖形和分析服務。同時不斷提升電網(wǎng)GIS平臺在生產(chǎn)、營銷、應急等相關專業(yè)的運行效率、應用實現(xiàn)效果及業(yè)務應用拓展的支撐能力。2013年以來，基于電網(wǎng)GIS平臺的電網(wǎng)防災減災綜合監(jiān)測預警和應急處置輔助決策等方面的深化應用，為基于多普勒氣象雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警技術研究提供了基礎數(shù)據(jù)和空間信息平臺。
2 存在問題
雷達圖像是雷達信息顯示系統(tǒng)中重要的一部分，也是數(shù)據(jù)量最大的部分,用于在各雷達之間以及雷達與傳感器之間共享。雷達數(shù)據(jù)占用內(nèi)存空間比較大，占用帶寬比較寬，傳輸?shù)某杀颈容^高。同時，由于雷達圖像是位圖圖像，對位圖圖像放大、縮小等操作非常不方便。同時雷達數(shù)據(jù)與電網(wǎng)GIS存在于不同的數(shù)據(jù)平臺，需要進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入、解析、矢量化分析。
矢量化的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，可以精確覆蓋山東全境的電網(wǎng)設施，可根據(jù)雷達回波強度以及分辨率為1KM的網(wǎng)格范圍，分析不同雷達回波下強對流天氣出現(xiàn)的精準位置，通過極值域算法，對相同雷達回波強度的網(wǎng)格進行域化劃分，并對劃分的不同回波強度網(wǎng)格域進行電網(wǎng)設施、?；菲髽I(yè)、地質(zhì)隱患點、重要用戶、防汛信息、醫(yī)院、應急物資等各種資源的分析查找，可關聯(lián)域范圍中氣象監(jiān)測站信息，查找歷史出現(xiàn)的氣象監(jiān)測極值信息，為強對流天氣的設備重點防范部位研判以及精準設備關聯(lián)，提供重要的基礎研判信息。
由于電網(wǎng)覆蓋面積大，矢量化后雷達格點數(shù)量多，超過70萬個，可能存在數(shù)據(jù)加載速度慢、響應時間長等問題。
3 研究內(nèi)容
多普勒天氣雷達具有很高的時空分辨率，目前已經(jīng)成為對短時強烈天氣進行監(jiān)測預警的主要手段之一，這使其在中尺度氣象研究中具有其他觀測資料無可比擬的優(yōu)越性。但是多普勒天氣雷達資料是體掃資料，原始數(shù)據(jù)及其大部分 (反射率等 )數(shù)據(jù)的格式都為極坐標格式，這與用于天氣業(yè)務的分析與預報場資料、自動站資料、探空資料、GPS／M ET 水汽資料等的格式(地理坐標系)完全不同。因此，為了更好地將雷達資料應用于電網(wǎng)災害預警業(yè)務，有必要開展雷達矢量化及電力氣象精細化預報預警技術研究。
主要的研究內(nèi)容有：多普勒氣象雷達數(shù)據(jù)接入、雷達數(shù)據(jù)網(wǎng)格化分析、基于電網(wǎng)GIS的雷達矢量化關聯(lián)分析、精細化預報預警。
3.1多普勒氣象雷達數(shù)據(jù)接入
經(jīng)安全接入平臺，通過隔離、安全防護、加密等技術手段，跨越氣象局專網(wǎng)與電力內(nèi)網(wǎng)，實現(xiàn)非結構化雷達矩陣數(shù)據(jù)接入。
3.2雷達數(shù)據(jù)網(wǎng)格化分析
開展基于多普勒氣象雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警技術研究，進行雷達空間拼圖時，針對全省及周邊雷達，逐個將單站數(shù)據(jù)從其自身的球坐標系轉到地球為坐標的球面坐標系中，并且保證其水平格距為0.01度，垂直格距為1km，然后對每個雷達在垂直方向上計算其最大反射率，形成雷達回波組合反射率產(chǎn)品，并通過最大值法進行雷達數(shù)據(jù)拼圖。形成雷達格點數(shù)據(jù)后，通過使用基于像素分析的技術將雷達數(shù)據(jù)標色后，顯示到電網(wǎng)GIS中。
對于雷達極坐標坐標轉換或網(wǎng)格化研究，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了不少工作。但由于極坐標系有靠近極點區(qū)域的空間分辨率高、遠離極點區(qū)域的空間分辨率低的特點，這使得遠離雷達站區(qū)域直接采用坐標轉換公式計算得到的雷達資料非常稀疏，甚至可能會漏掉體掃資料中原有的反射率結構特征。為了解決這一問題，提出了雷達資料的網(wǎng)格化，其主要思路是在雷達資料的極坐標平面內(nèi)疊加網(wǎng)格，每個網(wǎng)格點的值由周圍雷達距離庫的值(即極坐標系 的探測值 )確定。目前，單個仰角平面內(nèi)雷達資料網(wǎng)格化的方法主要是臨近法和雙線性插值法。
以雷達測站點為中心，建立分辨率為1 km (可更改 )格距 的網(wǎng)格系統(tǒng)，再將雷達極坐標系的探測資料疊加至該網(wǎng)格上。這樣，網(wǎng)格系統(tǒng)中的每個格點的值就可以根據(jù)周圍的雷達極坐標探測值推算得到，這就是雷達資料的網(wǎng)格化。在雷達資料網(wǎng)格化過程中，雷達資料從極坐標向網(wǎng)格點推算的方法主要有兩種，即臨近法和雙線性插值法。
雙線性插值法是利用格點四周最近的4個極坐標點的雷達探測值進行雙線性插值獲取該格點的值。如圖所示，A 、c 是穿越點 E 的弧線與半徑的交點，B 、D 是穿越點 E 半徑與弧線的交點。格點的值就可以根據(jù)其周圍最近的 4 個極坐標點(P(r( )， ( 一1))、F (r(n+ 1)，0( 一1))、 (r( )，0(i))、G (r(n +1)， (i)))和 A E 、E C 、BE 、D E 、A C 、BD 的距離，將4個極坐標點的探測值，采用雙線性插值法獲得，設格點 E 的極坐標為(rE，OE)，則 B D =r(n+ 1)一r( )，
BE =r( + 1)一FE，D E =rE—r(n )，A E ／A C =(0E一0(i一1))，
E C／A C =( (i)一0E)／( (i)一 (i一1))。
可見，采用雙線性插值法，先要判斷給定的格點位于哪個弧底梯形中，還要計算出該格點到弧底梯形四邊的距離 。
雙線性法示意圖
3.3基于電網(wǎng)GIS的雷達矢量化關聯(lián)分析
根據(jù)氣象部門提供多普勒雷達拼圖數(shù)據(jù)及相應定位信息，以時間分辨率10分鐘，空間分辨率1 km的多譜勒4M矩陣數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)提供給電網(wǎng)GIS平臺。電網(wǎng)GIS平臺將矩陣數(shù)據(jù)轉換成70萬個覆蓋整個山東區(qū)域以及山東周邊100公里范圍以上的等邊正方形網(wǎng)格，根據(jù)每一個網(wǎng)格中的雷達回波強度dBZ值，將70萬個網(wǎng)格進行色斑渲染。
（1）在電網(wǎng)GIS平臺建立分辨率為1 km的極值域系統(tǒng)，利用雙線性插值法，將雷達回波位置數(shù)據(jù)由球面坐標系轉換成平面經(jīng)緯坐標系，形成雷達格點極值域數(shù)據(jù)，再通過使用基于像素分析的技術將雷達數(shù)據(jù)標色后，顯示到電網(wǎng)GIS平臺中。
（2）研究多普勒雷達矢量化范圍內(nèi)電網(wǎng)設施、三跨線路、?；菲髽I(yè)、地質(zhì)隱患點、重要用戶、防汛重點部位、醫(yī)院、應急資源等分析方法。
（3）研究基于多普勒氣象雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警方法。根據(jù)雷達回波變化趨勢，提前預警，分析未來可能影響的電網(wǎng)設施。
（4）研究基于多普勒氣象雷達矢量化的災害性天氣災損范圍確定方法。
基于電網(wǎng)GIS的雷達數(shù)據(jù)矢量化
3.4精細化預報預警
根據(jù)山東省氣象變化分布的特點和基建設施的防災標準，進行精確到1*1公里范圍內(nèi)氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)匹配，統(tǒng)計分析近3年來每一個工地氣象條件，進行逐年、逐月、逐日的進行閾值分析，制定針對每個工程現(xiàn)場的氣象閾值策略，包括風力極大值、高溫、低溫、濕度、氣壓、能見度等氣象要素。同時結合電網(wǎng)建設工程的重點關注信息，制定并關聯(lián)每個工程及設施的風險控制策略，形成電網(wǎng)建設工程策略的算法，為電網(wǎng)工程建設提供精準的告警服務。
通過對雷達數(shù)據(jù)的解析并結合電網(wǎng)GIS平臺展示，當災害天氣發(fā)生時，可自動分析強對流天氣走勢已經(jīng)影響的設備，雷達矢量化網(wǎng)格信息與電網(wǎng)GIS平臺中的各種資源進行矢量關聯(lián)，可直觀，精準復合關聯(lián)各種電網(wǎng)與資源信息，為應急處置、態(tài)勢研判、物資調(diào)撥、應急支援點的確認等各方面提供有力的技術支撐。
（1）建立組合、單站雷達預警模型,通過對實時監(jiān)測雷達數(shù)據(jù)處理分析,可對電網(wǎng)覆蓋區(qū)內(nèi)的氣象進行準確預測?；陔娏IS平臺建立電網(wǎng)雷達評估模型,可以實現(xiàn)災害氣象的預測預報，并對受其影響的線路桿塔分等級預警,以提醒相關人員供其決策處置。
（2）以電網(wǎng)GIS平臺為支撐，可以對各種輸、變、配等電網(wǎng)設施實現(xiàn)準確定位，建立基礎電網(wǎng)地理信息圖層。
（3）將多普勒雷達實時監(jiān)測雷達數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測預警系統(tǒng)接收到氣象信息后， 根據(jù)氣象預報數(shù)據(jù)和差值數(shù)據(jù)的處理結果生成災害數(shù)據(jù)文件，并計算出處于災害天氣影響范圍內(nèi)的風險電網(wǎng)設備數(shù)據(jù) 。
（4）建立災害天氣影響范圍與電網(wǎng)地理圖層的精確關聯(lián)，地域信息與災害信息有機整合，這樣能夠直觀在電網(wǎng)GIS系統(tǒng)中看到設定區(qū)域內(nèi)的氣象狀況。實時監(jiān)控氣象信息路徑，按照影響范圍精確關聯(lián)不同電網(wǎng)設備，根據(jù)當前的雷達實時氣象信息做出針對電網(wǎng)的不同等級的災害預報預警信息，并做出相應的應急處置決策及方法。
4 結語
基于多普勒氣象雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警技術研究，將雷達數(shù)據(jù)與電網(wǎng)GIS平臺結合，電網(wǎng)設備及電網(wǎng)運行方式關聯(lián)雷達數(shù)據(jù)，準確進行分析研究，通過對雷達數(shù)據(jù)的應用，提高電網(wǎng)運行預報預警的精度，實現(xiàn)針對電網(wǎng)設備的臺風、暴雨、強對流等災害性天氣的發(fā)生與發(fā)展直觀和全方位的實時監(jiān)測，并追蹤這類天氣系統(tǒng)的運動和演變，為預測預報災害性天氣提供分析依據(jù)。
另一方面，基于多普勒氣象雷達矢量化的電力氣象精細化預報預警技術研究對提高電網(wǎng)設備及運行方式應對災害天氣預警應急能力，提高應急處置效率，電網(wǎng)設備安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行都具有重要作用：氣象雷達自地面向上對云、雨等進行觀測，具有更高的時間和空間分辨率，可以及時準確研判各地當前降雨范圍、降雨強度以及未來發(fā)展趨勢等；通過對單站雷達數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對全省發(fā)生強對流等災害性天氣的精確分析；可以提高氣象雷達信息在電網(wǎng)設備及運行系統(tǒng)應用領域的實用化水平，為電力系統(tǒng)應急管理與氣象防災減災、生產(chǎn)運營、調(diào)度精細化管理等提供決策支持，最大限度的減少氣象災害對電網(wǎng)運行的影響。
參考文獻
鄒海波,單九生,鄧詩茹.多普勒雷達資料的網(wǎng)格化研究[J]. 氣象與減災研究, 2014, 37(2):23-30.
王仕安,羅琦.基于GIS的電網(wǎng)綜合防災減災管理系統(tǒng)[J]. 電力信息與通信技術, 2010, 08(12):69-72.
薛根元,趙放,冀春曉.多普勒天氣雷達資料揭示臺風云娜登陸期間演變特征分析[C] //中國氣象學會雷達氣象學與氣象雷達委員會學術年會. 2005.
段文廣;安林;魏敏;利用多普勒天氣雷達資料建立災害性天氣的監(jiān)測和預警系統(tǒng)[J];干旱氣象;2009年01期
姚楠, 陳哲, 劉玉林. 基于GIS的電網(wǎng)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的研制[J]. 電力信息與通信技術, 2013, 11(3):41-45.
楊艷蓉, 李柏, 張沛源．多普勒雷達資料四維變分同化[J]．應用氣象學報，2004 ，15(1)：95～110.
李曄，宋雪明．一次冰雹天氣多普勒雷達回波特征分析[J]．氣象與減災研究, 2008 , 31(3 ): 70—72.
盛春巖, 薛德強, 雷霆,等.雷達資料同化與提高模式,水平分辨率對短時預報影響的數(shù)值對比試驗[J].氣象學報, 2006 , 64(3 ): 293—307.
李媛, 董佩明, 劉艷,等.多普勒雷達基本觀測量直接,同化對模式物
量場的影響[J].氣象與減災研究,2009 ,32(3 ):19—32.
張培昌, 李曉正, 顧松山．天氣雷達組網(wǎng)拼圖的四維同化方法[J]．南京氣象學院學報 ,1989 ,12(3 ): 22—28．
馬中元, 聶秋生．多普勒雷達回波資料網(wǎng)格化設計[J]．江西氣象科技, 2004, 27(1): 40—42．
胡勝, 伍志方, 劉運策, 等．新一代多普勒天氣雷達廣東省區(qū)域拼圖初探[EJ]．氣象科學, 2006, 26(1): 74-79
王慶東 , 嚴衛(wèi), 馬寧．數(shù)字化天氣雷達組網(wǎng)拼圖算法[J]. 解放軍理工大學學報( 自然科學版)，2002，3(2 ); 90—93.
Fulton R ．WSR -88D polar to HRAP mappingl [M]．Teeh Memo , Hy drology Research Lab oratory，Office of Hy —drology, Nation al Weather Service ,Silver Spring , MD , l998: 33．
Jorgensen D P , Hildebrand P H, Frush C L．Feasibility test ofan airborne pulse--D oppler m eteorological radarl [J]．J Climate Appl Meteor , 1983 , 22: 744 —757．
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