基于多普勒气象雷达矢量化的电力气象精细化预报预警技术研究
孙世军，韩 洪
（国网山东省电力公司，山东省 济南市，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：近年来，雨雪冰冻、台风、强对流等极端天气频繁发生，给电网设施及电网运行造成了严重的危害和损失。气象灾害的地域性强，判断时间短，其强弱度、影响时间、影响范围对电网设备、运行等影响也各不同。气象信息尤其是雷达监测数据，如果不能与电网GIS平台系统关联，就不能及时，准确获得气象灾害对电网设备，运行带来的影响，使得气象对电网的起不到相应的预警作用，亟需基于电网GIS的高效气象数据精准关联技术及高精度灾害监测预警。本文重点阐述雷达矢量化分析方法以及基于电网GIS平台及雷达矢量化的电力气象精细化预报预警技术。
关键词：电网GIS；多普勒天气雷达；雷达矢量化；精细化；预报预警
0 引言
多普勒天气雷达是一种大气探测设备，间歇性地向空中发射电磁波，以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播。若遇到了气象目标物，脉冲电磁波会被气象目标物散射。雷达回波强度图是将天气雷达从各个方位扫描所获得的降雨目标物的距离、方位、回波强度等信息，投影到一张平面图上，是监测云层和降雨系统的有效数据。在监测、预警、预报强降雨、风暴等灾害性天气，特别是极端天气事件方面发挥重要作用。
国内现有的雷达数据分析，没有针对具体电网设备及运行方式的雷达数据分析，气象监测、预报预警，当气象灾害发生时，由于得不到及时有效的预警信息，给电网设施的抢险救灾，电网运行方式维护带来极大困难。由于雷达图像是位图图像，对位图图像放大、缩小等操作非常不方便。因此对雷达图像矢量化十分有意义。基于多普勒气象雷达矢量化的电力气象精细化预报预警技术研究，通过将气象多普勒雷达信息与电网GIS平台运行电网设备资源数据结合，能够及时准确分析电网设备所处环境地域当前降雨范围、降雨强度以及未来发展趋势等。
基于多普勒气象雷达矢量化的电力气象精细化预报预警技术研究，将电网设备与雷达矢量化气象要素信息结合，实现电网设备、电网运行方式与气象数据关联，进行准确分析研究。通过对气象数据的应用，提高电网运行预报预警的精度，有效降低应急资源浪费，实现针对电网的台风、暴雨、强对流等灾害性天气的发生与发展直观和全方位的实时监测，并追踪这类天气系统的运动和演变，为预测预报灾害性天气提供分析依据。
1 山东电网GIS平台
山东电网GIS平台始建于2011年11月，2012年9月正式上线试运行。在前期开发中实现了与生产管理系统、配电自动化、营销GIS、门户目录、IP多媒体子系统（IP multimedia subsystem，IMS）、输变电状态监测等内部专业业务系统的数据集成，在这些应用的基础上不断进行功能完善，实现了电网结构模型构建、电网资源的结构化管理和可视化展现，并通过与各业务系统的集成实现空间位置信息、电网拓扑信息和公共属性信息的统一维护和管理，按照标准的面向服务的体系架构（SOA）和统一的服务规范为各类电网业务应用提供电网空间信息图形和分析服务。同时不断提升电网GIS平台在生产、营销、应急等相关专业的运行效率、应用实现效果及业务应用拓展的支撑能力。2013年以来，基于电网GIS平台的电网防灾减灾综合监测预警和应急处置辅助决策等方面的深化应用，为基于多普勒气象雷达矢量化的电力气象精细化预报预警技术研究提供了基础数据和空间信息平台。
2 存在问题
雷达图像是雷达信息显示系统中重要的一部分，也是数据量最大的部分,用于在各雷达之间以及雷达与传感器之间共享。雷达数据占用内存空间比较大，占用带宽比较宽，传输的成本比较高。同时，由于雷达图像是位图图像，对位图图像放大、缩小等操作非常不方便。同时雷达数据与电网GIS存在于不同的数据平台，需要进行统一的数据接入、解析、矢量化分析。
矢量化的网格数据，可以精确覆盖山东全境的电网设施，可根据雷达回波强度以及分辨率为1KM的网格范围，分析不同雷达回波下强对流天气出现的精准位置，通过极值域算法，对相同雷达回波强度的网格进行域化划分，并对划分的不同回波强度网格域进行电网设施、危化品企业、地质隐患点、重要用户、防汛信息、医院、应急物资等各种资源的分析查找，可关联域范围中气象监测站信息，查找历史出现的气象监测极值信息，为强对流天气的设备重点防范部位研判以及精准设备关联，提供重要的基础研判信息。
由于电网覆盖面积大，矢量化后雷达格点数量多，超过70万个，可能存在数据加载速度慢、响应时间长等问题。
3 研究内容
多普勒天气雷达具有很高的时空分辨率，目前已经成为对短时强烈天气进行监测预警的主要手段之一，这使其在中尺度气象研究中具有其他观测资料无可比拟的优越性。但是多普勒天气雷达资料是体扫资料，原始数据及其大部分 (反射率等 )数据的格式都为极坐标格式，这与用于天气业务的分析与预报场资料、自动站资料、探空资料、GPS／M ET 水汽资料等的格式(地理坐标系)完全不同。因此，为了更好地将雷达资料应用于电网灾害预警业务，有必要开展雷达矢量化及电力气象精细化预报预警技术研究。
主要的研究内容有：多普勒气象雷达数据接入、雷达数据网格化分析、基于电网GIS的雷达矢量化关联分析、精细化预报预警。
3.1多普勒气象雷达数据接入
经安全接入平台，通过隔离、安全防护、加密等技术手段，跨越气象局专网与电力内网，实现非结构化雷达矩阵数据接入。
3.2雷达数据网格化分析
开展基于多普勒气象雷达矢量化的电力气象精细化预报预警技术研究，进行雷达空间拼图时，针对全省及周边雷达，逐个将单站数据从其自身的球坐标系转到地球为坐标的球面坐标系中，并且保证其水平格距为0.01度，垂直格距为1km，然后对每个雷达在垂直方向上计算其最大反射率，形成雷达回波组合反射率产品，并通过最大值法进行雷达数据拼图。形成雷达格点数据后，通过使用基于像素分析的技术将雷达数据标色后，显示到电网GIS中。
对于雷达极坐标坐标转换或网格化研究，国内外学者已经做了不少工作。但由于极坐标系有靠近极点区域的空间分辨率高、远离极点区域的空间分辨率低的特点，这使得远离雷达站区域直接采用坐标转换公式计算得到的雷达资料非常稀疏，甚至可能会漏掉体扫资料中原有的反射率结构特征。为了解决这一问题，提出了雷达资料的网格化，其主要思路是在雷达资料的极坐标平面内叠加网格，每个网格点的值由周围雷达距离库的值(即极坐标系 的探测值 )确定。目前，单个仰角平面内雷达资料网格化的方法主要是临近法和双线性插值法。
以雷达测站点为中心，建立分辨率为1 km (可更改 )格距 的网格系统，再将雷达极坐标系的探测资料叠加至该网格上。这样，网格系统中的每个格点的值就可以根据周围的雷达极坐标探测值推算得到，这就是雷达资料的网格化。在雷达资料网格化过程中，雷达资料从极坐标向网格点推算的方法主要有两种，即临近法和双线性插值法。
双线性插值法是利用格点四周最近的4个极坐标点的雷达探测值进行双线性插值获取该格点的值。如图所示，A 、c 是穿越点 E 的弧线与半径的交点，B 、D 是穿越点 E 半径与弧线的交点。格点的值就可以根据其周围最近的 4 个极坐标点(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 的距离，将4个极坐标点的探测值，采用双线性插值法获得，设格点 E 的极坐标为(rE，OE)，则 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))。
可见，采用双线性插值法，先要判断给定的格点位于哪个弧底梯形中，还要计算出该格点到弧底梯形四边的距离 。
双线性法示意图
3.3基于电网GIS的雷达矢量化关联分析
根据气象部门提供多普勒雷达拼图数据及相应定位信息，以时间分辨率10分钟，空间分辨率1 km的多谱勒4M矩阵数据文件数据提供给电网GIS平台。电网GIS平台将矩阵数据转换成70万个覆盖整个山东区域以及山东周边100公里范围以上的等边正方形网格，根据每一个网格中的雷达回波强度dBZ值，将70万个网格进行色斑渲染。
（1）在电网GIS平台建立分辨率为1 km的极值域系统，利用双线性插值法，将雷达回波位置数据由球面坐标系转换成平面经纬坐标系，形成雷达格点极值域数据，再通过使用基于像素分析的技术将雷达数据标色后，显示到电网GIS平台中。
（2）研究多普勒雷达矢量化范围内电网设施、三跨线路、危化品企业、地质隐患点、重要用户、防汛重点部位、医院、应急资源等分析方法。
（3）研究基于多普勒气象雷达矢量化的电力气象精细化预报预警方法。根据雷达回波变化趋势，提前预警，分析未来可能影响的电网设施。
（4）研究基于多普勒气象雷达矢量化的灾害性天气灾损范围确定方法。
基于电网GIS的雷达数据矢量化
3.4精细化预报预警
根据山东省气象变化分布的特点和基建设施的防灾标准，进行精确到1*1公里范围内气象网格数据匹配，统计分析近3年来每一个工地气象条件，进行逐年、逐月、逐日的进行阈值分析，制定针对每个工程现场的气象阈值策略，包括风力极大值、高温、低温、湿度、气压、能见度等气象要素。同时结合电网建设工程的重点关注信息，制定并关联每个工程及设施的风险控制策略，形成电网建设工程策略的算法，为电网工程建设提供精准的告警服务。
通过对雷达数据的解析并结合电网GIS平台展示，当灾害天气发生时，可自动分析强对流天气走势已经影响的设备，雷达矢量化网格信息与电网GIS平台中的各种资源进行矢量关联，可直观，精准复合关联各种电网与资源信息，为应急处置、态势研判、物资调拨、应急支援点的确认等各方面提供有力的技术支撑。
（1）建立组合、单站雷达预警模型,通过对实时监测雷达数据处理分析,可对电网覆盖区内的气象进行准确预测。基于电力GIS平台建立电网雷达评估模型,可以实现灾害气象的预测预报，并对受其影响的线路杆塔分等级预警,以提醒相关人员供其决策处置。
（2）以电网GIS平台为支撑，可以对各种输、变、配等电网设施实现准确定位，建立基础电网地理信息图层。
（3）将多普勒雷达实时监测雷达数据处理，监测预警系统接收到气象信息后， 根据气象预报数据和差值数据的处理结果生成灾害数据文件，并计算出处于灾害天气影响范围内的风险电网设备数据 。
（4）建立灾害天气影响范围与电网地理图层的精确关联，地域信息与灾害信息有机整合，这样能够直观在电网GIS系统中看到设定区域内的气象状况。实时监控气象信息路径，按照影响范围精确关联不同电网设备，根据当前的雷达实时气象信息做出针对电网的不同等级的灾害预报预警信息，并做出相应的应急处置决策及方法。
4 结语
基于多普勒气象雷达矢量化的电力气象精细化预报预警技术研究，将雷达数据与电网GIS平台结合，电网设备及电网运行方式关联雷达数据，准确进行分析研究，通过对雷达数据的应用，提高电网运行预报预警的精度，实现针对电网设备的台风、暴雨、强对流等灾害性天气的发生与发展直观和全方位的实时监测，并追踪这类天气系统的运动和演变，为预测预报灾害性天气提供分析依据。
另一方面，基于多普勒气象雷达矢量化的电力气象精细化预报预警技术研究对提高电网设备及运行方式应对灾害天气预警应急能力，提高应急处置效率，电网设备安全稳定经济运行都具有重要作用：气象雷达自地面向上对云、雨等进行观测，具有更高的时间和空间分辨率，可以及时准确研判各地当前降雨范围、降雨强度以及未来发展趋势等；通过对单站雷达数据分析，实现对全省发生强对流等灾害性天气的精确分析；可以提高气象雷达信息在电网设备及运行系统应用领域的实用化水平，为电力系统应急管理与气象防灾减灾、生产运营、调度精细化管理等提供决策支持，最大限度的减少气象灾害对电网运行的影响。
参考文献
邹海波,单九生,邓诗茹.多普勒雷达资料的网格化研究[J]. 气象与减灾研究, 2014, 37(2):23-30.
王仕安,罗琦.基于GIS的电网综合防灾减灾管理系统[J]. 电力信息与通信技术, 2010, 08(12):69-72.
薛根元,赵放,冀春晓.多普勒天气雷达资料揭示台风云娜登陆期间演变特征分析[C] //中国气象学会雷达气象学与气象雷达委员会学术年会. 2005.
段文广;安林;魏敏;利用多普勒天气雷达资料建立灾害性天气的监测和预警系统[J];干旱气象;2009年01期
姚楠, 陈哲, 刘玉林. 基于GIS的电网气象灾害监测预警系统的研制[J]. 电力信息与通信技术, 2013, 11(3):41-45.
杨艳蓉, 李柏, 张沛源．多普勒雷达资料四维变分同化[J]．应用气象学报，2004 ，15(1)：95～110.
李晔，宋雪明．一次冰雹天气多普勒雷达回波特征分析[J]．气象与减灾研究, 2008 , 31(3 ): 70—72.
盛春岩, 薛德强, 雷霆,等.雷达资料同化与提高模式,水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验[J].气象学报, 2006 , 64(3 ): 293—307.
李媛, 董佩明, 刘艳,等.多普勒雷达基本观测量直接,同化对模式物
量场的影响[J].气象与减灾研究,2009 ,32(3 ):19—32.
张培昌, 李晓正, 顾松山．天气雷达组网拼图的四维同化方法[J]．南京气象学院学报 ,1989 ,12(3 ): 22—28．
马中元, 聂秋生．多普勒雷达回波资料网格化设计[J]．江西气象科技, 2004, 27(1): 40—42．
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[EJ]．气象科学, 2006, 26(1): 74-79
王庆东 , 严卫, 马宁．数字化天气雷达组网拼图算法[J]. 解放军理工大学学报( 自然科学版)，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．
评论