基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究
孫世軍，韓 洪
（國網(wǎng)山東省電力公司，山東省 濟(jì)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(fēng)、強(qiáng)對流等極端天氣頻繁發(fā)生，給電網(wǎng)設(shè)施及電網(wǎng)運(yùn)行造成了嚴(yán)重的危害和損失。氣象災(zāi)害的地域性強(qiáng)，判斷時間短，其強(qiáng)弱度、影響時間、影響范圍對電網(wǎng)設(shè)備、運(yùn)行等影響也各不同。氣象信息尤其是雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果不能與電網(wǎng)GIS平臺系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，就不能及時，準(zhǔn)確獲得氣象災(zāi)害對電網(wǎng)設(shè)備，運(yùn)行帶來的影響，使得氣象對電網(wǎng)的起不到相應(yīng)的預(yù)警作用，亟需基于電網(wǎng)GIS的高效氣象數(shù)據(jù)精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)技術(shù)及高精度災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警。本文重點(diǎn)闡述雷達(dá)矢量化分析方法以及基于電網(wǎng)GIS平臺及雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)GIS；多普勒天氣雷達(dá)；雷達(dá)矢量化；精細(xì)化；預(yù)報預(yù)警
0 引言
多普勒天氣雷達(dá)是一種大氣探測設(shè)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(biāo)物，脈沖電磁波會被氣象目標(biāo)物散射。雷達(dá)回波強(qiáng)度圖是將天氣雷達(dá)從各個方位掃描所獲得的降雨目標(biāo)物的距離、方位、回波強(qiáng)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(yù)警、預(yù)報強(qiáng)降雨、風(fēng)暴等災(zāi)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(dá)數(shù)據(jù)分析，沒有針對具體電網(wǎng)設(shè)備及運(yùn)行方式的雷達(dá)數(shù)據(jù)分析，氣象監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警，當(dāng)氣象災(zāi)害發(fā)生時，由于得不到及時有效的預(yù)警信息，給電網(wǎng)設(shè)施的搶險救災(zāi)，電網(wǎng)運(yùn)行方式維護(hù)帶來極大困難。由于雷達(dá)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(dá)圖像矢量化十分有意義。基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究，通過將氣象多普勒雷達(dá)信息與電網(wǎng)GIS平臺運(yùn)行電網(wǎng)設(shè)備資源數(shù)據(jù)結(jié)合，能夠及時準(zhǔn)確分析電網(wǎng)設(shè)備所處環(huán)境地域當(dāng)前降雨范圍、降雨強(qiáng)度以及未來發(fā)展趨勢等。
基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究，將電網(wǎng)設(shè)備與雷達(dá)矢量化氣象要素信息結(jié)合，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備、電網(wǎng)運(yùn)行方式與氣象數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行準(zhǔn)確分析研究。通過對氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用，提高電網(wǎng)運(yùn)行預(yù)報預(yù)警的精度，有效降低應(yīng)急資源浪費(fèi)，實現(xiàn)針對電網(wǎng)的臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流等災(zāi)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(yùn)動和演變，為預(yù)測預(yù)報災(zāi)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(yùn)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(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，在這些應(yīng)用的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行功能完善，實現(xiàn)了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建、電網(wǎng)資源的結(jié)構(gòu)化管理和可視化展現(xiàn)，并通過與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成實現(xiàn)空間位置信息、電網(wǎng)拓?fù)湫畔⒑凸矊傩孕畔⒌慕y(tǒng)一維護(hù)和管理，按照標(biāo)準(zhǔn)的面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA）和統(tǒng)一的服務(wù)規(guī)范為各類電網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供電網(wǎng)空間信息圖形和分析服務(wù)。同時不斷提升電網(wǎng)GIS平臺在生產(chǎn)、營銷、應(yīng)急等相關(guān)專業(yè)的運(yùn)行效率、應(yīng)用實現(xiàn)效果及業(yè)務(wù)應(yīng)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(zāi)減災(zāi)綜合監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急處置輔助決策等方面的深化應(yīng)用，為基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和空間信息平臺。
2 存在問題
雷達(dá)圖像是雷達(dá)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(dá)之間以及雷達(dá)與傳感器之間共享。雷達(dá)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(dá)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(dá)數(shù)據(jù)與電網(wǎng)GIS存在于不同的數(shù)據(jù)平臺，需要進(jìn)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(shè)施，可根據(jù)雷達(dá)回波強(qiáng)度以及分辨率為1KM的網(wǎng)格范圍，分析不同雷達(dá)回波下強(qiáng)對流天氣出現(xiàn)的精準(zhǔn)位置，通過極值域算法，對相同雷達(dá)回波強(qiáng)度的網(wǎng)格進(jìn)行域化劃分，并對劃分的不同回波強(qiáng)度網(wǎng)格域進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)施、?；菲髽I(yè)、地質(zhì)隱患點(diǎn)、重要用戶、防汛信息、醫(yī)院、應(yīng)急物資等各種資源的分析查找，可關(guān)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(qiáng)對流天氣的設(shè)備重點(diǎn)防范部位研判以及精準(zhǔn)設(shè)備關(guān)聯(lián)，提供重要的基礎(chǔ)研判信息。
由于電網(wǎng)覆蓋面積大，矢量化后雷達(dá)格點(diǎn)數(shù)量多，超過70萬個，可能存在數(shù)據(jù)加載速度慢、響應(yīng)時間長等問題。
3 研究內(nèi)容
多普勒天氣雷達(dá)具有很高的時空分辨率，目前已經(jīng)成為對短時強(qiáng)烈天氣進(jìn)行監(jiān)測預(yù)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(dá)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(biāo)格式，這與用于天氣業(yè)務(wù)的分析與預(yù)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(biāo)系)完全不同。因此，為了更好地將雷達(dá)資料應(yīng)用于電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)警業(yè)務(wù)，有必要開展雷達(dá)矢量化及電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究。
主要的研究內(nèi)容有：多普勒氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)接入、雷達(dá)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化分析、基于電網(wǎng)GIS的雷達(dá)矢量化關(guān)聯(lián)分析、精細(xì)化預(yù)報預(yù)警。
3.1多普勒氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)接入
經(jīng)安全接入平臺，通過隔離、安全防護(hù)、加密等技術(shù)手段，跨越氣象局專網(wǎng)與電力內(nèi)網(wǎng)，實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化雷達(dá)矩陣數(shù)據(jù)接入。
3.2雷達(dá)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化分析
開展基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究，進(jìn)行雷達(dá)空間拼圖時，針對全省及周邊雷達(dá)，逐個將單站數(shù)據(jù)從其自身的球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到地球為坐標(biāo)的球面坐標(biāo)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(dá)在垂直方向上計算其最大反射率，形成雷達(dá)回波組合反射率產(chǎn)品，并通過最大值法進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)拼圖。形成雷達(dá)格點(diǎn)數(shù)據(jù)后，通過使用基于像素分析的技術(shù)將雷達(dá)數(shù)據(jù)標(biāo)色后，顯示到電網(wǎng)GIS中。
對于雷達(dá)極坐標(biāo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或網(wǎng)格化研究，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了不少工作。但由于極坐標(biāo)系有靠近極點(diǎn)區(qū)域的空間分辨率高、遠(yuǎn)離極點(diǎn)區(qū)域的空間分辨率低的特點(diǎn)，這使得遠(yuǎn)離雷達(dá)站區(qū)域直接采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式計算得到的雷達(dá)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(jié)構(gòu)特征。為了解決這一問題，提出了雷達(dá)資料的網(wǎng)格化，其主要思路是在雷達(dá)資料的極坐標(biāo)平面內(nèi)疊加網(wǎng)格，每個網(wǎng)格點(diǎn)的值由周圍雷達(dá)距離庫的值(即極坐標(biāo)系 的探測值 )確定。目前，單個仰角平面內(nèi)雷達(dá)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(dá)測站點(diǎn)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(dá)極坐標(biāo)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(diǎn)的值就可以根據(jù)周圍的雷達(dá)極坐標(biāo)探測值推算得到，這就是雷達(dá)資料的網(wǎng)格化。在雷達(dá)資料網(wǎng)格化過程中，雷達(dá)資料從極坐標(biāo)向網(wǎng)格點(diǎn)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(diǎn)四周最近的4個極坐標(biāo)點(diǎn)的雷達(dá)探測值進(jìn)行雙線性插值獲取該格點(diǎn)的值。如圖所示，A 、c 是穿越點(diǎn) E 的弧線與半徑的交點(diǎn)，B 、D 是穿越點(diǎn) E 半徑與弧線的交點(diǎn)。格點(diǎn)的值就可以根據(jù)其周圍最近的 4 個極坐標(biāo)點(diǎn)(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(biāo)點(diǎn)的探測值，采用雙線性插值法獲得，設(shè)格點(diǎn) E 的極坐標(biāo)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(diǎn)位于哪個弧底梯形中，還要計算出該格點(diǎn)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(dá)矢量化關(guān)聯(lián)分析
根據(jù)氣象部門提供多普勒雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)及相應(yīng)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(zhuǎn)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(dá)回波強(qiáng)度dBZ值，將70萬個網(wǎng)格進(jìn)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(dá)回波位置數(shù)據(jù)由球面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成平面經(jīng)緯坐標(biāo)系，形成雷達(dá)格點(diǎn)極值域數(shù)據(jù)，再通過使用基于像素分析的技術(shù)將雷達(dá)數(shù)據(jù)標(biāo)色后，顯示到電網(wǎng)GIS平臺中。
（2）研究多普勒雷達(dá)矢量化范圍內(nèi)電網(wǎng)設(shè)施、三跨線路、?；菲髽I(yè)、地質(zhì)隱患點(diǎn)、重要用戶、防汛重點(diǎn)部位、醫(yī)院、應(yīng)急資源等分析方法。
（3）研究基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警方法。根據(jù)雷達(dá)回波變化趨勢，提前預(yù)警，分析未來可能影響的電網(wǎng)設(shè)施。
（4）研究基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的災(zāi)害性天氣災(zāi)損范圍確定方法。
基于電網(wǎng)GIS的雷達(dá)數(shù)據(jù)矢量化
3.4精細(xì)化預(yù)報預(yù)警
根據(jù)山東省氣象變化分布的特點(diǎn)和基建設(shè)施的防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)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(jìn)行逐年、逐月、逐日的進(jìn)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(fēng)力極大值、高溫、低溫、濕度、氣壓、能見度等氣象要素。同時結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)工程的重點(diǎn)關(guān)注信息，制定并關(guān)聯(lián)每個工程及設(shè)施的風(fēng)險控制策略，形成電網(wǎng)建設(shè)工程策略的算法，為電網(wǎng)工程建設(shè)提供精準(zhǔn)的告警服務(wù)。
通過對雷達(dá)數(shù)據(jù)的解析并結(jié)合電網(wǎng)GIS平臺展示，當(dāng)災(zāi)害天氣發(fā)生時，可自動分析強(qiáng)對流天氣走勢已經(jīng)影響的設(shè)備，雷達(dá)矢量化網(wǎng)格信息與電網(wǎng)GIS平臺中的各種資源進(jìn)行矢量關(guān)聯(lián)，可直觀，精準(zhǔn)復(fù)合關(guān)聯(lián)各種電網(wǎng)與資源信息，為應(yīng)急處置、態(tài)勢研判、物資調(diào)撥、應(yīng)急支援點(diǎn)的確認(rèn)等各方面提供有力的技術(shù)支撐。
（1）建立組合、單站雷達(dá)預(yù)警模型,通過對實時監(jiān)測雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分析,可對電網(wǎng)覆蓋區(qū)內(nèi)的氣象進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測?；陔娏IS平臺建立電網(wǎng)雷達(dá)評估模型,可以實現(xiàn)災(zāi)害氣象的預(yù)測預(yù)報，并對受其影響的線路桿塔分等級預(yù)警,以提醒相關(guān)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(shè)施實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，建立基礎(chǔ)電網(wǎng)地理信息圖層。
（3）將多普勒雷達(dá)實時監(jiān)測雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)接收到氣象信息后， 根據(jù)氣象預(yù)報數(shù)據(jù)和差值數(shù)據(jù)的處理結(jié)果生成災(zāi)害數(shù)據(jù)文件，并計算出處于災(zāi)害天氣影響范圍內(nèi)的風(fēng)險電網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù) 。
（4）建立災(zāi)害天氣影響范圍與電網(wǎng)地理圖層的精確關(guān)聯(lián)，地域信息與災(zāi)害信息有機(jī)整合，這樣能夠直觀在電網(wǎng)GIS系統(tǒng)中看到設(shè)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(guān)聯(lián)不同電網(wǎng)設(shè)備，根據(jù)當(dāng)前的雷達(dá)實時氣象信息做出針對電網(wǎng)的不同等級的災(zāi)害預(yù)報預(yù)警信息，并做出相應(yīng)的應(yīng)急處置決策及方法。
4 結(jié)語
基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究，將雷達(dá)數(shù)據(jù)與電網(wǎng)GIS平臺結(jié)合，電網(wǎng)設(shè)備及電網(wǎng)運(yùn)行方式關(guān)聯(lián)雷達(dá)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確進(jìn)行分析研究，通過對雷達(dá)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，提高電網(wǎng)運(yùn)行預(yù)報預(yù)警的精度，實現(xiàn)針對電網(wǎng)設(shè)備的臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流等災(zāi)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(yùn)動和演變，為預(yù)測預(yù)報災(zāi)害性天氣提供分析依據(jù)。
另一方面，基于多普勒氣象雷達(dá)矢量化的電力氣象精細(xì)化預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究對提高電網(wǎng)設(shè)備及運(yùn)行方式應(yīng)對災(zāi)害天氣預(yù)警應(yīng)急能力，提高應(yīng)急處置效率，電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都具有重要作用：氣象雷達(dá)自地面向上對云、雨等進(jìn)行觀測，具有更高的時間和空間分辨率，可以及時準(zhǔn)確研判各地當(dāng)前降雨范圍、降雨強(qiáng)度以及未來發(fā)展趨勢等；通過對單站雷達(dá)數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對全省發(fā)生強(qiáng)對流等災(zāi)害性天氣的精確分析；可以提高氣象雷達(dá)信息在電網(wǎng)設(shè)備及運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的實用化水平，為電力系統(tǒng)應(yīng)急管理與氣象防災(zāi)減災(zāi)、生產(chǎn)運(yùn)營、調(diào)度精細(xì)化管理等提供決策支持，最大限度的減少氣象災(zāi)害對電網(wǎng)運(yùn)行的影響。
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