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，給電網設施及電網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、影響范圍對電網設備、運行等影響也各不同。氣象信息尤其是雷達監(jiān)測數據，如果不能與電網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設備，運行帶來的影響，使得氣象對電網的起不到相應的預警作用，亟需基于電網GIS的高效氣象數據精準關聯(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)的有效數據。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。
國內現(xiàn)有的雷達數據分析，沒有針對具體電網設備及運行方式的雷達數據分析，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，給電網設施的搶險救災，電網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GIS平臺運行電網設備資源數據結合，能夠及時準確分析電網設備所處環(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，將電網設備與雷達矢量化氣象要素信息結合，實現(xiàn)電網設備、電網運行方式與氣象數據關聯(lián)，進行準確分析研究。通過對氣象數據的應用，提高電網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。
1 山東電網GIS平臺
山東電網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)測等內部專業(yè)業(yè)務系統(tǒng)的數據集成，在這些應用的基礎上不斷進行功能完善，實現(xiàn)了電網結構模型構建、電網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)范為各類電網業(yè)務應用提供電網空間信息圖形和分析服務。同時不斷提升電網GIS平臺在生產、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GIS平臺的電網防災減災綜合監(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據和空間信息平臺。
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，也是數據量最大的部分,用于在各雷達之間以及雷達與傳感器之間共享。雷達數據占用內存空間比較大，占用帶寬比較寬，傳輸的成本比較高。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。同時雷達數據與電網GIS存在于不同的數據平臺，需要進行統(tǒng)一的數據接入、解析、矢量化分析。
矢量化的網格數據，可以精確覆蓋山東全境的電網設施，可根據雷達回波強度以及分辨率為1KM的網格范圍，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格進行域化劃分，并對劃分的不同回波強度網格域進行電網設施、?；菲髽I(yè)、地質隱患點、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。
由于電網覆蓋面積大，矢量化后雷達格點數量多，超過70萬個，可能存在數據加載速度慢、響應時間長等問題。
3 研究內容
多普勒天氣雷達具有很高的時空分辨率，目前已經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，原始數據及其大部分 (反射率等 )數據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。
主要的研究內容有：多普勒氣象雷達數據接入、雷達數據網格化分析、基于電網GIS的雷達矢量化關聯(lián)分析、精細化預報預警。
3.1多普勒氣象雷達數據接入
經安全接入平臺，通過隔離、安全防護、加密等技術手段，跨越氣象局專網與電力內網，實現(xiàn)非結構化雷達矩陣數據接入。
3.2雷達數據網格化分析
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，逐個將單站數據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品，并通過最大值法進行雷達數據拼圖。形成雷達格點數據后，通過使用基于像素分析的技術將雷達數據標色后，顯示到電網GIS中。
對于雷達極坐標坐標轉換或網格化研究，國內外學者已經做了不少工作。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格化，其主要思路是在雷達資料的極坐標平面內疊加網格，每個網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，單個仰角平面內雷達資料網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 的網格系統(tǒng)，再將雷達極坐標系的探測資料疊加至該網格上。這樣，網格系統(tǒng)中的每個格點的值就可以根據周圍的雷達極坐標探測值推算得到，這就是雷達資料的網格化。在雷達資料網格化過程中，雷達資料從極坐標向網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GIS的雷達矢量化關聯(lián)分析
根據氣象部門提供多普勒雷達拼圖數據及相應定位信息，以時間分辨率10分鐘，空間分辨率1 km的多譜勒4M矩陣數據文件數據提供給電網GIS平臺。電網GIS平臺將矩陣數據轉換成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格，根據每一個網格中的雷達回波強度dBZ值，將70萬個網格進行色斑渲染。
（1）在電網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，將雷達回波位置數據由球面坐標系轉換成平面經緯坐標系，形成雷達格點極值域數據，再通過使用基于像素分析的技術將雷達數據標色后，顯示到電網GIS平臺中。
（2）研究多普勒雷達矢量化范圍內電網設施、三跨線路、?；菲髽I(yè)、地質隱患點、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。根據雷達回波變化趨勢，提前預警，分析未來可能影響的電網設施。
（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GIS的雷達數據矢量化
3.4精細化預報預警
根據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公里范圍內氣象網格數據匹配，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，形成電網建設工程策略的算法，為電網工程建設提供精準的告警服務。
通過對雷達數據的解析并結合電網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影響的設備，雷達矢量化網格信息與電網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)各種電網與資源信息，為應急處置、態(tài)勢研判、物資調撥、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)測雷達數據處理分析,可對電網覆蓋區(qū)內的氣象進行準確預測?；陔娏IS平臺建立電網雷達評估模型,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GIS平臺為支撐，可以對各種輸、變、配等電網設施實現(xiàn)準確定位，建立基礎電網地理信息圖層。
（3）將多普勒雷達實時監(jiān)測雷達數據處理，監(jiān)測預警系統(tǒng)接收到氣象信息后， 根據氣象預報數據和差值數據的處理結果生成災害數據文件，并計算出處于災害天氣影響范圍內的風險電網設備數據 。
（4）建立災害天氣影響范圍與電網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GIS系統(tǒng)中看到設定區(qū)域內的氣象狀況。實時監(jiān)控氣象信息路徑，按照影響范圍精確關聯(lián)不同電網設備，根據當前的雷達實時氣象信息做出針對電網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，將雷達數據與電網GIS平臺結合，電網設備及電網運行方式關聯(lián)雷達數據，準確進行分析研究，通過對雷達數據的應用，提高電網運行預報預警的精度，實現(xiàn)針對電網設備的臺風、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。
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，電網設備安全穩(wěn)定經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；通過對單站雷達數據分析，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、生產運營、調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運行的影響。
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