静止轨道微波卫星热带气旋高分辨率观测仿真

杜 伟，刘 浩

（1.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院大学 计算机与控制学院，北京 100049）

与低地球轨道探测相比，静止轨道[1-4]全天候、大视场以及凝视观测[5]等的特点有助于连续监测热带气旋、强降雨等短时间内快速变化的灾害性天气系统的连续变化过程[6-8]。2006 年，静止轨道毫米波大气探测仪（Geostationary Interferometric Microwave Sounder，GIMS）作为中国下一代静止轨道气象卫星的概念被提出，迄今已先后完成了两代样机研制[9-10]。其中，第二代载荷样机（GIMS-II）可实现50 km 分辨率、5 min 观测周期的全圆盘观测能力[11]。

目标亮温建模系统可以为静止轨道微波辐射计生成输入亮温数据集，来指导静止轨道微波辐射计的指标设计。文中介绍了在Linux 平台下搭建目标亮温建模系统，以及解决亮温文件从产生到显示的文件同步方法。亮温文件可以自动实现在不同操作系统之间的传输，不仅可以解决亮温显示问题，而且可以作为模拟亮温数据实时输入未来静止轨道微波辐射计，以验证其参数设置。

1 目标亮温建模系统概述

台风灾害是我国最严重的极端灾害性天气之一[12-14]，每年7 月份在我国东南部频发，造成了不可估量的经济损失和人员损失，并且台风来临时伴随着大风、强降雨等灾害，台风变化迅速，且台风来临时伴有多个台风，因此有效地观测台风、暴雨等天气系统的内部结构变得刻不容缓。目前用于观测台风内部系统的在轨静止轨道气象卫星探测器多数依赖于光学、红外线手段，微波波段在轨气象卫星多为极轨卫星。尽管静止轨道微波卫星在观测台风天气系统中有着不可比拟的优势，然而，高空间分辨率与高时间分辨率制约了静止轨道微波卫星的发展。目前，静止轨道微波卫星处在设计仿真阶段，但实际上目前并没有实际的静止轨道在轨卫星数据用于输入辐射计系统，来验证辐射计的设计参数是否合理，所以需要目标亮温建模系统来模拟静止轨道卫星的探测亮温数据，并作为辐射计系统的输入来验证辐射计的设计指标。另一方面，利用目标亮温建模系统生成的亮温文件实时显示台风的运动轨迹，也有助于研究人员对台风的分析。

采用逐6 小时，以1°×1°为单元网格的全球再分析资料作为输入，通过数值天气预报模式WRF[15]得到指定时刻、指定空间分辨率格点上的气象预报，利用气象数据分析软件（Grid Analysis and Display system，GrADs）提取预报输出大气环境参数作为RTTOV[16]的输入，同时配置GIMS 参数信息，实现静止轨道上多个频率通道的亮温图像模拟。

2 技术支撑

2.1 服务器集群

集群技术可以利用多个计算机进行并行计算，从而获得较高的运算速度，且成本低、可靠性高、灵活性好、性能高。而且集群中的多个计算机之间可以进行简单通信，如文件同步。由于RTTOV 中需要同时获得多个频率通道的亮温数据集，并且多个频率通道相互之间没有关系，可以用来将多个频率通道分到不同的服务器节点上进行独立的运算。

2.2 文件访问

为实现目标亮温建模系统各个模块之间的对接，需要解决文件访问冲突的问题，即当前一个模块输出文件时需要锁定该文件，接收该模块输出文件的进程不得修改和访问未写入完成的文件，否则会得到错误的文件输出，如图1 所示。以WRF模块与ARWpost 模块为例，其他模块之间同理所得。解决该矛盾的方法采用Linux 的命令lsof，在Linux 系统中，一切皆文件，lsof 命令是一个列出当前系统打开文件的工具，在终端下输入lsof 即可显示该系统打开的文件，若当前文件不在列表中，即可得到该文件已写入完成，ARWpost模块可以对其进行访问，否则ARWpost 将一直等待直到该文件写入完成，代码如下：

图1 文件访问过程

代码中的-f 用来判断file1 是否存在，lsof 用来列出当前是否有进程打开file1，wc 用来计算当前打开file1 的进程，若等于0，则说明file1 已经写完，可以允许下一级程序对其操作，ARWpost 程序可以对其进行读操作，读完之后删除file1。While 用来循环判断当前处理的文件是否已经完成。

2.3 文件同步工具

实验中利用WinSCP 工具进行两个平台的文件同步，如图2 所示。亮温文件产生模块作为服务器端，亮温显示模块作为客户端，通过WinSCP 工具来同步两个模块之间的亮温文件。

图2 文件同步过程

3 文件同步实验

采用流水作业方法的目标亮温建模系统在Linux 平台上已经搭建完成，优化的目标亮温建模系统可以满足实际应用中对时效性的要求，而亮温显示模块是用Matlab 语言编写成的界面，工作在Windows 平台上，如何实现两个平台上的文件自动同步，成为制约该实验的关键。为解决该问题，文中提出利用WinSCP 软件来实现两个平台上的文件传输，WinSCP 操作界面示意图如图3 所示。

图3 WinSCP操作界面示意图

文件传输协议有SFTP 协议、SCP 协议、FTP 协议和WwbDAV 协议，实验选择了SCP 协议，主机名为实验连接的主机名，端口号选择22，当利用界面手动传输文件时需要手动填写图3 的内容，即可在客户机上连接目标服务器，连接成功时，示意图如图4 所示，即可实现手动在Linux 系统和Windows 系统之间自由拖拽文件。

图4 WinSCP连接成功示意图

该实验的目的是为了实现两个平台之间文件的自动传输，编写脚本文件run.txt，run.txt 脚本主要是实现打开WinSCP 工具，利用命令将服务器文件传输至 客户端，在DOS 命令下输入WinSCP.exe ∕console ∕run.txt，既可以成功从服务器端∕home∕hpc∕wrf-rttov∕rttov∕output∕amsua∕目录下复制亮温文件gims.txt 到本地目录。

4 亮温显示系统

目标亮温建模显示系统是用Matlab 写的GUI界面，系统界面主要分成3 部分，第一部分为配置参数模块，第二部分为亮温显示区域，第三部分为运行区。在界面上输入时间、输出文件间隔、频率通道则可以自动地指示Linux 平台上的目标亮温建模系统[17]，修改相应的配置文件并执行目标亮温系统输出亮温文件，显示模块将自动判断亮温文件是否生成，若生成，则处理并显示，系统工作流程如图5 所示。

图5 系统工作流程

图6 的GUI 界面亮温显示模块上输入模拟积分时间起止点，修改相应的配置文件，通过WinSCP 工具将配置文件传入Linux 平台，调用editNamelist 脚本程序修改WPS、WRF、ARWpost 的相应参数文件，修改完成后，调用run 脚本来执行优化后的调用方法。其中editNamelist 为编辑修改数据脚本，主要利用sed 命令，run 脚本是用来将所有的执行脚本汇总起来一次性调用所有执行文件。

图6 亮温显示模块

5 结论

文中介绍了目标亮温建模系统的意义及工具WinSCP 的使用，解决了目标亮温建模系统产生的亮温数据文件自动传输到亮温显示模块的问题[18]，实现在GUI 上输出起止时间、通道频率等参数，则目标亮温建模系统能自动开始工作，并实时传输文件至显示端进行显示，主要可应用于天气预报业务展示中。