GFE（L）1型雷達大修總結及探測環境影響評估分析

閔昌紅 周和平

摘 要：L波段雷達即GFE（L）1型二次測風雷達，與GTS1型數字探空儀構成新一代高空氣象探測系統。L波段雷達于2003年1月在貴陽正式投入業務運行，是全國120個常規高空探測站最早建設投入業務運行的5個臺站之一。2011年8月，該系統完成大修。本文依據《GFE（L）1型二次測風雷達大修標準（初稿）》 及中國氣象局《2010年GFE（L）1型二次測風雷達大修試點實施方案大修標準（初稿）對L波段高空氣象探測雷達大修技術工作進行總結，以期為后繼業務工作提供借鑒。

關鍵詞：GFE（L）1型雷達；大修；探測環境；評估

高空氣象探測是天氣預報、氣候分析和各種大氣遙感儀器校驗標準的基礎。我國常規高空觀測近十余來來取得飛速發展。

目前，具有自主知識產權的GFE（L）1型二次測風雷達-GTS1型數字探空系統（即L波段高空探測系統）已經成為我國常規高空探測的主導體制。該系統依據中國氣象局《氣象探測系統高空氣象探測系統和地面氣象觀測系統發展規劃（1991—2020）》列為大氣監控自動化系統工程一期工程被列為國家重點投資建設項目[ 1 ]。

2002年1月1日，第一臺L波段雷達在北京觀象臺投入業務運行，至2010年，全國120個常規高空觀測站全部完成該系統的建設并投入業務工作。自此，L波段探空系統已取代使用達四十余年的59-701探測系統，成為我國目前高空探測的主要方式。

L波段基本上實現了從自動跟蹤、數據采集分析集成處理的自動

化[ 2 ]。國際國內對該系統從系統穩定性、探測精度等進行動態對比分析評估。

李柏[ 3 ]等分析了該系統與國際探空系統比對試驗中各參試系統的技術觀測數據及評估結果，提出了我國參試系統的技術改進措施；

馬穎[ 4 ]、張立功[ 5 ]、苑躍[ 6 ]、閔昌紅[ 7 ]等分析了系統換型后溫壓濕等氣象要素的差異特征，為建立連續的高空氣象數據集及要素均一性分析研究進行了有益探討。

該系統與59-701探空系統相比，其自動化程度高、精度高、時效快，時空分辨率高。

世界氣象組織認為探測環境和觀測儀器是影響觀測數據質量的多樣化因素[ 8 ]。探測環境影響氣象觀測資料“三性”。

目前，文獻[ 9，10 ]對地面氣象觀測站的環境評估較深入，而對高空探測鮮少介紹。本文對本站L波段雷達探測環境進行簡要分析。另一方面，貴陽作為首批投入使用L波段雷臺站，經過8年運行，許多電子元器件已進入老化期和故障高發期，對高空探測數據的精度產生一定影響。運行后期，信號衰減，飛點增多，丟球，死機造成遲測重放等故障也降低了探測質量。為此，對L波段高空氣象探測雷達大修技術工作進行總結，以期為后繼業務工作提供借鑒。

1 L波段雷達大修的推進、實施介紹

2010年4月，中國氣象局將《標準》和《方案》下發。省市兩級主管及業務部門成立了貴陽L波段雷達大修項目工作組，負責組織和部署大修工作。

通過調研，了解雷達天線基座、避雷針、電纜管線、值班室等技術條件和工作環境，探討業務切換期間可能出現的問題和處置辦法。

1）改造業務工作平臺，做到舒適，美觀，設備布局合理。

2）參與大修的部門和業務技術人員應加強對《標準》和《方案》的學習和掌握，做到心中有數。

3）大修任務下達之后，除按常規技術規定要求外，大修前一個月，應保證經緯儀、GTC2型探空數據接收機工作正常，大修前一星期，探空數據接收機每天07、19時次同步觀測，以便清楚了解備用設備工作狀態。

4）按照《貴陽高空氣象探測應急預案》做好應急工作，站領導及業務骨干全程參與，保證大修工作順利進行，業務工作正常切換。

5）在各級媒體加強宣傳和新聞報道。

6）大修完成后，密切監視雷達工作狀態，及時分析探測資料質量，實事求是評估大修完成后L波段探空雷達質量效益及其改進措施。

經過改建的探空業務平臺寬敞明亮整潔舒適，為雷達機箱、驅動箱、檢定箱及計算機系統、GTC2探空數據接收機等預留了充足的空間；按照合理分工、各司其職配合做好大修雷達的拆收，替換雷達安裝、調試、標定，對比觀測等工作。

2011年8月，受中國氣象局委托貴州省氣象局監測網絡處等單位組成的安裝驗收測試組對貴陽GFE（L）1型二次測風雷達系統現場安裝、產品技術要求、系統性能穩定性、主要性能參數、技術指標、系統軟件功能等項目進行了現場檢查。形成《貴陽GFE（L）1型二次測風雷達安裝測試報告》。測試組一致認為貴陽L波段雷達探測系統各項技術指標符合《GFE（L）1型二次測風雷達產品驗收規范》中有關產品技術要求，運行性能穩定，雷達系統功能設置、控制和實時顯示等軟件符合有關業務要求。

2 貴陽GFE（L）1型雷達探測環境影響評估分析

高空氣象觀測數據的準確性不僅取決于精準的觀測方法，探測環境情況也十分重要。隨著我國經濟和城市建設的快速發展， 高空氣象觀測環境受到周邊工程建筑、臺站地理環境、同頻干擾等環境因素影響日益突出。

例如，貴陽站換型前59-701系統受400MHZ同頻干擾源影響，探測高度降低，嚴重影響溫壓溫風向風速氣象要素的準確性；障礙物在低仰角遠距離使探空儀信號衰減。又如，施放場地有高大的建筑物、林木等影響施放成功率。

因此，為保證高空氣象資料“三性”，客觀、定量地評價高空氣象站觀測環境狀況，對于了解觀測數據的來源，進行觀測數據的質量控制，實現全國高空氣象臺站觀測環境的實時跟蹤和動態管理，以加強對氣象臺站觀測環境的保護與管理都具有重要的意義[ 11 ]。

2.1 評估依據

2000年施行的《中華人民共和國氣象法》對氣象設施和氣象探測環境的保護作了原則規定。

2012年12月1日 起 的 實 施 的《氣象設施和氣象探測環境保護條例》（國務院第623號令）從國家層面首次以法律規范的形式對探測環境的保護提供依據。此后各省市地方政府依據條件出臺新標準和技術指標。

2007年中國氣象局氣象制定了《氣象臺站觀測環境綜合調查評估方法（試行）》，2013年中國氣象局修訂完善了《國家級地面氣象觀測站和高空氣象觀測站探測環境調查評估方法》[ 12 ]。

筆者2010年依據2007版《試行》規定主持了中國氣象局《貴陽高空氣象站環境評估報告書》的測繪和報告書編寫工作。

本文以《常規高空氣象觀測業務規范》，《氣象探測環境保護規范 高空氣象探測站》（GB 31222一2014）和最新版本《國家級地面氣象觀測站和高空氣象觀測站探測環境調查評估方法》對本站L波段雷達探測環境進行分析評估。

2.2 評估內容和方法

主要內容包括臺站基本情況、下墊面地貌概況、高空觀測環境評分。環境調查以GFE（L）1型雷達為中心，雷達障礙物角度用GYR1型電子式光學經緯儀以方位每間隔2°測量遮蔽障礙物。

經緯儀仰角測量范圍：0～90°，方位角測量范圍：0～360°，測量精度0.1°，測量誤差≤±0.1°。

2.3 評估結果分析

2.3.1臺站基本情況

表1列出了貴陽探空站遷站及探測方式的歷史變遷。從表中看出，歷經5次遷址，貴陽真正開始高空全氣象要素探測始于1955年10月20日。1967年12月1日遷站爛泥溝后，使用59-701高空探測方式，標志進入現代高空探測，這一基本方式終止于2002年12月31日，達45年。1990年1月遷至貴陽市指光洞后，2003年1月1日正式投入使用GTS1型L波段雷達探測系統。因本文論述主旨關系，在此只作簡單介紹。

2.3.2下墊面地貌概況

測站半徑100公里范圍內地貌上屬以山地、丘陵地貌為主的丘原盆地地區，平均海拔高度1250米。其中山地面積4217.97平方公里、丘陵面積2842.37平方公里，各占土地總面積的52.3%和35.2%；壩較少，僅911.98平方公里，占土地總面積的11. 3%；此外還有約1.2%的峽谷等地貌。耕地：占土地總面積的35.91%，園地：占土地總面積的0.70%，牧草地：占土地總面積的3.59%，水面：占土地總面積的1.89%，其中河流水面4421.27公頃、水庫水面9255.28公頃和坑塘水面1 570.42公頃，分別占水面的29.19%、60.51%和10.30%。

2.3.3臺站環境

貴陽探空站位于貴陽東山紫光洞山上（扶風東路92號），26°35′N， 106°44′E，水銀槽拔海高度1223.4米，探測系統天線拔海高度1226.0米。東西長約150米，南北寬約70米。山上有多普勒雷達站、貴陽基準站、貴陽市農網中心、貴陽市氣象科普園基地等單位。

貴陽市氣象局探空雷達處于地面基準站觀測場（地基抬高3m）中心區域草坪靠北邊緣。SSW方向的天氣雷達主樓及WNW方向約270米位置的貴陽電視發謝塔對探空氣球施放點的選擇有一定影響[ 13 ]，此外，周邊的生長茂盛的樹木對施放也有一定影響。測站距離貴陽龍洞堡機場8.6千米。

與周邊探空站位置及距離：重慶（N，330km），懷化（ENE，351km），桂林（ESE，394km），河池（SE，256km），百色（S，306km）昆明（WSW，427km），威寧（W，246km）宜賓（WN，309km）。

2.3.4施放環境影響分析

圖1為貴陽探空站雷達天線障礙物遮蔽圖。從圖示可以看出天線障礙物遮蔽仰角>5°和>2°情況，L波段雷達探測歷史（2003-2010年）各方位雷達最低工作仰角。

天線四周仰角>5°障礙物累計遮擋方位52°，方位占比14.4%，主要影響障得物有天氣雷達站建筑樓群及周圍林木，方位S～WSW，方位范圍累計24°，最高處多普勒天線圓球頂方位220°，仰角38.5°，偏西方向為貴陽電視發視塔方位范圍累計7°，塔頂最高處方位290°，仰角33.7°，位于觀測場距離L波段雷達約20米的自動氣象站風塔方位范圍累計6°，風塔響方位15°，最高仰角10.7°。

測站盛行風下風方向120°范圍內仰角>2°障礙物累計遮擋方位58°，主要為包括前述遮蔽建筑物及環繞觀測場邊緣的林木，集中在S～W及NE一帶，L波段雷達天線其余方位山脈丘陵較遠，仰角大都在3°以下，尤其在方位65～170°范圍內，仰角<2°，對施放和信號強弱影響很小。

雷達探測歷史（2003～2010）最低仰角曲線可以看出，方位（42～125°）之間，雷達最低工作仰角幾乎均<10°，大約90°±20°范圍，仰角<7°，記錄集中在冬季12月至次年2月之間，這是因為主要受地轉偏向力和冬季高空風強勁的西風帶共同作用，探空儀飛行距離遠，仰角低，信號逐漸衰減，實際探測時發現100hpa后飛點增多，影響探測數據質量。

方位（150～360～10°）之間，<15°雷達最低工作仰角<28°，平均>20°，夏半年受副熱帶高壓影響西風帶減弱，受偏南風影響，高空風相比較冬季迅速減小，探空儀飛升距離縮短，仰角較高，回波信號強，若雷達性能優良，維護保養良好，地面接收到的T、P，U信號飛點極少，探空信號質量高。

當風向以東南方為主，介于130～170°之間時，最低仰角達到25°以上。方位（10～42°）、方位（120～150°）之間，分別受高空SW、NW風影響時，最低仰角浙次行從約20°降至10°左右。高空風漸次向強西風帶過渡階段，探測信號將隨著探空儀斜距增大仰向偏低而減弱。

規范要求放球場半徑50m范圍內平坦空曠，雷達距SE方主放球區域40～47m，基本能滿足施放條件，當NE、偏E風較大時，由于近處建筑和林木，風壓使探空球平移或下墜被掛破（舉例），探空儀碰撞摔壞，造成重放。若風速>5m.s-1，采用 型放球器，增加施放成功率。

副放球區域距離較遠>70m，為偏S風施放場地，南北向空曠，夾在儲氫房、農網中心及地面高空觀測站之間，若SW>6m.s-1，使用長達33m的探空繩，需盡量移至最遠處，防止陣風將球刮碰至農網房頂上；此外，若因風大使用大風放球器，雷達仰角自動跟蹤超出下限（負仰角< 6°），放出易丟球，此時應將雷達方位對準探空儀，仰角抬升至0～2°附近，調整攝像頭最大范圍，天控處于手動狀態，施放后探空儀升至鏡頭中央附近，再切換自動即能施放成功。

2.3.5環境影響評分

高空探測環境采用百分制分8項（代碼G1～G8）各項按影響分值進行評估，表2列出了代碼定義和評分標準。根據調查統計共計得分74分，基本滿足雷達探測環境要求。

扣分26分，G1=-2.2，G2=-9.8，G3=-5，G4=-3，G6=-6。

G2、G3對探空儀施放有影響，2003～2010年，共發生6次施放失敗案例，4次較大東北風，東風時球被掛破，或探空儀被撞。2次發生在較大偏南風時，探空儀施放時撞壞重放。

G8為氫氣安全項，主要由于地面、探空業務樓離制氫室較近，農網中心（原省氣象計量檢定所）毗鄰，被扣5分。由于本站業務用氫采用購氫方式，只要嚴格執行運輸、儲存，使用氫氣相關規范，可以達到安全的要求。

G4為雷達探測歷史最低仰角與障礙物擬合曲線交叉次數，反映回波信號受減弱甚至失真，歷史統計時段為3次。

G5為設臺執照和頻率干擾項，由于取得了1675MHZ專用頻段并保證無同頻干擾源，使得影響探測精度的最重要因素電磁環境得以保障。

3 討論與結論

本文實例介紹了貴陽GFE（1）型二次探空雷達大修及技術要點。雷達維護的好壞，標定的準確度關系探空資料的真實性。中國局及省局業務主管部門要加強對基層探空站的技術指導。建議對技術薄弱探空站每年年檢時由廠家對臺站雷達實行一次全面檢查。

介紹了貴陽高空觀測站歷史變遷，遷站L波段臺站下墊面地貌、周邊環境、臺站環境。重點分析了雷達障礙物遮蔽情況及其對施放的影響。8項指標分總分74分。電磁環境優良，用氫安全有較好保障，2014年砍除東南方向高大林木，改善了施放環境。例如對臺站天氣雷達樓等建筑，采用結合風向特點、天氣狀況、施放方式（大風放球器、繩子）、初始跟蹤方式（手動，自動）和室內外密切配合綜合分析，即可最大限度避免和減少丟球。

與地面探測環境儀器的多樣性不同，高空探測以單一的二次雷達為最主要方式。因此采用以雷達安裝點天線中心周邊探測環境進行分析評估方式滿足世界氣象組織（WMO）對于評估要求的科學性。采用計分法可以直觀有效地大致反映高空氣象探測的環境影響狀況。但是就各個臺站而言，對探空資料質量的影響并不是均勻的。調查分析評估的目的是為了取得準確的探空資料，因此建立起探測環境與實際探測資料影響的關系評估系統，從大背景和小環境兩個角度對探測環境狀況和變化進行綜合分析評估更實用有效。

對高空探測環境調查與評估，對于確保全面了解氣象高空觀測環境現狀，積累觀測環境基本資料、建立高空站觀測環境動態管理檔案，觀測環境的實時跟蹤和動態管理，加強對高空臺站觀測環境的保護與管理。有利于今后建立科學的氣象觀測環境保護標準。

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作者簡介：

閔昌紅（1966-），男，貴州遵義人，本科，工程師，從事綜合氣象觀測工作。