基于SRTM地形數據天氣雷達地形遮擋分析系統開發及應用

周嘉健，徐黃飛，鄒慶彪，湯晶晶，劉艷中

(廣東省氣象探測數據中心，廣東 廣州510080)

1 引 言

多普勒天氣雷達(后簡稱為天氣雷達)是目前天氣過程觀測，如臺風、暴雨等中小尺度天氣過程的重要探測手段之一，其觀測數據對天氣預報業務起著關鍵的作用。

天氣雷達的工作原理主要是將電磁波以定向方式發射到空間中，根據空間內存在物體對電磁波的反射而獲得物體的方位、高度以及其速度[1]。而天氣雷達的探測能力不僅與雷達自身參數、發射功率、電磁波傳播路徑衰減和觀測目標物性質等有關，還會受到雷達所在位置四周山體地形遮擋影響[2]。因此合理的雷達選址能更大程度地發揮出雷達的探測能力。

目前對天氣雷達四周地形遮擋的分析是通過繪制遮蔽角圖和等射束高度圖進行分析，而天氣雷達四周遮蔽角和等射束高度的計算已有相關研究，韓丹等[3]給出雷達遮蔽角計算公式及分析結果，鄧志等[4]使用經緯儀和小比例地圖(五萬分之一比例以內)測取雷達站四周阻擋角，然后根據雷達測高公式計算等射束高度，梁釗揚等[5]利用GIS獲取肇慶雷達的遮擋數據，進行遮蔽角圖和等射束高度圖的繪制，并人工分析肇慶雷達站四周遮擋情況及其探測能力，謝紀民等[2]介紹雷達等射束高度圖并利用射束高度圖人工分析運城測雨雷達的探測能力。從已有的研究可見首先擬建雷達四周遮擋情況是通過人工分析，其次當多個站點進行選址時缺少多站點拼圖功能，最后遮擋分析僅考慮地形遮擋影響而缺乏建筑物遮擋影響。針對目前的不足，本文基于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺獲取的SRTM地形數據，利用Matlab工具搭建天氣雷達地形遮擋統計分析系統，對雷達選址中有兩個重要的參數(雷達遮蔽角和等射束高度)進行計算，并實現一鍵智能繪圖，獲取天氣雷達遮蔽圖、各方位遮蔽角柱狀圖、等射束高度圖及等射束高度拼圖等統計分析圖。同時該系統具備獲取地形遮擋分析功能和人工補償功能。地形遮擋分析功能是根據系統計算結果提供雷達探測凈空面積等參數供參考，人工補償功能是將人工現場遮蔽角觀測數據加入計算結果中來完善雷達建設選址。

為落實《粵港澳大灣區氣象發展規劃》，彌補廣東省S波段天氣雷達對局地中小尺度強對流天氣監測的不足，粵港澳大灣區將建設37部X波段相控陣雙線偏振天氣雷達組成的試驗網，因此本文先通過仿真試驗對系統功能進行測試，并從廣東省開展實例應用。

2 計算參量與數據選取

2.1 雷達遮蔽角

雷達遮蔽角是指以雷達天線中心點和該點所在水平面為基準，在其作用范圍內受障礙物遮蔽所形成的垂直張角，即雷達遮蔽角[3]。

考慮到標準大氣折射和等效地球半徑(8 500 km)[6]。雷達遮蔽角計算公式如下，

其中ha是雷達天線高度(距海平面)的垂直距離(m)，h是障礙物高度(m)，d是障礙物距離雷達的水平距離(m)。

2.2 等射束高度圖

按照中國氣象局制訂的《天氣雷達觀測暫行規定》要求，雷達建站時應繪制四周遮擋角分布圖(即雷達遮蔽角圖)。同時還需要繪制站點四周1 km、3 km和6 km高度的雷達最大探測距離范圍圖(即等射束高度圖)[7]。

等射束高度圖是根據雷達站四周地形、地物等的阻擋作用，在標準大氣折射條件假設下，各個方向上波束中心軸線能夠到達某一規定高度的最大距離的連線圖[4]。與雷達遮蔽角圖相比，等射束高度圖能更直接地反映測站四周地物阻擋對雷達探測能力的影響。

因此，我們根據雷達的測高公式[6]計算能夠到達某一規定高度的最大距離，公式如下，

式中hb為天線高度(km)，α為遮蔽角(°)，H為觀測高度(km)。根據遮蔽角α，分別設置H為1 km、3 km和6 km，分別計算雷達最大觀測距離。我們在計算1 km高度的最大探測距離時可不用考慮雷達天線高度[8]。

本文在制作等射束高度圖時考慮了不同波段雷達的實際探測距離不同，如X波段雷達探測有效距離為75～100 km，而目前我國業務布網的C和S波段雷達探測有效距離為150～460 km。在計算1 km、3 km和6 km高度目標物分別對應的最大探測距離約達130 km、200 km和300 km。當我們對X波段雷達進行建設選址時，考慮1 km高度目標物的探測距離就可以了，而對C、S波段雷達選址時，我們則需要把1 km、3 km、6 km高度目標物的探測距離都考慮在內。目前國內在雷達探測數據的應用方面已取得不少研究成果[9-10]。

2.3 地形數據選取

本文中利用的地形數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)，其數據距離分辨率是90 m，高度分辨率為1 m。

3 系統開發與仿真試驗

3.1 技術路線

本文系統建立的主要技術路線流程如圖1所示，我們在輸入雷達站名、雷達經緯度信息、雷達建設的高度信息和雷達的探測距離后，通過該系統可繪制出天氣雷達遮蔽圖、各方位遮蔽角柱狀圖、等射束高度圖及等射束高度拼圖，從而提高雷達選址的工作效率。同時，該系統具備智能分析雷達具體遮擋情況，提供分析報告，為雷達建站選址提供參考；還具備人工補償功能可加入人工現場觀測數據來完善雷達建設選址。

圖1 技術路線流程圖

3.2 系統仿真試驗

本節通過仿真試驗，對系統功能進行測試。我們隨機設定兩個擬建雷達站點信息(表1)，根據表1中設定的擬建站點信息輸入到繪圖界面中參數輸入欄中，在保存參數后，進行繪圖，結果如圖2所示。

圖2 智能繪圖站點1(a)、站點2(b)系統示意圖

表1 擬建站點信息表

從圖2a可見，圖中左側顯示的是遮蔽角圖和等射束圖，右側顯示的是站點位置信息和該站點所在探測范圍內的地形圖。從圖2a中的藍色框①所示，對于站點1，我們可進入圖片導出界面，在該界面中，我們除了能獲取到遮蔽角圖以外，還制作了遮蔽角柱狀統計圖，并提高方位分辨率為0.1°，能獲取0.1°方位分辨率的遮蔽角圖和遮蔽角柱狀統計圖(圖3)。

圖3 站點1遮蔽角圖(a、c)與各方位遮蔽角柱狀圖(b、d)統計圖

圖4a和4b分別是方位分辨率在1.0°和0.1°的條件下1-3-6 km三高度的等射束圖。因為不同波段雷達的探測距離有所不同(S、C波段雷達有效探測距離為150～460 km，X波段雷達有效探測距離為75～100 km)，我們對等射束高度圖進行“細化”，增加了單獨1 km、3 km、6 km高度的等射束高度圖，滿足不同波段雷達的需求。對于站點2也一樣，這里就不再重復介紹。

圖4 1.0°的方位分辨率下(a)、0.1°的方位分辨率下(b)站點1在1-3-6 km三高度下等射束高度圖

根據假設兩個擬建站點信息，我們將展示等射束拼圖功能，拼圖界面如圖5所示，在拼圖界面中，我們可實現將已繪制過的擬建雷達站點按照雷達選址的需求選取不同類型的拼圖，一般而言會選取1 km或3 km高度等射束高度。圖5中顯示的是站點1與站點2的1 km高度等射束高度拼圖。

圖5 站點1與站點2的1 km高度等射束高度拼圖界面

由于目前使用的SRTM地形數據僅考慮地形對擬建雷達站點四周遮擋的影響。為使雷達選址更合理，還需要考慮建設站點四周建筑物的影響。因此系統中設計了人工補償功能，可自行添加人工觀測數據，其界面如圖6所示，將人工觀測的方位和遮蔽角大小輸入當中則能使雷達選址不僅考慮了地形還考慮建筑物的影響，提高雷達選址的合理性。

圖6 人工觀測數據補償功能界面

該系統還提供統計分析結果(圖7)，分析結果中會對遮擋角大于0.5°、1.0°和1.5°的方位進行統計，并計算出不同高度(1 km、3 km和6 km)下探測凈空面積和凈空面積占總面積的比值。凈空面積越大或凈空面積占總面積的比值越大，證明雷達在該環境下的探測遮擋少，適合建站。

圖7 站點探測環境凈空客觀分析界面

3.3 小 結

通過仿真試驗對系統各功能均進行測試，可實現通過輸入擬建站點基本信息后一鍵繪制各類統計圖。同時我們對系統計算的時效進行初步統計，系統計算的時效與雷達探測距離成正比關系，

初步統計結果是計算X波段雷達(探測距離75 km)需要時間1分鐘以內，計算C或S波段雷達(200 km)在2分鐘以內，計算400 km的探測距離在5分鐘以內，提高了雷達四周地形遮擋的分析效率。

4 實例分析

根據《廣東省氣象局關于印發粵港澳大灣區精準預警X波段相控陣天氣雷達試驗網建設方案的通知》(粵氣函(2019)44號)，為服務粵港澳大灣區建設，落實《粵港澳大灣區氣象發展規劃》，彌補廣東省S波段天氣雷達對局地中小尺度強對流天氣監測的不足，決定在粵港澳大灣區建設37部X波段相控陣雙線偏振天氣雷達組成的試驗網。本節選取的3個擬建雷達站點所屬大灣區內，由于當中涉及擬建雷達真實的地理位置，因此本文僅給出各站建站大致高度和分析結果，而實際的雷達地理信息參數需要保密，所以文章中僅給出高度信息。

本節選取的3個擬建雷達站點分別命名為“擬建站點1”、“擬建站點2”和“擬建站點3”，對應的建站高度分別約為780 m、520 m和50 m，雷達探測距離為75 km。三個站點的遮蔽角圖和等射束高度圖如圖8所示。

結合圖8和表2，三個擬建站點的1 km高度最大探測距離均為130.38 km。三個站點的方位分辨率均為1.0°。我們根據遮蔽角大于0.5°、1.0°和1.5°進行統計分析，并給出1 km高度探測凈空情況。

表2 擬建站點的統計分析結果表

(1)擬建站點1探測環境凈空條件客觀分析結果：該站點四周高于0.5°遮擋角共有2個方位，即高于0.5°的阻擋面占比為0.56%。站點四周無高于1.0°和1.5°阻擋角。在站點最大探測距離半徑范圍內，1 km高度探測凈空面積達到52 605.54 km2，凈空占總面積為98.50%；阻擋面積為801.54 km2，阻擋比例為1.51%。

圖8天氣雷達擬建站點遮蔽角圖(a、c、e)和等射束高度圖(b、d、f) a、b.擬建站點1；c、d.擬建站點2；e、f.擬建站點3。

(2)擬建站點2探測環境凈空條件客觀分析結果：該站四周高于0.5°阻擋角一共有3個方位，即高于0.5°的阻擋面占比0.83%。站點四周無高于1.0°和1.5°阻擋角。該站在方位從31～33°的區段，共有3°范圍存在擋角高于0.5°的連排山體阻擋。站點四周不存在高于1.0°和1.5°連排山體阻擋。在最大探測距離半徑范圍內1 km高度探測凈空面積達到52 359.53 km2，凈空占總面積為98.04%，阻擋面積為1 047.54 km2，阻擋比例為1.96%。

(3)擬建站點3探測環境凈空條件客觀分析結果：站點四周高于0.5°阻擋角一共有122個方位，即高于0.5°的阻擋面占比33.89%；而高于1.0°阻擋角一共有55個點，即高于1.0°的阻擋面占比15.28%；而高于1.5°阻擋角一共有27個點，即高于1.5°的阻擋面占比7.5%。

該站點方位在擋角高于0.5°、1.0°和1.5°均存在多處連排山體阻擋(表3)，本站四周方向存在高于0.5°阻擋的連排(連續多于10°方位角)區域有5個，在高于1.0°阻擋的連排(連續多于7°方位角)區域有2個，高于1.5°阻擋的連排(連續多于5°方位角)區域有1個。

表3 擋角高于0.5°、1.0°和1.5°各方位連排山體阻擋記錄表

在最大探測距離半徑范圍內，1 km高度探測凈空面積達到27 713.17 km2，凈空占總面積的51.89%，阻擋面積為25 693.91 km2，阻擋比例為48.11%。

我們還將給出三個擬建站點的1 km等射束高度拼圖(圖9)，圖9中①、②和③處的紅色星星符號依次表示三個站點的擬建站位置。可見三個站點相鄰，但由于擬建站高度不同而導致四周遮擋情況不同，從而使1 km高度的最大探測距離有所差異，所以建站的高度對遮擋的影響是十分顯著的，是建站選址的重要參數之一。

圖9三個擬建站點1 km高度等射束高度拼圖

整體而言，擬建站點1和2的選址較優，四周幾乎無遮擋，僅1～2處方位存在0.5°左右的遮擋，而且降水主要來源于南面和西南面，而這兩個站點在南面和西南面幾乎沒有遮擋。但擬建站點3由于建站高度較低，其四周遮擋嚴重，而且西南面遮擋較多。雖然抬高雷達高度(即建設較高的塔安裝雷達)可一定程度減少遮擋，但考慮到建設成本和建設難度，該站點選址不合適。

5 結 論

本文基于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺獲取的SRTM地形數據，利用MATLAB搭建天氣雷達地形遮擋統計分析系統，實現對雷達遮蔽圖、各方位遮蔽角柱狀圖、等射束高度圖及等射束高度拼圖等一鍵智能繪圖并能實現智能分析提供分析建議供參考，提高了對擬建雷達站點四周遮擋情況分析的工作效率。

本文首先通過仿真試驗對搭建的平臺的功能進行測試，然后選取廣東省內三個擬建雷達站點進行分析，結果為擬建站點1和2的選址較優，四周幾乎無遮擋，僅1～2處方位存在0.5°左右的遮擋，而且降水主要來源于南面和西南面，而這兩個站點在南面和西南面幾乎沒有遮擋；擬建站點3由于建站高度較低，其四周遮擋嚴重，而且西南面遮擋較多。雖然可通過增加雷達塔高達到減少遮擋，但考慮到建設成本和建設難度，該站點選址不合適。

目前由于缺少現場人工觀測數據，在實例應用中人工補償功能暫時未能體現，后續在獲取人工觀測數據后則可進一步優化和提高雷達選址的合理性。