X波段多普勒天氣雷達選址技術應用研究

陳 星，李 力，陳新桃，饒傳新

（1.宜昌市氣象局，湖北宜昌 443000；2.湖北省氣象信息與技術保障中心，湖北武漢 430074；3.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002）

0 引言

天氣雷達是監測、預警突發災害性天氣的有效工具，能夠顯著提升預報、預警水平。從全國范圍看，我國現階段雖然基本覆蓋新一代天氣雷達［1］，但由于地理環境差異，仍有許多地區存在盲區。此外，隨著城市化不斷發展，某些站點的探測環境會形成一些新的遮擋和盲區，也在一定程度上影響了雷達監測能力。然而，X 波段多普勒天氣雷達系統建成后，將有效彌補新一代天氣雷達監測的空白和縫隙［2-3］。

現階段，X 波段多普勒天氣雷達選址均參考S 波段天氣雷達方法。例如，鄧志等［4-5］使用經緯儀和小比例地圖測得雷達站周圍的阻擋角，然后根據雷達測高公式計算等射束高度遮擋情況及探測能力，但該方法效率較低且人工測量誤差較大。周嘉健等［6］基于SRTM 地形數據開發天氣雷達地形遮擋分析系統，但在精細化處理地理信息等方面存在不足。以上研究表明，X 波段多普勒天氣雷達的選址技術尚不成熟［7-8］，存在地理信息數據獲取困難，數據易于缺失的情況。

為了解決以上問題，本文結合地理空間數據云平臺（Geospatial Data Cloud，GSCloud）和圖新地球（LocaSpace Viewer，LSV）軟件，提出一種精細化X 波段多普勒天氣雷達選址方法［9-10］。首先利用LSV 軟件進行站址初選，在實地勘探確定擬選站點后，通過LSV 軟件制作站點緩沖區，并在GSCloud 平臺上下載包含緩沖區外接正方形區域的地理數據；然后通過LSV 軟件對地理數據進行處理；最后根據地理信息數據，繪制雷達遮擋角分布圖及等射束高度圖［11-13］。實踐結果表明，本文所提出的方法操作簡單、魯棒性強，可用性高，能夠輔助X 波段多普勒天氣雷達進行選址。

1 選址基本要求

新建X 波段多普勒天氣雷達應滿足氣象監測、預警的服務需求，盡可能在天氣系統主要來向和重要服務區域選址，以便于統籌布局周邊地區天氣雷達，彌補雷達低空探測盲區，實現組網協同觀測。

1.1 組網協同觀測

X 波段多普勒天氣雷達站址與相鄰雷達站址之間的距離應滿足雷達探測能力和組網協同觀測要求，即50～75km 間。在災害性天氣頻繁發生、城市重點服務地區，可減少至30km 以內。

1.2 工作區內的較高點

雷達選址時，通常會選擇工作范圍中心位置海拔較高的地點。雖然，可通過增高雷達站或建設鐵塔來提高雷達的探測范圍，但此方法成本較高，因此選取選擇海拔較高的地點建設雷達，才是減少雷達探測“盲區”的最佳手段。

1.3 配套設施

選址時應充分考慮供電、通信、道路、地質、水文、雷電等條件是否符合站點建設及維護要求。然而，在實際選址時制高點常常處于高山之上，交通不便，并未具備水、電等條件，因此對前期建設及后期維護工作造成困難。

1.4 電磁環境及其它因素

選擇雷達站址是一項系統性工程，不但要滿足凈空環境的基本要求，還需綜合考慮電磁環境、環境保護、投資概算等因素。

具體的，X 波段雷達應保證在雷達中心頻率±25MHz范圍內無干擾；候選站址應與周邊高壓輸電線路、高壓變電站和電氣化鐵路等電磁干擾源保持安全距離；應盡量避開敏感區域。

2 GSCloud與LSV

2.1 GSCloud

GSCloud 是國際先進、國內最具影響力的地學大數據平臺，匯聚數十顆國際遙感衛星數據和國內資源、高分系列陸地觀測衛星數據，可免費下載多類型數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數 據。例 如，SRTMDEMUTM 90M 分辨率數字高程數據、GDEMV3 30M 分辨率數字高程數據、ASTER GDEM 30M 分辨率數字高程數據等。

2.2 LSV

LSV 是一款專業的三維數字地球軟件，具有超大規模地圖數據承載、強大的數據管理與編輯、地形高級分析與數據轉換處理等能力，在三維GIS 領域為雷達選址提供強大的技術支撐。

在實際選址過程中，首先利用LSV 軟件的地圖高級分析功能初選雷達站址；然后對GSCloud 平臺地理信息數據進行數據轉換，為X 波段多普勒天氣雷達選址提供數據支撐；最后，結合實際勘探情況確定選址地點。

3 精細化選址

3.1 初選與建立緩沖區

雷達站址初選時，首先根據周邊新一代天氣雷達探測盲區與相鄰X 波段多普勒天氣雷達站的協同觀測需求；然后在LSV 軟件上確定粗選范圍，并在此范圍內繪制等高線以粗略定位海拔較高點；最后經過實地勘探、比較以確定擬選站點。

在LSV 軟件中根據雷達站的經度、緯度和拔海高度對擬選站址進行定位，并以該地點為中心，建立緩沖區。由于雷達型號不同，緩沖區寬度數值會存在差異。例如，X波段多普勒天氣雷達的有效探測距離范圍為75～100km，圓弧每個分段角度設置為0.5°，因此緩沖區為一個半徑為100km 的圓形，如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of buffer zone圖1 緩沖區示意圖

3.2 數據采集

在GSCloud 平臺上，數據集選擇“ASTER GDEM 30M分辨率數字高程數據”，空間位置選擇“經緯度”“行政區”“地圖選擇”“矢量文件”“條帶號”等方式。考慮到數據處理效率和擬選站通常跨越多個行政區的情況，本文選擇經緯度方法進行實驗。

通過查閱緩沖區屬性樣式獲取外接邊界信息，并在GSCloud 平臺上輸入邊界數據對應的經度、緯度以獲取緩沖區的外接正方形邊界，如圖2所示。

Fig.2 Schematic diagram of buffer zone圖2 緩沖區示意圖

由圖2 可見，緩沖區外接正方形區域包含多省數據，下載的6 條數據均大于緩沖區內的數據。由于后續要在LSV 軟件中對6 塊地形圖進行地形拼接、高程數據提取等操作，并且便于提取緩沖區內的高程數據，本文將下載的6條地物信存儲為.lrp文件。

3.3 數據提取與格式轉換

在LSV 軟件選擇“測量—提取高程點”，選中已繪制的緩沖區，繪制范圍選擇“選擇面”，模式為“基于圖層數據精確提取”，提取來源為“宋家山ASTER GDEM 30M 離線地形包”，“采樣間距”根據精細化程度自行設置，導出擬選址坐標系的“經緯度”。圖3 為地理信息數據提取界面，經度和緯度精度到小數點后一位。

LSV 軟件導出的高程數據為CSV 格式，為了便于后續對數據進行處理，會先將其轉換為.txt格式。

Fig.3 Geographic information data extraction method圖3 地理信息數據提取方法

當數據量過大時，Excel 軟件處理數據會導致部分數據丟失，現階段一般采用MATLAB 軟件或將Notepad 與Excel 軟件相結合對數據進行處理。但由于Notepad 軟件處理.txt 文件時未設置行數限制，因此需要先將CSV 文件進行分段保存，再將分段后的CSV 文件利用Excel 進行格式處理，最后將處理完成的分段數據整合至.txt文件中。

3.4 障礙物仰角

通過經緯儀、測距儀分別測量周圍建筑障礙物的遮擋仰角與距離，從正北方向開始，順時針方向間隔1°采集一次數據。然而，經緯儀測量的數據需要先根據式（1）將海拔高度校正到與天線饋源同一高度。

其中，δ1為校正后的遮擋仰角，R為地物到站址的距離，δ0為實測的遮擋仰角，Δh為擬建雷達天線饋源與測量位置的高度差。

3.5 遮擋角分布圖及等射束高度圖

以擬選站址為中心繪制遮擋角圖，并分別以20km、40km、60km、80km 半徑，繪制距擬建雷達源1km、3km 海拔高度的等射束高度圖。

4 實驗結果與分析

湖北省陽新縣距武漢雷達直線距離約100km，境內山脈多，地形遮擋造成雷達站在陽新縣境內存在監測盲區，無法實時準確監測暴雨、強對流等災害性氣候，故考慮在陽新縣增設一部X波段雙偏振多普勒天氣雷達。

通過LSV 軟件初步選址地點為宋家山（經度115°15′56″，緯度29°45′56″，海拔高度459m）。為此，本文利用精細化選址方法，結合GSCloud 平臺及LSV 軟件制作宋家山100km 內的地理數據，并輸入至選址工具“客觀選址軟件”中進行數據處理。以宋家山為中心，繪制雷達遮擋角分布圖及等射束高度圖如圖4所示。

由圖4 可見，宋家山存在5 處遮擋仰角略大于1°的位置，大多集中在南面。

Fig.4 Radar occlusion angle distribution map and iso-beam height map圖4 雷達遮擋角分布圖及等射束高度圖

具體的，宋家山南部集中在方位角140～190°區域的探測能力稍弱，遮擋最嚴重的方位其1km 高度的主體探測距離為38km；北部方位角314°、335°、44°處存在3 處遮擋，遮擋最嚴重的方位其1km 高度的主體探測距離為51km；宋家山擬選站海拔3km 高度主體探測距離最小為82km。綜上所述，宋家山整體較為適合建設X 波段多普勒天氣雷達。

5 結語

X 波段多普勒天氣雷達站址是一項系統性工程，需要統籌考慮基礎條件、凈空環境、建設成本等多方面因素。本文利用GSCloud 平臺和LSV 軟件提出一種精細化X 波段多普勒天氣雷達選址方法。

首先利用LSV 軟件完成站址初選并確定雷達工作區；然后基于GSCloud 平臺采集ASTER GDEM 30M 分辨率數字高程數據，并結合LSV 軟件制作與雷達工作區對應的精細地理信息數據；最后根據實際勘探結果確定選址地點。此外，在繪制雷達擬選站的遮蔽角圖和等射束高度圖時，基于GSCloud 平臺和LSV 軟件的X 波段多普勒天氣雷達選址技術顯著提升了數據采集的準確率和效率。

實驗表明，該方法簡單、準確、可操作性強、魯棒性高，能夠較好地輔助工程技術人員對X 波段多普勒天氣雷達進行選址，并能夠在最大程度上發揮X 波段多普勒天氣雷達的探測能力。