基于SRTM地形數(shù)據(jù)天氣雷達(dá)地形遮擋分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

周嘉健，徐黃飛，鄒慶彪，湯晶晶，劉艷中

(廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東 廣州510080)

1 引 言

多普勒天氣雷達(dá)(后簡(jiǎn)稱為天氣雷達(dá))是目前天氣過(guò)程觀測(cè)，如臺(tái)風(fēng)、暴雨等中小尺度天氣過(guò)程的重要探測(cè)手段之一，其觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)起著關(guān)鍵的作用。

天氣雷達(dá)的工作原理主要是將電磁波以定向方式發(fā)射到空間中，根據(jù)空間內(nèi)存在物體對(duì)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(dá)的探測(cè)能力不僅與雷達(dá)自身參數(shù)、發(fā)射功率、電磁波傳播路徑衰減和觀測(cè)目標(biāo)物性質(zhì)等有關(guān)，還會(huì)受到雷達(dá)所在位置四周山體地形遮擋影響[2]。因此合理的雷達(dá)選址能更大程度地發(fā)揮出雷達(dá)的探測(cè)能力。

目前對(duì)天氣雷達(dá)四周地形遮擋的分析是通過(guò)繪制遮蔽角圖和等射束高度圖進(jìn)行分析，而天氣雷達(dá)四周遮蔽角和等射束高度的計(jì)算已有相關(guān)研究，韓丹等[3]給出雷達(dá)遮蔽角計(jì)算公式及分析結(jié)果，鄧志等[4]使用經(jīng)緯儀和小比例地圖(五萬(wàn)分之一比例以內(nèi))測(cè)取雷達(dá)站四周阻擋角，然后根據(jù)雷達(dá)測(cè)高公式計(jì)算等射束高度，梁釗揚(yáng)等[5]利用GIS獲取肇慶雷達(dá)的遮擋數(shù)據(jù)，進(jìn)行遮蔽角圖和等射束高度圖的繪制，并人工分析肇慶雷達(dá)站四周遮擋情況及其探測(cè)能力，謝紀(jì)民等[2]介紹雷達(dá)等射束高度圖并利用射束高度圖人工分析運(yùn)城測(cè)雨雷達(dá)的探測(cè)能力。從已有的研究可見(jiàn)首先擬建雷達(dá)四周遮擋情況是通過(guò)人工分析，其次當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行選址時(shí)缺少多站點(diǎn)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(duì)目前的不足，本文基于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲取的SRTM地形數(shù)據(jù)，利用Matlab工具搭建天氣雷達(dá)地形遮擋統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)，對(duì)雷達(dá)選址中有兩個(gè)重要的參數(shù)(雷達(dá)遮蔽角和等射束高度)進(jìn)行計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)一鍵智能繪圖，獲取天氣雷達(dá)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(tǒng)計(jì)分析圖。同時(shí)該系統(tǒng)具備獲取地形遮擋分析功能和人工補(bǔ)償功能。地形遮擋分析功能是根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果提供雷達(dá)探測(cè)凈空面積等參數(shù)供參考，人工補(bǔ)償功能是將人工現(xiàn)場(chǎng)遮蔽角觀測(cè)數(shù)據(jù)加入計(jì)算結(jié)果中來(lái)完善雷達(dá)建設(shè)選址。

為落實(shí)《粵港澳大灣區(qū)氣象發(fā)展規(guī)劃》，彌補(bǔ)廣東省S波段天氣雷達(dá)對(duì)局地中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)的不足，粵港澳大灣區(qū)將建設(shè)37部X波段相控陣雙線偏振天氣雷達(dá)組成的試驗(yàn)網(wǎng)，因此本文先通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試，并從廣東省開(kāi)展實(shí)例應(yīng)用。

2 計(jì)算參量與數(shù)據(jù)選取

2.1 雷達(dá)遮蔽角

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

考慮到標(biāo)準(zhǔn)大氣折射和等效地球半徑(8 500 km)[6]。雷達(dá)遮蔽角計(jì)算公式如下，

其中ha是雷達(dá)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(dá)的水平距離(m)。

2.2 等射束高度圖

按照中國(guó)氣象局制訂的《天氣雷達(dá)觀測(cè)暫行規(guī)定》要求，雷達(dá)建站時(shí)應(yīng)繪制四周遮擋角分布圖(即雷達(dá)遮蔽角圖)。同時(shí)還需要繪制站點(diǎn)四周1 km、3 km和6 km高度的雷達(dá)最大探測(cè)距離范圍圖(即等射束高度圖)[7]。

等射束高度圖是根據(jù)雷達(dá)站四周地形、地物等的阻擋作用，在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射條件假設(shè)下，各個(gè)方向上波束中心軸線能夠到達(dá)某一規(guī)定高度的最大距離的連線圖[4]。與雷達(dá)遮蔽角圖相比，等射束高度圖能更直接地反映測(cè)站四周地物阻擋對(duì)雷達(dá)探測(cè)能力的影響。

因此，我們根據(jù)雷達(dá)的測(cè)高公式[6]計(jì)算能夠到達(dá)某一規(guī)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(cè)高度(km)。根據(jù)遮蔽角α，分別設(shè)置H為1 km、3 km和6 km，分別計(jì)算雷達(dá)最大觀測(cè)距離。我們?cè)谟?jì)算1 km高度的最大探測(cè)距離時(shí)可不用考慮雷達(dá)天線高度[8]。

本文在制作等射束高度圖時(shí)考慮了不同波段雷達(dá)的實(shí)際探測(cè)距離不同，如X波段雷達(dá)探測(cè)有效距離為75～100 km，而目前我國(guó)業(yè)務(wù)布網(wǎng)的C和S波段雷達(dá)探測(cè)有效距離為150～460 km。在計(jì)算1 km、3 km和6 km高度目標(biāo)物分別對(duì)應(yīng)的最大探測(cè)距離約達(dá)130 km、200 km和300 km。當(dāng)我們對(duì)X波段雷達(dá)進(jìn)行建設(shè)選址時(shí)，考慮1 km高度目標(biāo)物的探測(cè)距離就可以了，而對(duì)C、S波段雷達(dá)選址時(shí)，我們則需要把1 km、3 km、6 km高度目標(biāo)物的探測(cè)距離都考慮在內(nèi)。目前國(guó)內(nèi)在雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用方面已取得不少研究成果[9-10]。

2.3 地形數(shù)據(jù)選取

本文中利用的地形數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)，其數(shù)據(jù)距離分辨率是90 m，高度分辨率為1 m。

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與仿真試驗(yàn)

3.1 技術(shù)路線

本文系統(tǒng)建立的主要技術(shù)路線流程如圖1所示，我們?cè)谳斎肜走_(dá)站名、雷達(dá)經(jīng)緯度信息、雷達(dá)建設(shè)的高度信息和雷達(dá)的探測(cè)距離后，通過(guò)該系統(tǒng)可繪制出天氣雷達(dá)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(dá)選址的工作效率。同時(shí)，該系統(tǒng)具備智能分析雷達(dá)具體遮擋情況，提供分析報(bào)告，為雷達(dá)建站選址提供參考；還具備人工補(bǔ)償功能可加入人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)完善雷達(dá)建設(shè)選址。

圖1 技術(shù)路線流程圖

3.2 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

本節(jié)通過(guò)仿真試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試。我們隨機(jī)設(shè)定兩個(gè)擬建雷達(dá)站點(diǎn)信息(表1)，根據(jù)表1中設(shè)定的擬建站點(diǎn)信息輸入到繪圖界面中參數(shù)輸入欄中，在保存參數(shù)后，進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 智能繪圖站點(diǎn)1(a)、站點(diǎn)2(b)系統(tǒng)示意圖

表1 擬建站點(diǎn)信息表

從圖2a可見(jiàn)，圖中左側(cè)顯示的是遮蔽角圖和等射束圖，右側(cè)顯示的是站點(diǎn)位置信息和該站點(diǎn)所在探測(cè)范圍內(nèi)的地形圖。從圖2a中的藍(lán)色框①所示，對(duì)于站點(diǎn)1，我們可進(jìn)入圖片導(dǎo)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(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)圖(圖3)。

圖3 站點(diǎn)1遮蔽角圖(a、c)與各方位遮蔽角柱狀圖(b、d)統(tǒng)計(jì)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?yàn)椴煌ǘ卫走_(dá)的探測(cè)距離有所不同(S、C波段雷達(dá)有效探測(cè)距離為150～460 km，X波段雷達(dá)有效探測(cè)距離為75～100 km)，我們對(duì)等射束高度圖進(jìn)行“細(xì)化”，增加了單獨(dú)1 km、3 km、6 km高度的等射束高度圖，滿足不同波段雷達(dá)的需求。對(duì)于站點(diǎn)2也一樣，這里就不再重復(fù)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(diǎn)1在1-3-6 km三高度下等射束高度圖

根據(jù)假設(shè)兩個(gè)擬建站點(diǎn)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(shí)現(xiàn)將已繪制過(guò)的擬建雷達(dá)站點(diǎn)按照雷達(dá)選址的需求選取不同類型的拼圖，一般而言會(huì)選取1 km或3 km高度等射束高度。圖5中顯示的是站點(diǎn)1與站點(diǎn)2的1 km高度等射束高度拼圖。

圖5 站點(diǎn)1與站點(diǎn)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(shù)據(jù)僅考慮地形對(duì)擬建雷達(dá)站點(diǎn)四周遮擋的影響。為使雷達(dá)選址更合理，還需要考慮建設(shè)站點(diǎn)四周建筑物的影響。因此系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了人工補(bǔ)償功能，可自行添加人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，其界面如圖6所示，將人工觀測(cè)的方位和遮蔽角大小輸入當(dāng)中則能使雷達(dá)選址不僅考慮了地形還考慮建筑物的影響，提高雷達(dá)選址的合理性。

圖6 人工觀測(cè)數(shù)據(jù)補(bǔ)償功能界面

該系統(tǒng)還提供統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(圖7)，分析結(jié)果中會(huì)對(duì)遮擋角大于0.5°、1.0°和1.5°的方位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出不同高度(1 km、3 km和6 km)下探測(cè)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(dá)在該環(huán)境下的探測(cè)遮擋少，適合建站。

圖7 站點(diǎn)探測(cè)環(huán)境凈空客觀分析界面

3.3 小 結(jié)

通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)各功能均進(jìn)行測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)輸入擬建站點(diǎn)基本信息后一鍵繪制各類統(tǒng)計(jì)圖。同時(shí)我們對(duì)系統(tǒng)計(jì)算的時(shí)效進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)計(jì)算的時(shí)效與雷達(dá)探測(cè)距離成正比關(guān)系，

初步統(tǒng)計(jì)結(jié)果是計(jì)算X波段雷達(dá)(探測(cè)距離75 km)需要時(shí)間1分鐘以內(nèi)，計(jì)算C或S波段雷達(dá)(200 km)在2分鐘以內(nèi)，計(jì)算400 km的探測(cè)距離在5分鐘以內(nèi)，提高了雷達(dá)四周地形遮擋的分析效率。

4 實(shí)例分析

根據(jù)《廣東省氣象局關(guān)于印發(fā)粵港澳大灣區(qū)精準(zhǔn)預(yù)警X波段相控陣天氣雷達(dá)試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)方案的通知》(粵氣函(2019)44號(hào))，為服務(wù)粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，落實(shí)《粵港澳大灣區(qū)氣象發(fā)展規(guī)劃》，彌補(bǔ)廣東省S波段天氣雷達(dá)對(duì)局地中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)的不足，決定在粵港澳大灣區(qū)建設(shè)37部X波段相控陣雙線偏振天氣雷達(dá)組成的試驗(yàn)網(wǎng)。本節(jié)選取的3個(gè)擬建雷達(dá)站點(diǎn)所屬大灣區(qū)內(nèi)，由于當(dāng)中涉及擬建雷達(dá)真實(shí)的地理位置，因此本文僅給出各站建站大致高度和分析結(jié)果，而實(shí)際的雷達(dá)地理信息參數(shù)需要保密，所以文章中僅給出高度信息。

本節(jié)選取的3個(gè)擬建雷達(dá)站點(diǎn)分別命名為“擬建站點(diǎn)1”、“擬建站點(diǎn)2”和“擬建站點(diǎn)3”，對(duì)應(yīng)的建站高度分別約為780 m、520 m和50 m，雷達(dá)探測(cè)距離為75 km。三個(gè)站點(diǎn)的遮蔽角圖和等射束高度圖如圖8所示。

結(jié)合圖8和表2，三個(gè)擬建站點(diǎn)的1 km高度最大探測(cè)距離均為130.38 km。三個(gè)站點(diǎn)的方位分辨率均為1.0°。我們根據(jù)遮蔽角大于0.5°、1.0°和1.5°進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并給出1 km高度探測(cè)凈空情況。

表2 擬建站點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表

(1)擬建站點(diǎn)1探測(cè)環(huán)境凈空條件客觀分析結(jié)果：該站點(diǎn)四周高于0.5°遮擋角共有2個(gè)方位，即高于0.5°的阻擋面占比為0.56%。站點(diǎn)四周無(wú)高于1.0°和1.5°阻擋角。在站點(diǎn)最大探測(cè)距離半徑范圍內(nèi)，1 km高度探測(cè)凈空面積達(dá)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(dá)擬建站點(diǎn)遮蔽角圖(a、c、e)和等射束高度圖(b、d、f) a、b.擬建站點(diǎn)1；c、d.擬建站點(diǎn)2；e、f.擬建站點(diǎn)3。

(2)擬建站點(diǎn)2探測(cè)環(huán)境凈空條件客觀分析結(jié)果：該站四周高于0.5°阻擋角一共有3個(gè)方位，即高于0.5°的阻擋面占比0.83%。站點(diǎn)四周無(wú)高于1.0°和1.5°阻擋角。該站在方位從31～33°的區(qū)段，共有3°范圍存在擋角高于0.5°的連排山體阻擋。站點(diǎn)四周不存在高于1.0°和1.5°連排山體阻擋。在最大探測(cè)距離半徑范圍內(nèi)1 km高度探測(cè)凈空面積達(dá)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(diǎn)3探測(cè)環(huán)境凈空條件客觀分析結(jié)果：站點(diǎn)四周高于0.5°阻擋角一共有122個(gè)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(gè)點(diǎn)，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(gè)點(diǎn)，即高于1.5°的阻擋面占比7.5%。

該站點(diǎn)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(xù)多于10°方位角)區(qū)域有5個(gè)，在高于1.0°阻擋的連排(連續(xù)多于7°方位角)區(qū)域有2個(gè)，高于1.5°阻擋的連排(連續(xù)多于5°方位角)區(qū)域有1個(gè)。

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(cè)距離半徑范圍內(nèi)，1 km高度探測(cè)凈空面積達(dá)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(gè)擬建站點(diǎn)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(hào)依次表示三個(gè)站點(diǎn)的擬建站位置。可見(jiàn)三個(gè)站點(diǎn)相鄰，但由于擬建站高度不同而導(dǎo)致四周遮擋情況不同，從而使1 km高度的最大探測(cè)距離有所差異，所以建站的高度對(duì)遮擋的影響是十分顯著的，是建站選址的重要參數(shù)之一。

圖9三個(gè)擬建站點(diǎn)1 km高度等射束高度拼圖

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

5 結(jié) 論

本文基于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲取的SRTM地形數(shù)據(jù)，利用MATLAB搭建天氣雷達(dá)地形遮擋統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)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(shí)現(xiàn)智能分析提供分析建議供參考，提高了對(duì)擬建雷達(dá)站點(diǎn)四周遮擋情況分析的工作效率。

本文首先通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)搭建的平臺(tái)的功能進(jìn)行測(cè)試，然后選取廣東省內(nèi)三個(gè)擬建雷達(dá)站點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果為擬建站點(diǎn)1和2的選址較優(yōu)，四周幾乎無(wú)遮擋，僅1～2處方位存在0.5°左右的遮擋，而且降水主要來(lái)源于南面和西南面，而這兩個(gè)站點(diǎn)在南面和西南面幾乎沒(méi)有遮擋；擬建站點(diǎn)3由于建站高度較低，其四周遮擋嚴(yán)重，而且西南面遮擋較多。雖然可通過(guò)增加雷達(dá)塔高達(dá)到減少遮擋，但考慮到建設(shè)成本和建設(shè)難度，該站點(diǎn)選址不合適。

目前由于缺少現(xiàn)場(chǎng)人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，在實(shí)例應(yīng)用中人工補(bǔ)償功能暫時(shí)未能體現(xiàn)，后續(xù)在獲取人工觀測(cè)數(shù)據(jù)后則可進(jìn)一步優(yōu)化和提高雷達(dá)選址的合理性。