中山市X波段相控陣?yán)走_(dá)選址分析

傾鵬程，謝嘯天，湯 沛

(中山市氣象局，中山 528400)

0 引言

中山市地處珠三角和粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，南接珠海，東承深圳、東莞，北連廣州、佛山，西接江門，既是中繼又是樞紐。因此，中山市雷達(dá)安裝是粵港澳大灣區(qū)雷達(dá)組網(wǎng)觀測(cè)的重要環(huán)節(jié)。

龍卷、冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣是造成重大人員傷亡以及重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失的氣象災(zāi)害事件[1]。精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)中小尺度天氣系統(tǒng)[2，3]是及時(shí)有效做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，而新一代雙偏振X波段相控陣天氣雷達(dá)就具備這種能力[4，5]。但由于X波段雷達(dá)存在波束的衰減特性[6，7]，未實(shí)現(xiàn)智能彈性觀測(cè)、協(xié)同組合觀測(cè)、交叉驗(yàn)證觀測(cè)和連續(xù)跟蹤觀測(cè)的目的，只能利用多臺(tái)雷達(dá)從多角度、多方向?qū)?qiáng)天氣系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同的組網(wǎng)觀測(cè)[8]，這對(duì)于雷達(dá)建設(shè)的選址規(guī)劃有很高的要求。文章通過對(duì)中山市相控陣?yán)走_(dá)建設(shè)選址問題進(jìn)行研究，從電磁環(huán)境、凈空分析、基礎(chǔ)條件投資分析等方面進(jìn)行綜合分析，形成雷達(dá)組網(wǎng)選址的最佳方案。

1 相控陣?yán)走_(dá)組網(wǎng)選址原則

雖然相控陣天氣雷達(dá)目前還沒有明確的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，但可以參照QX/T 100-2009《新一代天氣雷達(dá)選址規(guī)定》開展選址工作。基本原則是在雷達(dá)站址選擇時(shí)，應(yīng)考慮到既能有效探測(cè)中心城區(qū)人員密集場(chǎng)所，又能兼顧西南部強(qiáng)對(duì)流天氣易生成、易致災(zāi)地區(qū)，同時(shí)還應(yīng)服務(wù)于東南部重點(diǎn)工程所在區(qū)域。除此之外，選址原則還要充分考慮地域特點(diǎn)[9]?；谏鲜龌A(chǔ)，在雷達(dá)站選址中應(yīng)遵循9大原則：

1)應(yīng)符合國(guó)家、廣東省、粵港澳大灣區(qū)有關(guān)氣象雷達(dá)布局規(guī)劃要求；

2)應(yīng)結(jié)合中山市主要天氣系統(tǒng)來向，綜合考慮雷達(dá)覆蓋人口密集的中心城區(qū)和中山港、中山火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)等主要經(jīng)濟(jì)活動(dòng)區(qū)，以及中山市主要鎮(zhèn)街；

3)應(yīng)統(tǒng)籌考慮適合目前所需布設(shè)的雷達(dá)組網(wǎng)間距以及適合周邊地市已布設(shè)的同類型雷達(dá)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

4)應(yīng)考慮所選站點(diǎn)是否具有良好的探測(cè)凈空條件，是否在有效探測(cè)范圍內(nèi)，盡量避免自然或人造地物對(duì)低仰角探測(cè)波束造成遮擋；

5)應(yīng)考慮建設(shè)和維護(hù)的便利性，降低雷達(dá)站建設(shè)和運(yùn)維成本；

6)應(yīng)考慮所選站點(diǎn)地質(zhì)的穩(wěn)定性，避開易發(fā)生泥石流、塌方的地方；

7)應(yīng)考慮避開人類生產(chǎn)、生活活動(dòng)對(duì)雷達(dá)探測(cè)的干擾，雷達(dá)站點(diǎn)1.5 km半徑范圍內(nèi)不應(yīng)有采石場(chǎng)、露天礦山、火力發(fā)電廠等煙塵排放點(diǎn)；

8)應(yīng)考慮所選站點(diǎn)有適合雷達(dá)使用的頻率資源；

9)建站用地權(quán)屬清晰，不存在糾紛，易協(xié)調(diào)。

中山市以平原為主，地勢(shì)中部高亢，四周平坦，平原地區(qū)自西北向東南傾斜。結(jié)合選址原則，在中山市南部區(qū)域和北部區(qū)域各布設(shè)一部探測(cè)距離為60 km的相控陣天氣雷達(dá)，雷達(dá)交疊探測(cè)覆蓋區(qū)實(shí)現(xiàn)了對(duì)中山市行政區(qū)的全覆蓋。

為了獲取探測(cè)區(qū)域的真實(shí)三維風(fēng)場(chǎng)信息，需要用到至少3部在不同方位布設(shè)的雷達(dá)對(duì)該區(qū)域同一時(shí)間觀測(cè)的數(shù)據(jù)[10-12]，因此需要借助布設(shè)在中山周邊地市的同類型相控陣天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)。目前，中山周邊地市已布設(shè)的同類型相控陣天氣雷達(dá)共有10部，通過借助珠海(黃楊山站雷達(dá)、淇澳島站雷達(dá))、江門(蓬江雷達(dá))、廣州(南沙雷達(dá)、番禺雷達(dá))的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，就可以反演出中山市全域近地層空域真實(shí)三維風(fēng)場(chǎng)。當(dāng)中山市2部雷達(dá)與江門、廣州、珠海已布設(shè)的5部雷達(dá)組網(wǎng)協(xié)調(diào)觀測(cè)時(shí)，中山市行政區(qū)全域近地層空域，能夠同時(shí)被3部或以上雷達(dá)探測(cè)覆蓋。由于不同方位的雷達(dá)能夠相互補(bǔ)盲，7部雷達(dá)協(xié)同觀測(cè)，就能達(dá)到對(duì)中山市全域無盲區(qū)覆蓋的布設(shè)目標(biāo)。

2 綜合分析

根據(jù)選址原則，最終候選站址共有4處，如表1所示。文章將從電磁環(huán)境、凈空條件、投資分析等方面進(jìn)行綜合分析。

表1 中山市相控陣天氣雷達(dá)站候選站址

2.1 電磁環(huán)境

根據(jù)《中華人民共和國(guó)無線電頻率劃分規(guī)定》，X波段相控陣天氣雷達(dá)工作頻率在9.3～9.5 GHz，確定該頻段內(nèi)無線電信號(hào)源和信號(hào)強(qiáng)度，即可評(píng)估是否具有適合布設(shè)X波段相控陣天氣雷達(dá)的電磁環(huán)境[13]。測(cè)試設(shè)備由標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線、頻譜儀、低噪聲放大器和GPS接收機(jī)等構(gòu)成。

經(jīng)過測(cè)試得出，候選站點(diǎn)結(jié)果均適宜，為了使結(jié)果能反映出空氣中的實(shí)際環(huán)境，最大電平I需要折算到空中電平Ih，計(jì)算公式為：

Ih=I-Gr-GL+L

(1)

式中，I為頻譜儀中讀數(shù)；Gr為測(cè)試天線增益；GL為低噪放增益；L為饋線損耗。最終的測(cè)試結(jié)果中，北部測(cè)試點(diǎn)黃圃海蝕公園，頻段內(nèi)環(huán)境噪聲平均電平值I為-74.550 5 dBm/10 kHz，折算到空中的環(huán)境噪聲電平值為-140.950 5 dBm/10 kHz。南部測(cè)試點(diǎn)中，東區(qū)金鐘水庫，頻段內(nèi)環(huán)境噪聲平均電平值為-73.018 1 dBm/10 kHz，折算到空中的環(huán)境噪聲電平值為-139.418 1 dBm/10 kHz。五桂山大尖山頻段內(nèi)環(huán)境噪聲平均電平值I為-74.81 dBm/10 kHz，折算到空中的環(huán)境噪聲電平值為-141.21 dBm/10 kHz。坦洲鐵爐山頻段內(nèi)環(huán)境噪聲平均電平值I為-71.745 8 dBm/10 kHz，折算到空中的環(huán)境噪聲電平值為-138.145 8 dBm/10 kHz。環(huán)境噪聲電平值越低效果越好，4個(gè)候選站址工作頻率選擇裕度，均可以滿足雷達(dá)建設(shè)電磁環(huán)境的要求。

2.2 凈空分析

凈空分析在雷達(dá)站址選擇中也具有極為重要的作用。相控陣?yán)走_(dá)的波束寬為1.8°，為最大限度對(duì)中低空域小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)監(jiān)視，雷達(dá)最理想的探測(cè)仰角為0.9°。雷達(dá)在探測(cè)時(shí)，其波束底部掃描平面平行于水平面(忽略地球曲率)。

在雷達(dá)有效探測(cè)方位，最好不出現(xiàn)高于雷達(dá)安裝平臺(tái)的地物。如果提高探測(cè)仰角使波束越過遮擋物，則仰角每提高0.1°，在有效探測(cè)距離35 km處，探測(cè)盲區(qū)高度就增加約61 m。

黃圃海蝕公園候選站位于海蝕公園風(fēng)景區(qū)內(nèi)的相對(duì)制高點(diǎn)，緊鄰無高大遮擋物，但在2.2 km范圍內(nèi)南向有海拔70～75 m的小山體，為避免小山體影響，只要在該點(diǎn)修建1座高度15 m的鐵塔，使雷達(dá)天線高過緊鄰樹冠即可。

南部的3個(gè)候選站點(diǎn)中，坦洲鐵爐山位于一個(gè)海拔高度為400 m的次高點(diǎn)，與緊鄰的最高點(diǎn)高度差不超過25 m，如果在該處修建1座高25 m的雷達(dá)塔，在雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)，遮蔽角≤0.3°，則該站址探測(cè)凈空條件良好。相對(duì)來說，五桂山、大尖山的東南方向略有遮擋，東區(qū)金鐘水庫則被南方山體大幅遮擋，凈空條件較差。

2.3 投資分析

從交通、供電和通信角度分析，東區(qū)金鐘水庫及黃圃海蝕公園交通、供電、通信條件都較好，雷達(dá)站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資需求相對(duì)較少。坦洲鐵爐山可共享自然資源局的電力、通信電路，但雷達(dá)塔的材料需人工搬運(yùn)、設(shè)備需進(jìn)行吊裝工作，總體上雷達(dá)站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資需求相對(duì)適中。五桂山大尖山需新建供電，通信距離較長(zhǎng)(超3 km)，且雷達(dá)塔材料需人工搬運(yùn)、設(shè)備需進(jìn)行吊裝工作，雷達(dá)站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資需求最大。

3 結(jié)束語

根據(jù)上述分析結(jié)果，通過現(xiàn)場(chǎng)勘察和分析論證，最終選擇黃圃海蝕公園和坦洲鐵爐山建設(shè)雷達(dá)塔分別覆蓋中山市北部和南部區(qū)域，通過兩部雷達(dá)以組網(wǎng)觀測(cè)的模式實(shí)現(xiàn)對(duì)中山市全域無盲區(qū)覆蓋的布設(shè)目標(biāo)。選址的可行性，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1)符合天氣雷達(dá)站規(guī)劃布局要求

此次選取的兩個(gè)站點(diǎn)經(jīng)過對(duì)比論證，布設(shè)天氣雷達(dá)位置符合國(guó)家、廣東省和中山市有關(guān)天氣雷達(dá)布局規(guī)劃的要求。

2)方位優(yōu)越

首先，將兩個(gè)站點(diǎn)連成一條直線，大致將中山等分為東西兩部分，在這兩個(gè)點(diǎn)布設(shè)雷達(dá)，對(duì)中山東部或西部的覆蓋較為均衡。其次，黃圃站點(diǎn)位于中山市北部，海拔為70 m，距離市中心約25 km。坦洲站點(diǎn)位于中山市南面，海拔為430 m，距離市中心約24 km。在兩處布設(shè)相控陣天氣雷達(dá)，形成的探測(cè)交疊覆蓋區(qū)達(dá)到5597 km2，可以很好地覆蓋中山市人口密集的中心城區(qū)、主要經(jīng)濟(jì)活動(dòng)區(qū)和中山主要天氣系統(tǒng)來向。

3)便于與周邊雷達(dá)組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)

兩個(gè)站點(diǎn)與周邊地市已布設(shè)的雷達(dá)，距離適中，相對(duì)方位較好，兩個(gè)站點(diǎn)東面與廣州南沙站和珠海淇澳島站構(gòu)成1個(gè)四邊形，西面與珠江黃楊山站和江門蓬江站也構(gòu)成1個(gè)四邊形，符合四邊形組網(wǎng)方法。