阿壩州基于SRTM數(shù)據(jù)的天氣雷達探測環(huán)境分析及區(qū)劃

黃龍斐 李淑靜

摘要：本文通過SRTM數(shù)據(jù)作為選址基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算出以0.5°、1.0°、2.4°為仰角的地面遮擋情況，并得到臺站上空1KM、3KM、6KM的等射束高度圖及數(shù)據(jù)，分析阿壩州天氣雷達盲區(qū)地帶適合建設(shè)天氣雷達的區(qū)域，并進行區(qū)劃，以期為以后天氣雷達組網(wǎng)建設(shè)提供相關(guān)探測環(huán)境數(shù)據(jù)借鑒。

關(guān)鍵詞：SRTM數(shù)據(jù)；天氣雷達；探測環(huán)境；區(qū)劃

多年來我州氣象災害、地質(zhì)災害頻發(fā)。隨著天氣雷達在氣象服務中發(fā)揮重要作用，對天氣雷達建設(shè)和組網(wǎng)運行提出了更高的要求[1]。但我州地形復雜，大部分是高原、山地，目前只有一部C波段天氣雷達在紅原查針梁子，而我州東部、東南部、南部、西南部還未有天氣雷達組網(wǎng)，因此，在將來天氣雷達組網(wǎng)建設(shè)過程中，探測精度、探測能力評估還有待進一步研究。

目前四川省數(shù)據(jù)探測中心在天氣雷達探測環(huán)境分析研究及天氣雷達凈空環(huán)境評估算法誤差分析中已經(jīng)對算法及分析有了一個比較成熟、準確的方法，也經(jīng)過多次實地驗證。因此，此次分析能夠得到準確的數(shù)據(jù)支撐，通過分析阿壩州雷達分布、地理位置、紅線位置、災害集中點等進行選址分析及區(qū)劃[2]。

1? ? 研究背景及問題分析

1.1 研究背景

目前我州正在組網(wǎng)建設(shè)X波段天氣雷達項目。為了防止和減少氣象災害，做好災害性天氣預報預警，有效減少氣象災害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，建立和諧社會，保障經(jīng)濟發(fā)展，X波段天氣雷達建設(shè)項目就顯得十分迫切和必要，此課題為今后雷達選址提供數(shù)據(jù)理論支撐。

四川省氣象局氣象探測數(shù)據(jù)中心作為我省氣象探測重要技術(shù)支撐部門，研發(fā)了天氣雷達凈空環(huán)境評估軟件，本課題正式通過對此軟件的實際運用達到研究目的。并在數(shù)據(jù)截取之前通過今年X波段雷達選址的機會，將軟件生成數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行分析對比，得出結(jié)論為該軟件與實際誤差很小，完全可以進行數(shù)據(jù)研究代替實測，這樣不僅可以解決實測中遇到的天氣、地形等因素的干擾，還大大節(jié)約成本，方便探測環(huán)境的應用與研究。

1.2 主要存在問題

天氣雷達環(huán)境評估軟件雖然經(jīng)過多次驗證，誤差很小，但是根據(jù)實際工作情況，用設(shè)備測量后發(fā)現(xiàn)，還應考慮到交通、水電、電磁環(huán)境、生態(tài)紅線區(qū)域等因素，再通過此課題得到的區(qū)劃圖來綜合分析，才能得出最優(yōu)選擇。

1.3 制定原則

為了便于探測環(huán)境評估工作，需要將探測環(huán)境評估作出一個清楚的等級區(qū)劃（Ⅰ類、Ⅱ類），以方便工作中提供的數(shù)據(jù)更加直觀。為達到以上目的，在區(qū)域劃分等級時，需要做到以下幾點：

（1）Ⅰ類區(qū)域。理論上的最優(yōu)區(qū)域，優(yōu)先考慮能夠輻射全縣（市）的位置。如果條件允許，此類區(qū)域?qū)⑹翘綔y環(huán)境最優(yōu)區(qū)域，可以結(jié)合實際情況，例如道路交通、水電網(wǎng)、電磁環(huán)境等因素來選擇最優(yōu)地址。

（2）Ⅱ類區(qū)域。符合目前實際情況的區(qū)域?？紤]到雷達組網(wǎng)建設(shè)正在開展，并不是所有探測環(huán)境都是理論上的最優(yōu)選擇，而是優(yōu)先考慮符合當?shù)貧庀蠓招枨蟮膮^(qū)域。本課題Ⅱ類區(qū)域有如下劃分條件：一是考慮供電、交通、通信、用地等基礎(chǔ)設(shè)施，后期日常維護便利；二是以縣城為中心的15公里左右的圓形區(qū)域內(nèi)；三是能監(jiān)測到縣城和災害易發(fā)點；四是離附近村莊或道路不超過3公里。

2? ? 數(shù)據(jù)提取及分析

2.1 資料

本文采用的資料有：基于高程計算機測算分析（RTM-90m）預設(shè)分析參數(shù)的阿壩州所有縣（市）的水經(jīng)注高程數(shù)據(jù)（高程坐：WGS-84），Ⅰ類、Ⅱ類區(qū)域的最大遮蔽角、等射束高度、固定仰角遮擋，Ⅰ類區(qū)域縣市等射束高度圖，Ⅱ類區(qū)域縣市等射束高度圖。

2.2 數(shù)據(jù)提取與規(guī)范

SRTM數(shù)據(jù)選自國外（NASA）和國家測繪局（NIMA），發(fā)布時間為2003年，其水平分辨率為90 m×90 m，其標稱高程精度在16 m，SRTM數(shù)據(jù)每個點由3個SRTM1原數(shù)據(jù)點平均得到。數(shù)據(jù)通過航天飛機利用機載雷達測量而得，反映了地球表面海拔情況，處理過程中選擇四川省阿壩州為分析對象，截取了30°～34°N、100°～104°ESRTM數(shù)據(jù)，得到90 m*90 m分辨率的數(shù)據(jù)集[3]。

本文通過分析數(shù)據(jù)得到Ⅰ類區(qū)域縣市區(qū)劃圖，Ⅱ類區(qū)域縣市區(qū)劃圖。天氣雷達的站址選擇是一項十分重要的工作，擬建站點綜合條件的優(yōu)劣直接關(guān)系到天氣雷達整體效益的發(fā)揮。必須嚴格按照規(guī)定，從凈空條件、電磁環(huán)境、重大災害性天氣系統(tǒng)和主要影響區(qū)域出發(fā)，對通信、供電、道路、用水、避雷等建設(shè)條件，以及建成后運行維護、維持條件因素進行綜合考慮。此外為了節(jié)約建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期，還要充分考慮現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的作用。

因此在具體運用過程中，Ⅰ類區(qū)域、Ⅱ類區(qū)域都應該參照以上原則進行選址。

3? ? 方法與分析

本文主要采用信度分析、圖表分析、區(qū)域劃分的方法，將每個縣市的切片圖進行分析、區(qū)劃[4]。

3.1 信度分析

首先，通過松潘縣X波段選址報告中實測最大遮蔽仰角和軟件生成最大遮蔽仰角進行信度分析如表1。

信度分析用于研究定量數(shù)據(jù)的可靠準確性：

第一，分析α系數(shù)，如果此值高于0.8，則說明信度高；如果此值介于0.7～0.8之間，則說明信度較好；如果此值介于0.6～0.7，則說明信度可接受；如果此值小于0.6，說明信度不佳。

第二，如果CITC值低于0.3，可考慮將該項進行刪除。

第三，如果“項已刪除的α系數(shù)”值明顯高于α系數(shù)，此時可考慮將該項刪除后重新分析。

第四，對分析進行總結(jié)。

從表1可知：信度系數(shù)值為0.662，大于0.6，因而說明研究數(shù)據(jù)信度質(zhì)量可以接受。針對“CITC值”，分析項的CITC值均大于0.4，說明分析項之間具有良好的相關(guān)關(guān)系，同時也說明信度水平良好。綜上所述，研究數(shù)據(jù)信度系數(shù)值高于0.6，綜合說明數(shù)據(jù)信度質(zhì)量可以接受。

3.2 圖表分析

通過上述信度分析可以得到天氣雷達凈空環(huán)境評估軟件是可靠的，可用于研究分析，所以我們將阿壩州13個縣（市）作為單位，逐個分析（其中因紅原縣已有C波段天氣雷達故不在研究范圍內(nèi)，可作為今后組網(wǎng)拼圖參考）。

（一）阿壩縣

Ⅰ類區(qū)域。首先我們通過阿壩縣東南西北四個方向上的高程數(shù)據(jù)選取海拔理論相對最高點進行選點，同時通過高程數(shù)據(jù)和地形圖分析[5]，找到阿壩縣地形特點，分析出Ⅰ類區(qū)域。

第一步，四個方向的最大遮蔽角圖、等射束高度圖、固定仰角遮擋分析圖以東部為例，如圖1所示。

第二步，四個方向在水經(jīng)注上的1KM等射束高度圖以東部為例，如圖2所示。

第三步，通過上述圖形結(jié)合可以分析出地形圖、高程數(shù)據(jù)圖分析得出如下結(jié)論：

阿壩縣總體海報偏高，處于高原地區(qū)，東西南北四個方向的理論高點都能滿足等射束高度輻射阿壩全縣，整體可選取的范圍較大。效果最好的是北、東、南三個方向，將三個方向參考點的經(jīng)緯度輸入水經(jīng)注軟件，以此參考點為中心，到阿壩縣幾何中心點為半徑得到的區(qū)域即是此方向的Ⅰ類區(qū)域，我們在實際運用中先導入高程數(shù)據(jù)，然后導入?yún)^(qū)域數(shù)據(jù)，結(jié)合起來選取理論最優(yōu)點。

Ⅰ區(qū)域是理論區(qū)域，是作為最優(yōu)點選取的參考區(qū)域。接下來我們分析Ⅱ類區(qū)域。

第一步，四個方向的最大遮蔽角圖、等射束高度圖、固定仰角遮擋分析圖，以南部為例，如圖3所示。

第二步，四個方向在水經(jīng)注上的1KM等射束高度圖，以南部為例，如圖4所示。

第三步，通過上述圖形結(jié)合可以分析出地形圖、高程數(shù)據(jù)圖分析得出如下結(jié)論：

Ⅱ類區(qū)域重點從凈空條件、電磁環(huán)境、重大災害性天氣系統(tǒng)來路和主要影響區(qū)域等條件，以及通信、供電、道路、用水、避雷等建設(shè)條件和所需投資成本、建成后運行維護條件和經(jīng)費等因素進行綜合考慮，通過上述圖標可以看到，Ⅱ類南方為最優(yōu)參考點。

4? ? 數(shù)據(jù)整編

以上研究是以阿壩縣為例，除紅原縣以外其他十二個縣（市）均采用此方法進行分析和區(qū)劃，這里就不再進行闡述，最后以縣（市）為單位，整理出各個縣市的高程數(shù)據(jù)和區(qū)劃數(shù)據(jù)（其中高程數(shù)據(jù)分別有DEM和DWG格式，區(qū)劃數(shù)據(jù)為SHP格式）以及各個縣（市）分析數(shù)據(jù)（圖片PNG格式，數(shù)據(jù)XLS格式）。在未來評估天氣雷達探測環(huán)境和為天氣雷達組網(wǎng)建設(shè)時，首先通過分析的數(shù)據(jù)判斷哪個區(qū)域的點位優(yōu)先考慮；然后將這些數(shù)據(jù)在水經(jīng)注等地圖軟件中導入即可分析數(shù)據(jù)，選取最優(yōu)點位。通過今年X波段的天氣雷達選址中我們可以看到，汶川初選點和松潘初選點分別是屬于汶川Ⅱ類北方區(qū)域和松潘Ⅰ類北方區(qū)域，兩個地方的選址都是綜合考慮本地實際情況選取的最優(yōu)點位。在將來升級X波段或者其他縣（市）組網(wǎng)建設(shè)天氣雷達中，本課題研究的方法可大量用于天氣雷達探測環(huán)境評估和天氣雷達選址等運用中，有很大的使用價值。

5? ? 結(jié)語

綜上所述，采用本課題研究得出的方法和數(shù)據(jù)，得出最優(yōu)參考點，再將此點經(jīng)緯度方向帶入天氣雷達環(huán)境評估軟件，可以得出最大遮蔽角圖、等射束高度圖、固定仰角遮擋分析圖，作為選點的測量數(shù)據(jù)。這樣大大減少了人力和物力，方便了天氣雷達探測環(huán)境的評估，最終達到評估天氣雷達探測環(huán)境和為天氣雷達組網(wǎng)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐的目的。同時，有利于我州天氣雷達環(huán)境評估，對進一步做好各類氣象探測工作具有重要意義。

參考文獻

[1] 景號然，謝曉琳，鄭偉，等.基于SRTM數(shù)據(jù)的天氣雷達探測環(huán)境分析研究[J].氣象，2019，45（6）：871-876.

[2] 周嘉健，徐黃飛，鄒慶彪，等.基于SRTM地形數(shù)據(jù)天氣雷達地形遮擋分析系統(tǒng)開發(fā)及應用[J].熱帶氣象學報，2021，37（2）：10.

[3] 景號然，鄭偉，劉宗慶，等.基于SRTM天氣雷達凈空環(huán)境評估算法誤差分析[J].氣象，2020，46（2）：5.

[4] 王曙東，裴翀，郭志梅，等.基于SRTM的中國新一代天氣雷達覆蓋和地形遮擋評估[J].氣候與環(huán)境研究，16（4）.

[5] 李明鳳，閔超，張阿思，等.基于SRTM數(shù)據(jù)的廣東新一代天氣雷達覆蓋研究[J].地球信息科學學報，2018，20（8）：8.