X波段多普勒天氣雷達(dá)選址技術(shù)應(yīng)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(shù)保障中心，湖北武漢 430074；3.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002）

0 引言

天氣雷達(dá)是監(jiān)測、預(yù)警突發(fā)災(zāi)害性天氣的有效工具，能夠顯著提升預(yù)報、預(yù)警水平。從全國范圍看，我國現(xiàn)階段雖然基本覆蓋新一代天氣雷達(dá)［1］，但由于地理環(huán)境差異，仍有許多地區(qū)存在盲區(qū)。此外，隨著城市化不斷發(fā)展，某些站點(diǎn)的探測環(huán)境會形成一些新的遮擋和盲區(qū)，也在一定程度上影響了雷達(dá)監(jiān)測能力。然而，X 波段多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)建成后，將有效彌補(bǔ)新一代天氣雷達(dá)監(jiān)測的空白和縫隙［2-3］。

現(xiàn)階段，X 波段多普勒天氣雷達(dá)選址均參考S 波段天氣雷達(dá)方法。例如，鄧志等［4-5］使用經(jīng)緯儀和小比例地圖測得雷達(dá)站周圍的阻擋角，然后根據(jù)雷達(dá)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(shù)據(jù)開發(fā)天氣雷達(dá)地形遮擋分析系統(tǒng)，但在精細(xì)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(dá)的選址技術(shù)尚不成熟［7-8］，存在地理信息數(shù)據(jù)獲取困難，數(shù)據(jù)易于缺失的情況。

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

1 選址基本要求

新建X 波段多普勒天氣雷達(dá)應(yīng)滿足氣象監(jiān)測、預(yù)警的服務(wù)需求，盡可能在天氣系統(tǒng)主要來向和重要服務(wù)區(qū)域選址，以便于統(tǒng)籌布局周邊地區(qū)天氣雷達(dá)，彌補(bǔ)雷達(dá)低空探測盲區(qū)，實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)同觀測。

1.1 組網(wǎng)協(xié)同觀測

X 波段多普勒天氣雷達(dá)站址與相鄰雷達(dá)站址之間的距離應(yīng)滿足雷達(dá)探測能力和組網(wǎng)協(xié)同觀測要求，即50～75km 間。在災(zāi)害性天氣頻繁發(fā)生、城市重點(diǎn)服務(wù)地區(qū)，可減少至30km 以內(nèi)。

1.2 工作區(qū)內(nèi)的較高點(diǎn)

雷達(dá)選址時，通常會選擇工作范圍中心位置海拔較高的地點(diǎn)。雖然，可通過增高雷達(dá)站或建設(shè)鐵塔來提高雷達(dá)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(diǎn)建設(shè)雷達(dá)，才是減少雷達(dá)探測“盲區(qū)”的最佳手段。

1.3 配套設(shè)施

選址時應(yīng)充分考慮供電、通信、道路、地質(zhì)、水文、雷電等條件是否符合站點(diǎn)建設(shè)及維護(hù)要求。然而，在實際選址時制高點(diǎn)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(shè)及后期維護(hù)工作造成困難。

1.4 電磁環(huán)境及其它因素

選擇雷達(dá)站址是一項系統(tǒng)性工程，不但要滿足凈空環(huán)境的基本要求，還需綜合考慮電磁環(huán)境、環(huán)境保護(hù)、投資概算等因素。

具體的，X 波段雷達(dá)應(yīng)保證在雷達(dá)中心頻率±25MHz范圍內(nèi)無干擾；候選站址應(yīng)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(yīng)盡量避開敏感區(qū)域。

2 GSCloud與LSV

2.1 GSCloud

GSCloud 是國際先進(jìn)、國內(nèi)最具影響力的地學(xué)大數(shù)據(jù)平臺，匯聚數(shù)十顆國際遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和國內(nèi)資源、高分系列陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可免費(fèi)下載多類型數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù) 據(jù)。例 如，SRTMDEMUTM 90M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)、GDEMV3 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)、ASTER GDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)等。

2.2 LSV

LSV 是一款專業(yè)的三維數(shù)字地球軟件，具有超大規(guī)模地圖數(shù)據(jù)承載、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理與編輯、地形高級分析與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理等能力，在三維GIS 領(lǐng)域為雷達(dá)選址提供強(qiáng)大的技術(shù)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(dá)站址；然后對GSCloud 平臺地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，為X 波段多普勒天氣雷達(dá)選址提供數(shù)據(jù)支撐；最后，結(jié)合實際勘探情況確定選址地點(diǎn)。

3 精細(xì)化選址

3.1 初選與建立緩沖區(qū)

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

在LSV 軟件中根據(jù)雷達(dá)站的經(jīng)度、緯度和拔海高度對擬選站址進(jìn)行定位，并以該地點(diǎn)為中心，建立緩沖區(qū)。由于雷達(dá)型號不同，緩沖區(qū)寬度數(shù)值會存在差異。例如，X波段多普勒天氣雷達(dá)的有效探測距離范圍為75～100km，圓弧每個分段角度設(shè)置為0.5°，因此緩沖區(qū)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(qū)示意圖

3.2 數(shù)據(jù)采集

在GSCloud 平臺上，數(shù)據(jù)集選擇“ASTER GDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)”，空間位置選擇“經(jīng)緯度”“行政區(qū)”“地圖選擇”“矢量文件”“條帶號”等方式?？紤]到數(shù)據(jù)處理效率和擬選站通常跨越多個行政區(qū)的情況，本文選擇經(jīng)緯度方法進(jìn)行實驗。

通過查閱緩沖區(qū)屬性樣式獲取外接邊界信息，并在GSCloud 平臺上輸入邊界數(shù)據(jù)對應(yīng)的經(jīng)度、緯度以獲取緩沖區(qū)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(qū)示意圖

由圖2 可見，緩沖區(qū)外接正方形區(qū)域包含多省數(shù)據(jù)，下載的6 條數(shù)據(jù)均大于緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于后續(xù)要在LSV 軟件中對6 塊地形圖進(jìn)行地形拼接、高程數(shù)據(jù)提取等操作，并且便于提取緩沖區(qū)內(nèi)的高程數(shù)據(jù)，本文將下載的6條地物信存儲為.lrp文件。

3.3 數(shù)據(jù)提取與格式轉(zhuǎn)換

在LSV 軟件選擇“測量—提取高程點(diǎn)”，選中已繪制的緩沖區(qū)，繪制范圍選擇“選擇面”，模式為“基于圖層數(shù)據(jù)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(jù)精細(xì)化程度自行設(shè)置，導(dǎo)出擬選址坐標(biāo)系的“經(jīng)緯度”。圖3 為地理信息數(shù)據(jù)提取界面，經(jīng)度和緯度精度到小數(shù)點(diǎn)后一位。

LSV 軟件導(dǎo)出的高程數(shù)據(jù)為CSV 格式，為了便于后續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，會先將其轉(zhuǎn)換為.txt格式。

Fig.3 Geographic information data extraction method圖3 地理信息數(shù)據(jù)提取方法

當(dāng)數(shù)據(jù)量過大時，Excel 軟件處理數(shù)據(jù)會導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，現(xiàn)階段一般采用MATLAB 軟件或?qū)otepad 與Excel 軟件相結(jié)合對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。但由于Notepad 軟件處理.txt 文件時未設(shè)置行數(shù)限制，因此需要先將CSV 文件進(jìn)行分段保存，再將分段后的CSV 文件利用Excel 進(jìn)行格式處理，最后將處理完成的分段數(shù)據(jù)整合至.txt文件中。

3.4 障礙物仰角

通過經(jīng)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(shù)據(jù)。然而，經(jīng)緯儀測量的數(shù)據(jù)需要先根據(jù)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(dá)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(dá)源1km、3km 海拔高度的等射束高度圖。

4 實驗結(jié)果與分析

湖北省陽新縣距武漢雷達(dá)直線距離約100km，境內(nèi)山脈多，地形遮擋造成雷達(dá)站在陽新縣境內(nèi)存在監(jiān)測盲區(qū)，無法實時準(zhǔn)確監(jiān)測暴雨、強(qiáng)對流等災(zāi)害性氣候，故考慮在陽新縣增設(shè)一部X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)。

通過LSV 軟件初步選址地點(diǎn)為宋家山（經(jīng)度115°15′56″，緯度29°45′56″，海拔高度459m）。為此，本文利用精細(xì)化選址方法，結(jié)合GSCloud 平臺及LSV 軟件制作宋家山100km 內(nèi)的地理數(shù)據(jù)，并輸入至選址工具“客觀選址軟件”中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。以宋家山為中心，繪制雷達(dá)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(dá)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(qū)域的探測能力稍弱，遮擋最嚴(yán)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(yán)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(shè)X 波段多普勒天氣雷達(dá)。

5 結(jié)語

X 波段多普勒天氣雷達(dá)站址是一項系統(tǒng)性工程，需要統(tǒng)籌考慮基礎(chǔ)條件、凈空環(huán)境、建設(shè)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(xì)化X 波段多普勒天氣雷達(dá)選址方法。

首先利用LSV 軟件完成站址初選并確定雷達(dá)工作區(qū)；然后基于GSCloud 平臺采集ASTER GDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，并結(jié)合LSV 軟件制作與雷達(dá)工作區(qū)對應(yīng)的精細(xì)地理信息數(shù)據(jù)；最后根據(jù)實際勘探結(jié)果確定選址地點(diǎn)。此外，在繪制雷達(dá)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(dá)選址技術(shù)顯著提升了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率和效率。

實驗表明，該方法簡單、準(zhǔn)確、可操作性強(qiáng)、魯棒性高，能夠較好地輔助工程技術(shù)人員對X 波段多普勒天氣雷達(dá)進(jìn)行選址，并能夠在最大程度上發(fā)揮X 波段多普勒天氣雷達(dá)的探測能力。