X波段多普勒雙偏振天氣雷達選址方法

陳 星，李 力，饒傳新，張子明

(1.宜昌市氣象局，宜昌 443000；2.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢 430074；3.五峰縣氣象局，五峰 443413)

0 引言

雷達是有效的遙感系統(tǒng)，在天氣觀測、災(zāi)害性天氣探測、降水的分類和量化以及預(yù)報過程中起著關(guān)鍵作用，所以其探測能力尤為重要[1，2]。天氣雷達探測能力是指雷達能夠探測到氣象目標(biāo)如云和降水的多少、能夠探測到的最大距離以及采樣精度等[3-5]。理論和實踐表明，雷達探測能力不僅受雷達參數(shù)、各類衰減和降水云性質(zhì)等因素的影響，也受到雷達站四周人工建筑障礙物和山脈的影響。近10 a城市快速發(fā)展，人工建筑障礙物逐年增多，嚴(yán)重地影響了雷達的探測能力，某些方位甚至成為盲區(qū)。文章利用等射束高度圖可以準(zhǔn)確、定量地了解雷達各個方向上的探測能力。

1 遮蔽角圖

1.1 遮擋角分布圖

遮擋角分布圖又稱作遮蔽角圖，是指根據(jù)雷達站址四周自然和人工建筑障礙物遮擋的情況，繪制出遮擋角隨方位的變化圖[6，7]。

1.2 計算遮蔽仰角

遮蔽仰角計算依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣的雷達測高公式：

H=h0+Rsinδ+R2/17，000

(1)

式中，δ為阻擋仰角(單位：°)；h0為天線距地面的高度；H為地物的高度；R為站點到地物的斜距(單位：km)。由公式(1)可以得到公式(2)：

δ=sin-1[(H-h0-R2/17，000)/R]

(2)

由實測的H和R，可以計算出δ值。

2 等射束高度圖

等射束高度圖可以根據(jù)雷達站四周地形、地物，考慮其阻擋作用，繪出某一高度的目標(biāo)能被雷達波束照射到的隨方位變化[8，9]的最大距離。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣的雷達測高公式，計算不同方位的雷達等射束高度最大探測距離，見公式(3)：

式中，R為等射束高度最大探測距離；H為指定的海拔高度；h0為天線饋源海拔高度(單位：km)。令H=1 km，3 km，6 km，根據(jù)阻擋仰角δ即能得到雷達不同方位的探測距離。

3 數(shù)據(jù)獲取與繪圖

通過以下方法獲取遮蔽角圖與等射束高度圖所需的原始數(shù)據(jù)[10，11]：

1)利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)或全球定位系統(tǒng)(GPS)測量經(jīng)度、緯度和海拔高度等地理信息數(shù)據(jù)，精確讀取雷達站的經(jīng)度、緯度和海拔高度。

2)利用高分辨率地圖，通過數(shù)字高程模型(DEM)獲取自然障礙物遮擋的經(jīng)度、緯度和海拔高度等數(shù)據(jù)；經(jīng)度和緯度讀取到0.1°，距離讀取到1 km。并且處理成“多普勒雷達客觀選址軟件”所需要的格式。

3)通過經(jīng)緯儀實地測量四周人工建筑障礙物遮擋仰角，測距儀測量四周人工建筑障礙物距離，從正北開始，順時針方向每隔1°方位角獲取1次測量數(shù)據(jù)。需要注意的是，經(jīng)緯儀實地測量的數(shù)據(jù)還需要按遮擋仰角訂正公式(4)進行訂正，將海拔高度訂正到與天線饋源同一高度[12-15]。

δ1=sin-1[(Rsinδ0-Δh)/R]

(4)

式中，δ1為訂正后的遮擋仰角(單位：°)；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(單位：km)。

獲取數(shù)據(jù)后，以擬選站址為中心，半徑分別為100 km，200 km，300 km，400 km繪制距擬建雷達饋源1 km高度和海拔高度3 km，6 km的等射束高度圖，處理流程如圖1所示。

圖1 等射束高度繪圖流程

4 雷達選址應(yīng)用

遮擋角分布圖、等射束高度圖及等射束高度拼圖在雷達選址中有重要的作用。文章以湖北省宜昌市五峰X波段雷達選址為例進行說明。五峰X波段雙偏振多普勒天氣雷達是中國氣象局2021年氣象監(jiān)測預(yù)警補短板工程的重要建設(shè)內(nèi)容，減少了新一代天氣雷達監(jiān)測盲區(qū)。選址專班從勘察現(xiàn)場基礎(chǔ)條件、凈空條件、生態(tài)紅線、電磁環(huán)境、彌補盲區(qū)等方面綜合考慮[16]，擬選了3個條件較好的站址，如表1所示。

表1 3個擬選站基本情況

4.1 遮擋角分布圖與等射束高度圖應(yīng)用

利用GPS測量擬選站的經(jīng)緯度及海拔高度，并以測站周圍150 km的圓形范圍定位DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)緯儀實際測量獲取原始數(shù)據(jù)，制作出從3個擬選站址的雷達遮蔽角圖，具體分析如下：

1)打磨山擬選站址四周僅有較少高山遮擋，凈空條件較好，理論上能夠覆蓋五峰全境。當(dāng)打磨山擬選站址天線架高為10 m時，方位138°～182°有不大于1.27°的仰角遮擋，方位214°～242°及方位255°～346°有不大于1.84°的仰角遮擋，遮擋仰角集中在1°左右。方位243°～254°有不大于2.21°的仰角遮擋，2°以上遮擋仰角的方位角僅為11°，影響范圍較小(圖2)。

圖2 打磨山擬選站遮蔽角圖和等射束圖(a)遮蔽角圖；(b)等射束高度圖

(候選站址：打磨山；經(jīng)度：110°59′11″E；緯度：30°10′37″N；海拔高度：1010m；天線架高：10m)

2)火田坑擬選站址四周有較少高山遮擋，凈空條件較好，理論上也能夠覆蓋五峰全境。當(dāng)火田坑擬選站址天線架高為10 m時，方位199°～271°有不大于1.48°的遮擋，方位298°～351°有不大于1.73°的遮擋，方位272°～297°有不大于2.28°的仰角遮擋，2°以上遮擋仰角的方位角為25°，較打磨山擬選站址影響范圍稍大(圖3)。

圖3 火田坑擬選站遮蔽角圖和等射束圖(a)遮蔽角圖；(b)等射束高度圖

(候選站址：火田坑；經(jīng)度：110°55′53″E；緯度：30°15′27″N；海拔高度：1250m；天線架高：10m)

3)黑桃埡擬選站址四周有部分高山遮擋，凈空條件相對較好，位于五峰縣中西部區(qū)域但相對五峰縣東部區(qū)域擬選站打磨山及火田坑稍差，理論上能夠覆蓋五峰全境。當(dāng)黑桃埡擬選站址天線架高為10 m時，方位207°～356°有6°左右的遮擋，遮擋仰角集中在5°以下，但個別方位仍存在有7°，9°，17°，20°左右的遮擋(圖4)。

圖4 黑桃埡擬選站遮蔽角圖和等射束圖(a)遮蔽角圖；(b)等射束高度圖

(候選站址：黑桃埡；經(jīng)度：110°37′27″E；緯度：30°07′33″N；海拔高度：1598m；天線架高：10m)

4.2 等射束高度拼圖的應(yīng)用

五峰縣地處鄂西南，屬武陵山脈和秦巴山脈向江漢平原的過渡區(qū)，全境皆山，以喀斯特地貌為主，地勢由西向東逐漸傾斜，溝壑縱橫，最高點白溢寨頂峰—黑峰尖海拔2，320.3 m。從現(xiàn)有雷達網(wǎng)1 km等射束高度拼圖可以得出：宜昌、恩施雷達站在五峰縣境內(nèi)均存在監(jiān)測盲區(qū)，集中在五峰縣西部地區(qū)，不能實時準(zhǔn)確監(jiān)測暴雨、強對流等災(zāi)害性天氣過程變化，而預(yù)設(shè)的X波段雷達在一定程度上能夠減少觀測盲區(qū)。

五峰縣平均海拔1100 m，五峰東部地區(qū)平均海拔600～800 m，西部地區(qū)平均海拔在1300～1600 m。經(jīng)過高分辨力地圖精選與實地勘探發(fā)現(xiàn)，中西部地區(qū)條件較優(yōu)越的預(yù)選站點如黑桃埡擬選站，雖然海拔高達1598 m，但近距離高山峰頂較多，凈空條件并不及打磨山擬選站，且對低層天氣過程無法探測。而打磨山擬選站距宜昌雷達直線距離約71 km，距恩施雷達約166 km，通過擬預(yù)布設(shè)雷達等射束高度拼圖(1.0 km)可以得出：此預(yù)選站在一定程度上能夠輻射到西部地區(qū)，并且對東部和湖南范圍起到了一定的彌補作用，便于探測低層天氣過程，一定程度上能夠提高氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警準(zhǔn)確性和氣象保障服務(wù)的時效性。

4.3 選址結(jié)論

通過對比分析可以得出：打磨山擬選站和火田坑擬選站凈空條件較好，理論上都能夠覆蓋五峰縣全境，但五峰縣天氣過程主要集中在方位角180°～300°的區(qū)域，此范圍內(nèi)打磨山2°以上遮擋仰角的方位角僅為11°，較火田坑2°以上遮擋仰角的方位角25°影響更小；黑桃埡擬選站海拔雖高，凈空條件相對較好，但是接近三分之一的探測范圍效果不佳。確定打磨山為五峰縣X波段雙偏振多普勒天氣雷達首選站址。

5 結(jié)束語

文章通過繪制和分析五峰縣X波段多普勒雙偏振天氣雷達擬選站址的遮蔽角圖和等射束高度圖，對五峰縣天氣雷達3個擬選站址遮擋情況和探測能力進行了定量比對和定性研究，應(yīng)用等射束高度拼圖減少了雷達擬選站址的探測盲區(qū)，為天氣雷達選址提供了重要參考價值。