气象雷达环境影响评价的实践分析

王春梅

气象雷达环境影响评价的实践分析

王春梅

福建省辐射环境监督站

以实际工作中接触过的雷达评价为例，通过对气象雷达工作原理的论述，分析气象雷达的环境影响评价过程，论述雷达评价过程中电磁辐射的环境影响评价方法，并提出评价过程中应注意的事项。

气象雷达 电磁辐射 环境评价

雷达运行期电磁辐射主要来自雷达数据采集工序（简称“RDA”），RDA子系统包括天线、天线罩、发射机和接收机。在晴空时段里，雷达是处于定时、间断的开机状态；而在观测责任区内有降雨的时段内，雷达是处于连续的开机状态。雷达运行时，发射机在雷达信号处理定时单元送来的触发脉冲控制下，产生高功率的射频脉冲，经传输由旋转抛物面天线以平面波的形式定向向空中发射探测信号，通过传输由旋转抛物面发射使空中天线主视方向的电磁波场强增高。同时，当发射信号在空中碰到某种障碍物，如云、冰雹、龙卷风等，立即产生反射波，并且向四周传播，也可以使周围环境电磁波场强增高，即对周围环境产生次级电磁环境影响，但该电磁波贡献可以忽略。此外，雷达机房内设备，如发射机、馈线等，生产厂家已经对其进行了必要的屏蔽，再加上机房的屏蔽作用，电磁波向环境的泄漏量极小。因此雷达电磁波影响的污染工序是：运行时，天线向空间发射的电磁波，对周围环境产生电磁波影响。

1 气象雷达的工作原理

气象雷达主要设置雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）及主用户处理器子系统（PUP）等相关配套子系统。

气象雷达站主要采用CINRAD/CA气象雷达，该雷达是C波段多普勒雷达。雷达主机总体结构主要由以下三个相对独立的子系统组成：数据采集系统 RDA（Radar Date Acquisition）；雷达产品生成子系统 RPG（Radar Product Generation）；主用户处理子系统 PUP（Principal User Processor）。

气象雷达主机三个子系统中的RDA子系统设置在高的楼顶上，主要包括发射机柜、接收机柜、伺服机柜和配电机柜。RPG和PUP两个子系统通过通信光缆连接。

RDA子系统向天空发射信号，并接收反射信号。然后，经信号处理、自动定标、数据存档等自动操作程序后，通过光缆向RPG子系统传送基本数据的信息。

RPG子系统收到RDA子系统传输的基本数据后，经一系列气象算法，形成固定的图形、图像和数字式气象产品，并存储基本数据和产品数据，提供给PUP子系统。

PUP子系统向操作人员提供对RPG子系统的产品请求、显示、存储和分配等。

2 电磁辐射评价标准及评价范围

2.1 电磁辐射评价标准

根据《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)的标准：①气象雷达的发射频率在5300～5725MHz范围内，在此频率范围内，公众的电磁辐射限值为，在任意连续6分钟内功率密度的平均值小于0.71 W/m2。

②规定中4.4.3条，在对辐射水平进行评价时，对于一个辐射体发射几种频率或存在多个辐射体时，其电磁辐射的场量参数在任意连续6 min内的平均值之和，应满足下式：

式中：Ai,j—第i个辐射体j频段辐射的辐射水平；Bi,j,L—对应于j频段的电磁辐射所规定的照射限值。对于城市电磁辐射源，其一般频率范围在30~3000MHz，在该频段的公众照射功率密度限值为0.4W/m2。

为使公众所受辐射低于上述限值，并为其它建设项目留出电磁辐射环境容量，对单个项目的影响必须限制在限值的若干分之一。对于项目为地方环保局负责审批的项目，取GB8702-88中场强限值的1/5作为评价标准：0.142W/m2。

2.2 评价范围

依据《辐射环境保护管理导则——电磁辐射环境影响评价方法与标准》（HJ/T10.3-1996）第3.1.2款的规定，发射机功率＞100kW时，评价范围为以天线为中心的半径1km区域。

该雷达发射机的峰值功率为250kW，因此本项目电磁环境影响评价范围为：以发射天线为中心，半径1km区域。

3 辐射环境质量现状

一般情况为了解项目拟建址以及周围的电磁环境背景，评价单位均需对拟建地块周围进行电磁环境背景水平现场测量。

3.1 监测项目及测点布置

监测布点依据《电磁辐射环境影响评价方法和标准》（HJ/T10.3-1996）规定，根据实际地理状况进行测量。

3.2 测量仪器

本次电磁环境背景监测工作所选用的监测仪器为德国Narda公司生产的NBM-550型电磁辐射分析仪。

3.3 监测结果

测量综合场强时，场强仪天线离地面约1.7m高，每个测点连续测5次，每次测量时间不应小于15秒。由监测结果可知，项目拟建址周围环境电磁辐射功率密度背景值小于0.1940 W/m2，尚有较大的电磁辐射环境容量。

4 运营期环境影响

运营期的主要污染源为气象雷达工作期间雷达发射的电磁波对周围环境的影响。评价主要为以下几个步骤：

4.1 近场及远场电磁辐射区域划分

雷达天线微波电磁场的辐射区域，分为近场区和远场区。根据天线波束形成理论，以电离辐射源D2/λ的距离作为近、远场区的分界，其计算公式如下：

式中：R1——近、远场区分界距离（m）；D——天线的直径（m）；λ——天线的工作波长（m）。

本项目雷达天线的直径为4.5m，发射微波波长为5.7cm，所以对于该雷达的近、远场区分界距离为355m，即以发射天线为中心355m范围内为近场区，以外为远场区。

4.2 估算公式的确立

根据雷达系统的设备参数、天线与周围建筑物的相对高度和距离，对天线周围环境的电磁辐射水平进行估算。由于该雷达站使用频率处于微波段，因此，采用由《电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T10.2-1996）规定的公式计算：

近场最大功率密度Pdmax：

式中：PT——送入天线净功率(W)；S——天线实际几何面积（m2），S=πR2；R——天线半径（m）。

远场轴向功率密度Pd：

式中：P——雷达发射机平均功率(W)；G——天线增益(倍数)；r ——预测点与天线轴向距离（m）。

式中：K——系统发射支路和天线罩单程引起的射频损耗系数，共损耗1.75dB，即射频损耗系数K=10-0.175=0.6683；

同理，远场区空间任一点r处接收的功率密度：

式中：G天线增益(倍数)除去上述射频损耗系数K，

去除损耗后天线增益为43-1.75=41.25dB。

4.3 气象雷达站运行模式

在晴空时段里，雷达是处于定时的间断开机状态；而在观测责任区内有降雨的时段里，雷达是处于连续的开机状态。该雷达一般有三种工作模式，即PPI、RHI、VCP，根据实际情况需要，主要工作模式为PPI模式。雷达脉冲重复频率PRF为1500Hz。根据实际使用模式的要求，可以认为是在三种工作模式中的PPI模式（且仰角为1°时）对近地面环境敏感点的电磁辐射影响最大，因此考虑该气象雷达的电磁辐射环境影响时，按保守估算，只取雷达在PPI的工作模式进行预测评价[2]。

4.4 电磁辐射水平估算

雷达以脉冲方式工作，发射脉冲波的时间仅占工作时间的一小部分，该比值为脉冲占空比。该雷达的最大脉冲占空比ηp对应于1500Hz的PRF(发射脉冲重复率)及0.83μs的发射脉冲宽度，对应ηp值为1/800。雷达发射机峰值发射功率为250kW，因此，该雷达的最大平均发射功率为250kW×1/800=312.5W。

对于雷达周围的环境目标，由于天线以固定仰角在水平面上作360°旋转，雷达天线为强定向天线，主波束很窄，对准特定目标方位的时间很短，仅占扫描时间的一小部分，主波束驻留时间与扫描周期的比值定义为扫描占空比ηs。

4.4.1对近场区的电磁辐射水平估算

根据本项目雷达参数，确定以雷达发射天线为中心355m范围内为近场区。由确立的近场区的电磁辐射水平估算公式：

根据微波天线波束形成理论，在近场区雷达抛物面天线辐射出的电磁波假设初为平行波束，以平行波束在测点的驻留时间与扫描周期的比值为扫描占空比ηs，由于天线以固定仰角在水平面上360°旋转，在与天线距离d处，对应的扫描扇区的圆周长度为2πd，而近场区平行波束的宽度近似等于天线的直径D，在相同的扫描速度下，波束驻留时间及扫描周期(扫描一周的时间)分别正比于D和2πd，因此近场区扫描占空比ηs=D/2πd。

根据近场区的计算结果，d=355m，则：

ηs=D/2πd=4.5/2π/355≈0.0020

由于雷达天线工作最低仰角为1°，在远近场区分界处（实际是以雷达天线中心为球心、355m为半径的地面以上半球面部分），此时主波束中心的高度为38.5m（塔高与波束高度之和），该处38.5m高度任一接收点在任意6分钟内所照射到的平均功率密度为：

Pd(6min)max= ηs·Pd max≈0.0020×53W/m2=0.106W/m2

4.4.2对远场区的电磁辐射水平估算

雷达天线主瓣波束宽度θ= 0.99°，主瓣方向增益为43dB；系统发射支路和天线罩单程损失损耗值为1.75dB。根据条件计算距离雷达天线1000m（评价范围界限）的接收点功率密度值。

在远场区电磁波形成0.99°的锥形波束，由于PPI模式始终进行固定仰角的扫描，故远场区扫描占空比为ηs=0.99°/360°=0.00275

=312.5×10(43-1.75)/10÷[4×3.1416×10002]=0.33W/m2。

在1000m处任意6分钟内所照射到的平均功率密度为：

Pd（6min）=ηs·Pd≈0.00275×0.33=0.0009W/m2

即在355m至1000m处任意6分钟内所照射到的平均功率密度在0.0009～0.106之间。

4.5 电磁环境影响预测结论

4.5.1项目对环境电磁辐射功率密度贡献值

拟建的雷达在对周围电磁环境影响相对较大的PPI工作模式及最低仰角下，由上述计算可知，即使受到雷达主波束的辐射，近场区环境中（在天线周围355m范围内）任一点在任意6分钟内所照射到的平均功率密度不大于0.106W/m2。对于雷达的远场区（在天线周围355m范围以外），在离开雷达天线355～1000m范围内的平均功率密度贡献为0.0009～0.106W/m2，也低于本项目的评价标准。

对于雷达的近场区，平行波束未扩散，波束宽度约为天线直径(4.5m)，波束下沿高度为天线中心高度32.5m减去天线半径，约为30m，不考虑波束仰角造成的波束高度抬高，30m高度以下的建筑物不会受到主波束的照射。对于雷达的远场区，主波束半功率宽度0.99°，整个主波束不低于水平面方向(0°仰角)，因此32.5m高度以下的建筑物不会受到主波束的照射。该项目评价范围内，建筑物最大高度为26m，因此均不会受到雷达主波束的照射，上述估算为偏保守估算[3]。

4.5.2与本底的叠加计算

根据对多个辐射体环境评价要求，敏感点因为存在移动通信基站及原有的发射电磁波的装置，其评价标准均为0.4 W/m2。根据《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)中4.4.3的规定，按保守计算，取本项目现场监测的最大值（0.1940W/m2）与本项目建成后发射电磁波的设备共存时满足：(0.1940/0.4) +(0.106/0.71)=0.634＜1。因此，项目建成后周围环境辐射水平符合《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)规定。

总之，拟建的气象雷达站在目前及规划的环境条件下，无论在近场区或远场区，公众人员可达到的任意一点在任意6分钟内的平均功率密度将低于本项目的评价标准0.142W/m2，符合《电磁辐射防护规定》（GB8702-88）和《电磁辐射环境影响评价方法和标准》（HJ/T10.3-1996）的要求。

4.6 保护半径和建筑物标高的计算

由于本项目的建设，必须确保以后在雷达天气站天线周围的建筑物受天线主瓣照时的平均功率密度在国家规定的标准内，即任意一点在任意6分钟内的平均功率密度必须小于本项目的评价标准0.142W/m2，因此，必须划定保护半径和控制建筑物的高度。

根据辐射防护“可合理达到尽量低”的原则，在近场区内（天线周围355m范围内）应严格控制建筑物的标高不得高于32.5m。在远场区（355m以外），任一点所受雷达照射平均功率密度不大于0.106W/m2，小于本项目的评价标准0.142W/m2，因此，从电磁辐射环境保护角度分析，高度可以不受控制。

为保护气象雷达的气象探测环境，根据《气象探测环境和设施保护办法》第十一条规定，“天气雷达站主要探测方向的遮挡仰角不得大于0.5°，孤立遮挡方位角不得大于0.5°；其他方向的遮挡仰角不得大于1°，孤立遮挡方位角不得大于1°，且总的遮挡方位角不得大于5°”。而当地规划中周边最高建筑不得高于5层（约20m），因此项目气象雷达周边建筑物高度满足要求。

5 污染防治措施

根据《电磁辐射防护规定》（GB8702－88）要求，建设单位应加强对气象雷达探测基地的运行管理，以实现其运行过程中环境保护的规范化，在其电磁辐射符合国家标准的前提下，贯彻“可合理达到尽量低”的原则。

5.1 管理措施。由气象雷达探测基地设立环保人员，全面负责基地的运行管理，制定完善的运行管理制度并组织实施。

5.2 上岗人员素质。环保人员、雷达站维护人员上岗前应进行电磁辐射基础、《电磁辐射防护规定》及有关法规等方面知识的学习和培训。

5.3 技术措施。雷达系统装有故障自检和参数检测装置，建设单位加强设备的运行维护，必须定期检查雷达设备及附属设施的性能，及时发现隐患并及时采取补救措施，确保雷达站安全可靠运行。

5.4 建设单位应在当地规划部门备案，依据气象雷达的电磁辐射环境保护及使用条件要求，由规划部门有效控制周围建筑物高度，确保气象雷达站周围的净空条件。

5.5 由于雷达天线手控俯仰范围为-2~90°在最低仰角（1°）工作条件下，本报告公众所受的电磁辐射在任意连续6分钟内功率密度值符合《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)及《辐射环境保护管理导则——电磁辐射环境影响评价方法与标准》(HJ/T10.3-1996)的评价要求。因此，对于雷达天线正常工作时的最低仰角规定为不得小于1°（实际所需最低工作仰角为1°）。

5.6 根据要求及辐射防护“可合理达到尽量低”的原则，在近场区内（天线周围355m范围内）应严格控制建筑物的标高不得高于32.5m。在远场区（355m以外）高度可以不受控制。

6 结论

上述评价方法还存在一定的缺陷。由于目前使用的NBM-550型电磁辐射分析仪不能充分响应脉冲信号，因此雷达的监测、评价使用简化的未考虑峰值的脉冲信号的影响，而只是采用一种平均值的计算方法，因此这种评价方法仍然有待进一步的完善，才能更完整地体现雷达的环境影响。

[1] 刘志澄.天气雷达系统环境及运行管理[M].北京：气象出版社，2002.

[2] 任宏，王家远等. 中国内地建设项目环境影响评价实践分析[J]. 重庆建筑大学学报，2001, (1) : 17–19.

[3] 吴书君，王金东等. 新一代天气雷达周围电磁辐射环境影响分析[J]. 气象水文海洋仪器，2009,（4）: 17–19.