GFE（L）1型雷达大修总结及探测环境影响评估分析

闵昌红 周和平

摘 要：L波段雷达即GFE（L）1型二次测风雷达，与GTS1型数字探空仪构成新一代高空气象探测系统。L波段雷达于2003年1月在贵阳正式投入业务运行，是全国120个常规高空探测站最早建设投入业务运行的5个台站之一。2011年8月，该系统完成大修。本文依据《GFE（L）1型二次测风雷达大修标准（初稿）》 及中国气象局《2010年GFE（L）1型二次测风雷达大修试点实施方案大修标准（初稿）对L波段高空气象探测雷达大修技术工作进行总结，以期为后继业务工作提供借鉴。

关键词：GFE（L）1型雷达；大修；探测环境；评估

高空气象探测是天气预报、气候分析和各种大气遥感仪器校验标准的基础。我国常规高空观测近十余来来取得飞速发展。

目前，具有自主知识产权的GFE（L）1型二次测风雷达-GTS1型数字探空系统（即L波段高空探测系统）已经成为我国常规高空探测的主导体制。该系统依据中国气象局《气象探测系统高空气象探测系统和地面气象观测系统发展规划（1991—2020）》列为大气监控自动化系统工程一期工程被列为国家重点投资建设项目[ 1 ]。

2002年1月1日，第一臺L波段雷达在北京观象台投入业务运行，至2010年，全国120个常规高空观测站全部完成该系统的建设并投入业务工作。自此，L波段探空系统已取代使用达四十余年的59-701探测系统，成为我国目前高空探测的主要方式。

L波段基本上实现了从自动跟踪、数据采集分析集成处理的自动

化[ 2 ]。国际国内对该系统从系统稳定性、探测精度等进行动态对比分析评估。

李柏[ 3 ]等分析了该系统与国际探空系统比对试验中各参试系统的技术观测数据及评估结果，提出了我国参试系统的技术改进措施；

马颖[ 4 ]、张立功[ 5 ]、苑跃[ 6 ]、闵昌红[ 7 ]等分析了系统换型后温压湿等气象要素的差异特征，为建立连续的高空气象数据集及要素均一性分析研究进行了有益探讨。

该系统与59-701探空系统相比，其自动化程度高、精度高、时效快，时空分辨率高。

世界气象组织认为探测环境和观测仪器是影响观测数据质量的多样化因素[ 8 ]。探测环境影响气象观测资料“三性”。

目前，文献[ 9，10 ]对地面气象观测站的环境评估较深入，而对高空探测鲜少介绍。本文对本站L波段雷达探测环境进行简要分析。另一方面，贵阳作为首批投入使用L波段雷台站，经过8年运行，许多电子元器件已进入老化期和故障高发期，对高空探测数据的精度产生一定影响。运行后期，信号衰减，飞点增多，丢球，死机造成迟测重放等故障也降低了探测质量。为此，对L波段高空气象探测雷达大修技术工作进行总结，以期为后继业务工作提供借鉴。

1 L波段雷达大修的推进、实施介绍

2010年4月，中国气象局将《标准》和《方案》下发。省市两级主管及业务部门成立了贵阳L波段雷达大修项目工作组，负责组织和部署大修工作。

通过调研，了解雷达天线基座、避雷针、电缆管线、值班室等技术条件和工作环境，探讨业务切换期间可能出现的问题和处置办法。

1）改造业务工作平台，做到舒适，美观，设备布局合理。

2）参与大修的部门和业务技术人员应加强对《标准》和《方案》的学习和掌握，做到心中有数。

3）大修任务下达之后，除按常规技术规定要求外，大修前一个月，应保证经纬仪、GTC2型探空数据接收机工作正常，大修前一星期，探空数据接收机每天07、19时次同步观测，以便清楚了解备用设备工作状态。

4）按照《贵阳高空气象探测应急预案》做好应急工作，站领导及业务骨干全程参与，保证大修工作顺利进行，业务工作正常切换。

5）在各级媒体加强宣传和新闻报道。

6）大修完成后，密切监视雷达工作状态，及时分析探测资料质量，实事求是评估大修完成后L波段探空雷达质量效益及其改进措施。

经过改建的探空业务平台宽敞明亮整洁舒适，为雷达机箱、驱动箱、检定箱及计算机系统、GTC2探空数据接收机等预留了充足的空间；按照合理分工、各司其职配合做好大修雷达的拆收，替换雷达安装、调试、标定，对比观测等工作。

2011年8月，受中国气象局委托贵州省气象局监测网络处等单位组成的安装验收测试组对贵阳GFE（L）1型二次测风雷達系统现场安装、产品技术要求、系统性能稳定性、主要性能参数、技术指标、系统软件功能等项目进行了现场检查。形成《贵阳GFE（L）1型二次测风雷达安装测试报告》。测试组一致认为贵阳L波段雷达探测系统各项技术指标符合《GFE（L）1型二次测风雷达产品验收规范》中有关产品技术要求，运行性能稳定，雷达系统功能设置、控制和实时显示等软件符合有关业务要求。

2 贵阳GFE（L）1型雷达探测环境影响评估分析

高空气象观测数据的准确性不仅取决于精准的观测方法，探测环境情况也十分重要。随着我国经济和城市建设的快速发展， 高空气象观测环境受到周边工程建筑、台站地理环境、同频干扰等环境因素影响日益突出。

例如，贵阳站换型前59-701系统受400MHZ同频干扰源影响，探测高度降低，严重影响温压温风向风速气象要素的准确性；障碍物在低仰角远距离使探空仪信号衰减。又如，施放场地有高大的建筑物、林木等影响施放成功率。

因此，为保证高空气象资料“三性”，客观、定量地评价高空气象站观测环境状况，对于了解观测数据的来源，进行观测数据的质量控制，实现全国高空气象台站观测环境的实时跟踪和动态管理，以加强对气象台站观测环境的保护与管理都具有重要的意义[ 11 ]。

2.1 评估依据

2000年施行的《中华人民共和国气象法》对气象设施和气象探测环境的保护作了原则规定。

2012年12月1日 起 的 实 施 的《气象设施和气象探测环境保护条例》（国务院第623号令）从国家层面首次以法律规范的形式对探测环境的保护提供依据。此后各省市地方政府依据条件出台新标准和技术指标。

2007年中国气象局气象制定了《气象台站观测环境综合调查评估方法（试行）》，2013年中国气象局修订完善了《国家级地面气象观测站和高空气象观测站探测环境调查评估方法》[ 12 ]。

笔者2010年依据2007版《试行》规定主持了中国气象局《贵阳高空气象站环境评估报告书》的测绘和报告书编写工作。

本文以《常规高空气象观测业务规范》，《气象探测环境保护规范 高空气象探测站》（GB 31222一2014）和最新版本《国家级地面气象观测站和高空气象观测站探测环境调查评估方法》对本站L波段雷达探测环境进行分析评估。

2.2 评估内容和方法

主要内容包括台站基本情况、下垫面地貌概况、高空观测环境评分。环境调查以GFE（L）1型雷达为中心，雷达障碍物角度用GYR1型电子式光学经纬仪以方位每间隔2°测量遮蔽障碍物。

经纬仪仰角测量范围：0～90°，方位角测量范围：0～360°，测量精度0.1°，测量误差≤±0.1°。

2.3 评估结果分析

2.3.1台站基本情况

表1列出了贵阳探空站迁站及探测方式的历史变迁。从表中看出，历经5次迁址，贵阳真正开始高空全气象要素探测始于1955年10月20日。1967年12月1日迁站烂泥沟后，使用59-701高空探测方式，标志进入现代高空探测，这一基本方式终止于2002年12月31日，达45年。1990年1月迁至贵阳市指光洞后，2003年1月1日正式投入使用GTS1型L波段雷达探测系统。因本文论述主旨关系，在此只作简单介绍。

2.3.2下垫面地貌概况

测站半径100公里范围内地貌上属以山地、丘陵地貌为主的丘原盆地地区，平均海拔高度1250米。其中山地面积4217.97平方公里、丘陵面积2842.37平方公里，各占土地总面积的52.3%和35.2%；坝较少，仅911.98平方公里，占土地总面积的11. 3%；此外还有约1.2%的峡谷等地貌。耕地：占土地总面积的35.91%，园地：占土地总面积的0.70%，牧草地：占土地总面积的3.59%，水面：占土地总面积的1.89%，其中河流水面4421.27公顷、水库水面9255.28公顷和坑塘水面1 570.42公顷，分别占水面的29.19%、60.51%和10.30%。

2.3.3台站环境

贵阳探空站位于贵阳东山紫光洞山上（扶风东路92号），26°35′N， 106°44′E，水银槽拔海高度1223.4米，探测系统天线拔海高度1226.0米。东西长约150米，南北宽约70米。山上有多普勒雷达站、贵阳基准站、贵阳市农网中心、贵阳市气象科普园基地等单位。

贵阳市气象局探空雷达处于地面基准站观测场（地基抬高3m）中心区域草坪靠北边缘。SSW方向的天气雷达主楼及WNW方向约270米位置的贵阳电视发谢塔对探空气球施放点的选择有一定影响[ 13 ]，此外，周边的生长茂盛的树木对施放也有一定影响。测站距离贵阳龙洞堡机场8.6千米。

与周边探空站位置及距离：重庆（N，330km），怀化（ENE，351km），桂林（ESE，394km），河池（SE，256km），百色（S，306km）昆明（WSW，427km），威宁（W，246km）宜宾（WN，309km）。

2.3.4施放环境影响分析

图1为贵阳探空站雷达天线障碍物遮蔽图。从图示可以看出天线障碍物遮蔽仰角>5°和>2°情况，L波段雷达探测历史（2003-2010年）各方位雷达最低工作仰角。

天线四周仰角>5°障碍物累计遮挡方位52°，方位占比14.4%，主要影响障得物有天气雷达站建筑楼群及周围林木，方位S～WSW，方位范围累计24°，最高处多普勒天线圆球顶方位220°，仰角38.5°，偏西方向为贵阳电视发视塔方位范围累计7°，塔顶最高处方位290°，仰角33.7°，位于观测场距离L波段雷达约20米的自动气象站风塔方位范围累计6°，风塔响方位15°，最高仰角10.7°。

测站盛行风下风方向120°范围内仰角>2°障碍物累计遮挡方位58°，主要为包括前述遮蔽建筑物及环绕观测场边缘的林木，集中在S～W及NE一带，L波段雷达天线其余方位山脉丘陵较远，仰角大都在3°以下，尤其在方位65～170°范圍内，仰角<2°，对施放和信号强弱影响很小。

雷达探测历史（2003～2010）最低仰角曲线可以看出，方位（42～125°）之间，雷达最低工作仰角几乎均<10°，大约90°±20°范围，仰角<7°，记录集中在冬季12月至次年2月之间，这是因为主要受地转偏向力和冬季高空风强劲的西风带共同作用，探空仪飞行距离远，仰角低，信号逐渐衰减，实际探测时发现100hpa后飞点增多，影响探测数据质量。

方位（150～360～10°）之间，<15°雷達最低工作仰角<28°，平均>20°，夏半年受副热带高压影响西风带减弱，受偏南风影响，高空风相比较冬季迅速减小，探空仪飞升距离缩短，仰角较高，回波信号强，若雷达性能优良，维护保养良好，地面接收到的T、P，U信号飞点极少，探空信号质量高。

当风向以东南方为主，介于130～170°之间时，最低仰角达到25°以上。方位（10～42°）、方位（120～150°）之间，分别受高空SW、NW风影响时，最低仰角浙次行从约20°降至10°左右。高空风渐次向强西风带过渡阶段，探测信号将随着探空仪斜距增大仰向偏低而减弱。

规范要求放球场半径50m范围内平坦空旷，雷达距SE方主放球区域40～47m，基本能满足施放条件，当NE、偏E风较大时，由于近处建筑和林木，风压使探空球平移或下坠被挂破（举例），探空仪碰撞摔坏，造成重放。若风速>5m.s-1，采用 型放球器，增加施放成功率。

副放球区域距离较远>70m，为偏S风施放场地，南北向空旷，夹在储氢房、农网中心及地面高空观测站之间，若SW>6m.s-1，使用长达33m的探空绳，需尽量移至最远处，防止阵风将球刮碰至农网房顶上；此外，若因风大使用大风放球器，雷达仰角自动跟踪超出下限（负仰角< 6°），放出易丢球，此时应将雷达方位对准探空仪，仰角抬升至0～2°附近，调整摄像头最大范围，天控处于手动状态，施放后探空仪升至镜头中央附近，再切换自动即能施放成功。

2.3.5环境影响评分

高空探测环境采用百分制分8项（代码G1～G8）各项按影响分值进行评估，表2列出了代码定义和评分标准。根据调查统计共计得分74分，基本满足雷达探测环境要求。

扣分26分，G1=-2.2，G2=-9.8，G3=-5，G4=-3，G6=-6。

G2、G3对探空仪施放有影响，2003～2010年，共发生6次施放失败案例，4次较大东北风，东风时球被挂破，或探空仪被撞。2次发生在较大偏南风时，探空仪施放时撞坏重放。

G8为氢气安全项，主要由于地面、探空业务楼离制氢室较近，农网中心（原省气象计量检定所）毗邻，被扣5分。由于本站业务用氢采用购氢方式，只要严格执行运输、储存，使用氢气相关规范，可以达到安全的要求。

G4为雷达探测历史最低仰角与障碍物拟合曲线交叉次数，反映回波信号受减弱甚至失真，历史统计时段为3次。

G5为设台执照和频率干扰项，由于取得了1675MHZ专用频段并保证无同频干扰源，使得影响探测精度的最重要因素电磁环境得以保障。

3 讨论与结论

本文实例介绍了贵阳GFE（1）型二次探空雷达大修及技术要点。雷达维护的好坏，标定的准确度关系探空资料的真实性。中国局及省局业务主管部门要加强对基层探空站的技术指导。建议对技术薄弱探空站每年年检时由厂家对台站雷达实行一次全面检查。

介绍了贵阳高空观测站历史变迁，迁站L波段台站下垫面地貌、周边环境、台站环境。重点分析了雷达障碍物遮蔽情况及其对施放的影响。8项指标分总分74分。电磁环境优良，用氢安全有较好保障，2014年砍除东南方向高大林木，改善了施放环境。例如对台站天气雷达楼等建筑，采用结合风向特点、天气状况、施放方式（大风放球器、绳子）、初始跟踪方式（手动，自动）和室内外密切配合综合分析，即可最大限度避免和减少丢球。

与地面探测环境仪器的多样性不同，高空探测以单一的二次雷达为最主要方式。因此采用以雷达安装点天线中心周边探测环境进行分析评估方式满足世界气象组织（WMO）对于评估要求的科学性。采用计分法可以直观有效地大致反映高空气象探测的环境影响状况。但是就各個台站而言，对探空资料质量的影响并不是均匀的。调查分析评估的目的是为了取得准确的探空资料，因此建立起探测环境与实际探测资料影响的关系评估系统，从大背景和小环境两个角度对探测环境状况和变化进行综合分析评估更实用有效。

对高空探测环境调查与评估，对于确保全面了解气象高空观测环境现状，积累观测环境基本资料、建立高空站观测环境动态管理档案，观测环境的实时跟踪和动态管理，加强对高空台站观测环境的保护与管理。有利于今后建立科学的气象观测环境保护标准。

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作者简介：

闵昌红（1966-），男，贵州遵义人，本科，工程师，从事综合气象观测工作。