X波段多普勒天气雷达选址技术应用研究

陈 星，李 力，陈新桃，饶传新

（1.宜昌市气象局，湖北宜昌 443000；2.湖北省气象信息与技术保障中心，湖北武汉 430074；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002）

0 引言

天气雷达是监测、预警突发灾害性天气的有效工具，能够显著提升预报、预警水平。从全国范围看，我国现阶段虽然基本覆盖新一代天气雷达［1］，但由于地理环境差异，仍有许多地区存在盲区。此外，随着城市化不断发展，某些站点的探测环境会形成一些新的遮挡和盲区，也在一定程度上影响了雷达监测能力。然而，X 波段多普勒天气雷达系统建成后，将有效弥补新一代天气雷达监测的空白和缝隙［2-3］。

现阶段，X 波段多普勒天气雷达选址均参考S 波段天气雷达方法。例如，邓志等［4-5］使用经纬仪和小比例地图测得雷达站周围的阻挡角，然后根据雷达测高公式计算等射束高度遮挡情况及探测能力，但该方法效率较低且人工测量误差较大。周嘉健等［6］基于SRTM 地形数据开发天气雷达地形遮挡分析系统，但在精细化处理地理信息等方面存在不足。以上研究表明，X 波段多普勒天气雷达的选址技术尚不成熟［7-8］，存在地理信息数据获取困难，数据易于缺失的情况。

为了解决以上问题，本文结合地理空间数据云平台（Geospatial Data Cloud，GSCloud）和图新地球（LocaSpace Viewer，LSV）软件，提出一种精细化X 波段多普勒天气雷达选址方法［9-10］。首先利用LSV 软件进行站址初选，在实地勘探确定拟选站点后，通过LSV 软件制作站点缓冲区，并在GSCloud 平台上下载包含缓冲区外接正方形区域的地理数据；然后通过LSV 软件对地理数据进行处理；最后根据地理信息数据，绘制雷达遮挡角分布图及等射束高度图［11-13］。实践结果表明，本文所提出的方法操作简单、鲁棒性强，可用性高，能够辅助X 波段多普勒天气雷达进行选址。

1 选址基本要求

新建X 波段多普勒天气雷达应满足气象监测、预警的服务需求，尽可能在天气系统主要来向和重要服务区域选址，以便于统筹布局周边地区天气雷达，弥补雷达低空探测盲区，实现组网协同观测。

1.1 组网协同观测

X 波段多普勒天气雷达站址与相邻雷达站址之间的距离应满足雷达探测能力和组网协同观测要求，即50～75km 间。在灾害性天气频繁发生、城市重点服务地区，可减少至30km 以内。

1.2 工作区内的较高点

雷达选址时，通常会选择工作范围中心位置海拔较高的地点。虽然，可通过增高雷达站或建设铁塔来提高雷达的探测范围，但此方法成本较高，因此选取选择海拔较高的地点建设雷达，才是减少雷达探测“盲区”的最佳手段。

1.3 配套设施

选址时应充分考虑供电、通信、道路、地质、水文、雷电等条件是否符合站点建设及维护要求。然而，在实际选址时制高点常常处于高山之上，交通不便，并未具备水、电等条件，因此对前期建设及后期维护工作造成困难。

1.4 电磁环境及其它因素

选择雷达站址是一项系统性工程，不但要满足净空环境的基本要求，还需综合考虑电磁环境、环境保护、投资概算等因素。

具体的，X 波段雷达应保证在雷达中心频率±25MHz范围内无干扰；候选站址应与周边高压输电线路、高压变电站和电气化铁路等电磁干扰源保持安全距离；应尽量避开敏感区域。

2 GSCloud与LSV

2.1 GSCloud

GSCloud 是国际先进、国内最具影响力的地学大数据平台，汇聚数十颗国际遥感卫星数据和国内资源、高分系列陆地观测卫星数据，可免费下载多类型数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数 据。例 如，SRTMDEMUTM 90M 分辨率数字高程数据、GDEMV3 30M 分辨率数字高程数据、ASTER GDEM 30M 分辨率数字高程数据等。

2.2 LSV

LSV 是一款专业的三维数字地球软件，具有超大规模地图数据承载、强大的数据管理与编辑、地形高级分析与数据转换处理等能力，在三维GIS 领域为雷达选址提供强大的技术支撑。

在实际选址过程中，首先利用LSV 软件的地图高级分析功能初选雷达站址；然后对GSCloud 平台地理信息数据进行数据转换，为X 波段多普勒天气雷达选址提供数据支撑；最后，结合实际勘探情况确定选址地点。

3 精细化选址

3.1 初选与建立缓冲区

雷达站址初选时，首先根据周边新一代天气雷达探测盲区与相邻X 波段多普勒天气雷达站的协同观测需求；然后在LSV 软件上确定粗选范围，并在此范围内绘制等高线以粗略定位海拔较高点；最后经过实地勘探、比较以确定拟选站点。

在LSV 软件中根据雷达站的经度、纬度和拔海高度对拟选站址进行定位，并以该地点为中心，建立缓冲区。由于雷达型号不同，缓冲区宽度数值会存在差异。例如，X波段多普勒天气雷达的有效探测距离范围为75～100km，圆弧每个分段角度设置为0.5°，因此缓冲区为一个半径为100km 的圆形，如图1所示。

Fig.1 Schematic diagram of buffer zone图1 缓冲区示意图

3.2 数据采集

在GSCloud 平台上，数据集选择“ASTER GDEM 30M分辨率数字高程数据”，空间位置选择“经纬度”“行政区”“地图选择”“矢量文件”“条带号”等方式。考虑到数据处理效率和拟选站通常跨越多个行政区的情况，本文选择经纬度方法进行实验。

通过查阅缓冲区属性样式获取外接边界信息，并在GSCloud 平台上输入边界数据对应的经度、纬度以获取缓冲区的外接正方形边界，如图2所示。

Fig.2 Schematic diagram of buffer zone图2 缓冲区示意图

由图2 可见，缓冲区外接正方形区域包含多省数据，下载的6 条数据均大于缓冲区内的数据。由于后续要在LSV 软件中对6 块地形图进行地形拼接、高程数据提取等操作，并且便于提取缓冲区内的高程数据，本文将下载的6条地物信存储为.lrp文件。

3.3 数据提取与格式转换

在LSV 软件选择“测量—提取高程点”，选中已绘制的缓冲区，绘制范围选择“选择面”，模式为“基于图层数据精确提取”，提取来源为“宋家山ASTER GDEM 30M 离线地形包”，“采样间距”根据精细化程度自行设置，导出拟选址坐标系的“经纬度”。图3 为地理信息数据提取界面，经度和纬度精度到小数点后一位。

LSV 软件导出的高程数据为CSV 格式，为了便于后续对数据进行处理，会先将其转换为.txt格式。

Fig.3 Geographic information data extraction method图3 地理信息数据提取方法

当数据量过大时，Excel 软件处理数据会导致部分数据丢失，现阶段一般采用MATLAB 软件或将Notepad 与Excel 软件相结合对数据进行处理。但由于Notepad 软件处理.txt 文件时未设置行数限制，因此需要先将CSV 文件进行分段保存，再将分段后的CSV 文件利用Excel 进行格式处理，最后将处理完成的分段数据整合至.txt文件中。

3.4 障碍物仰角

通过经纬仪、测距仪分别测量周围建筑障碍物的遮挡仰角与距离，从正北方向开始，顺时针方向间隔1°采集一次数据。然而，经纬仪测量的数据需要先根据式（1）将海拔高度校正到与天线馈源同一高度。

其中，δ1为校正后的遮挡仰角，R为地物到站址的距离，δ0为实测的遮挡仰角，Δh为拟建雷达天线馈源与测量位置的高度差。

3.5 遮挡角分布图及等射束高度图

以拟选站址为中心绘制遮挡角图，并分别以20km、40km、60km、80km 半径，绘制距拟建雷达源1km、3km 海拔高度的等射束高度图。

4 实验结果与分析

湖北省阳新县距武汉雷达直线距离约100km，境内山脉多，地形遮挡造成雷达站在阳新县境内存在监测盲区，无法实时准确监测暴雨、强对流等灾害性气候，故考虑在阳新县增设一部X波段双偏振多普勒天气雷达。

通过LSV 软件初步选址地点为宋家山（经度115°15′56″，纬度29°45′56″，海拔高度459m）。为此，本文利用精细化选址方法，结合GSCloud 平台及LSV 软件制作宋家山100km 内的地理数据，并输入至选址工具“客观选址软件”中进行数据处理。以宋家山为中心，绘制雷达遮挡角分布图及等射束高度图如图4所示。

由图4 可见，宋家山存在5 处遮挡仰角略大于1°的位置，大多集中在南面。

Fig.4 Radar occlusion angle distribution map and iso-beam height map图4 雷达遮挡角分布图及等射束高度图

具体的，宋家山南部集中在方位角140～190°区域的探测能力稍弱，遮挡最严重的方位其1km 高度的主体探测距离为38km；北部方位角314°、335°、44°处存在3 处遮挡，遮挡最严重的方位其1km 高度的主体探测距离为51km；宋家山拟选站海拔3km 高度主体探测距离最小为82km。综上所述，宋家山整体较为适合建设X 波段多普勒天气雷达。

5 结语

X 波段多普勒天气雷达站址是一项系统性工程，需要统筹考虑基础条件、净空环境、建设成本等多方面因素。本文利用GSCloud 平台和LSV 软件提出一种精细化X 波段多普勒天气雷达选址方法。

首先利用LSV 软件完成站址初选并确定雷达工作区；然后基于GSCloud 平台采集ASTER GDEM 30M 分辨率数字高程数据，并结合LSV 软件制作与雷达工作区对应的精细地理信息数据；最后根据实际勘探结果确定选址地点。此外，在绘制雷达拟选站的遮蔽角图和等射束高度图时，基于GSCloud 平台和LSV 软件的X 波段多普勒天气雷达选址技术显著提升了数据采集的准确率和效率。

实验表明，该方法简单、准确、可操作性强、鲁棒性高，能够较好地辅助工程技术人员对X 波段多普勒天气雷达进行选址，并能够在最大程度上发挥X 波段多普勒天气雷达的探测能力。