X波段多普勒双偏振天气雷达选址方法

陈 星，李 力，饶传新，张子明

(1.宜昌市气象局，宜昌 443000；2.湖北省气象信息与技术保障中心，武汉 430074；3.五峰县气象局，五峰 443413)

0 引言

雷达是有效的遥感系统，在天气观测、灾害性天气探测、降水的分类和量化以及预报过程中起着关键作用，所以其探测能力尤为重要[1，2]。天气雷达探测能力是指雷达能够探测到气象目标如云和降水的多少、能够探测到的最大距离以及采样精度等[3-5]。理论和实践表明，雷达探测能力不仅受雷达参数、各类衰减和降水云性质等因素的影响，也受到雷达站四周人工建筑障碍物和山脉的影响。近10 a城市快速发展，人工建筑障碍物逐年增多，严重地影响了雷达的探测能力，某些方位甚至成为盲区。文章利用等射束高度图可以准确、定量地了解雷达各个方向上的探测能力。

1 遮蔽角图

1.1 遮挡角分布图

遮挡角分布图又称作遮蔽角图，是指根据雷达站址四周自然和人工建筑障碍物遮挡的情况，绘制出遮挡角随方位的变化图[6，7]。

1.2 计算遮蔽仰角

遮蔽仰角计算依据标准大气的雷达测高公式：

H=h0+Rsinδ+R2/17，000

(1)

式中，δ为阻挡仰角(单位：°)；h0为天线距地面的高度；H为地物的高度；R为站点到地物的斜距(单位：km)。由公式(1)可以得到公式(2)：

δ=sin-1[(H-h0-R2/17，000)/R]

(2)

由实测的H和R，可以计算出δ值。

2 等射束高度图

等射束高度图可以根据雷达站四周地形、地物，考虑其阻挡作用，绘出某一高度的目标能被雷达波束照射到的随方位变化[8，9]的最大距离。根据标准大气的雷达测高公式，计算不同方位的雷达等射束高度最大探测距离，见公式(3)：

式中，R为等射束高度最大探测距离；H为指定的海拔高度；h0为天线馈源海拔高度(单位：km)。令H=1 km，3 km，6 km，根据阻挡仰角δ即能得到雷达不同方位的探测距离。

3 数据获取与绘图

通过以下方法获取遮蔽角图与等射束高度图所需的原始数据[10，11]：

1)利用北斗卫星导航系统(BDS)或全球定位系统(GPS)测量经度、纬度和海拔高度等地理信息数据，精确读取雷达站的经度、纬度和海拔高度。

2)利用高分辨率地图，通过数字高程模型(DEM)获取自然障碍物遮挡的经度、纬度和海拔高度等数据；经度和纬度读取到0.1°，距离读取到1 km。并且处理成“多普勒雷达客观选址软件”所需要的格式。

3)通过经纬仪实地测量四周人工建筑障碍物遮挡仰角，测距仪测量四周人工建筑障碍物距离，从正北开始，顺时针方向每隔1°方位角获取1次测量数据。需要注意的是，经纬仪实地测量的数据还需要按遮挡仰角订正公式(4)进行订正，将海拔高度订正到与天线馈源同一高度[12-15]。

δ1=sin-1[(Rsinδ0-Δh)/R]

(4)

式中，δ1为订正后的遮挡仰角(单位：°)；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(单位：km)。

获取数据后，以拟选站址为中心，半径分别为100 km，200 km，300 km，400 km绘制距拟建雷达馈源1 km高度和海拔高度3 km，6 km的等射束高度图，处理流程如图1所示。

图1 等射束高度绘图流程

4 雷达选址应用

遮挡角分布图、等射束高度图及等射束高度拼图在雷达选址中有重要的作用。文章以湖北省宜昌市五峰X波段雷达选址为例进行说明。五峰X波段双偏振多普勒天气雷达是中国气象局2021年气象监测预警补短板工程的重要建设内容，减少了新一代天气雷达监测盲区。选址专班从勘察现场基础条件、净空条件、生态红线、电磁环境、弥补盲区等方面综合考虑[16]，拟选了3个条件较好的站址，如表1所示。

表1 3个拟选站基本情况

4.1 遮挡角分布图与等射束高度图应用

利用GPS测量拟选站的经纬度及海拔高度，并以测站周围150 km的圆形范围定位DEM数据，结合经纬仪实际测量获取原始数据，制作出从3个拟选站址的雷达遮蔽角图，具体分析如下：

1)打磨山拟选站址四周仅有较少高山遮挡，净空条件较好，理论上能够覆盖五峰全境。当打磨山拟选站址天线架高为10 m时，方位138°～182°有不大于1.27°的仰角遮挡，方位214°～242°及方位255°～346°有不大于1.84°的仰角遮挡，遮挡仰角集中在1°左右。方位243°～254°有不大于2.21°的仰角遮挡，2°以上遮挡仰角的方位角仅为11°，影响范围较小(图2)。

图2 打磨山拟选站遮蔽角图和等射束图(a)遮蔽角图；(b)等射束高度图

(候选站址：打磨山；经度：110°59′11″E；纬度：30°10′37″N；海拔高度：1010m；天线架高：10m)

2)火田坑拟选站址四周有较少高山遮挡，净空条件较好，理论上也能够覆盖五峰全境。当火田坑拟选站址天线架高为10 m时，方位199°～271°有不大于1.48°的遮挡，方位298°～351°有不大于1.73°的遮挡，方位272°～297°有不大于2.28°的仰角遮挡，2°以上遮挡仰角的方位角为25°，较打磨山拟选站址影响范围稍大(图3)。

图3 火田坑拟选站遮蔽角图和等射束图(a)遮蔽角图；(b)等射束高度图

(候选站址：火田坑；经度：110°55′53″E；纬度：30°15′27″N；海拔高度：1250m；天线架高：10m)

3)黑桃垭拟选站址四周有部分高山遮挡，净空条件相对较好，位于五峰县中西部区域但相对五峰县东部区域拟选站打磨山及火田坑稍差，理论上能够覆盖五峰全境。当黑桃垭拟选站址天线架高为10 m时，方位207°～356°有6°左右的遮挡，遮挡仰角集中在5°以下，但个别方位仍存在有7°，9°，17°，20°左右的遮挡(图4)。

图4 黑桃垭拟选站遮蔽角图和等射束图(a)遮蔽角图；(b)等射束高度图

(候选站址：黑桃垭；经度：110°37′27″E；纬度：30°07′33″N；海拔高度：1598m；天线架高：10m)

4.2 等射束高度拼图的应用

五峰县地处鄂西南，属武陵山脉和秦巴山脉向江汉平原的过渡区，全境皆山，以喀斯特地貌为主，地势由西向东逐渐倾斜，沟壑纵横，最高点白溢寨顶峰—黑峰尖海拔2，320.3 m。从现有雷达网1 km等射束高度拼图可以得出：宜昌、恩施雷达站在五峰县境内均存在监测盲区，集中在五峰县西部地区，不能实时准确监测暴雨、强对流等灾害性天气过程变化，而预设的X波段雷达在一定程度上能够减少观测盲区。

五峰县平均海拔1100 m，五峰东部地区平均海拔600～800 m，西部地区平均海拔在1300～1600 m。经过高分辨力地图精选与实地勘探发现，中西部地区条件较优越的预选站点如黑桃垭拟选站，虽然海拔高达1598 m，但近距离高山峰顶较多，净空条件并不及打磨山拟选站，且对低层天气过程无法探测。而打磨山拟选站距宜昌雷达直线距离约71 km，距恩施雷达约166 km，通过拟预布设雷达等射束高度拼图(1.0 km)可以得出：此预选站在一定程度上能够辐射到西部地区，并且对东部和湖南范围起到了一定的弥补作用，便于探测低层天气过程，一定程度上能够提高气象灾害预报预警准确性和气象保障服务的时效性。

4.3 选址结论

通过对比分析可以得出：打磨山拟选站和火田坑拟选站净空条件较好，理论上都能够覆盖五峰县全境，但五峰县天气过程主要集中在方位角180°～300°的区域，此范围内打磨山2°以上遮挡仰角的方位角仅为11°，较火田坑2°以上遮挡仰角的方位角25°影响更小；黑桃垭拟选站海拔虽高，净空条件相对较好，但是接近三分之一的探测范围效果不佳。确定打磨山为五峰县X波段双偏振多普勒天气雷达首选站址。

5 结束语

文章通过绘制和分析五峰县X波段多普勒双偏振天气雷达拟选站址的遮蔽角图和等射束高度图，对五峰县天气雷达3个拟选站址遮挡情况和探测能力进行了定量比对和定性研究，应用等射束高度拼图减少了雷达拟选站址的探测盲区，为天气雷达选址提供了重要参考价值。