周嘉健，黃桂燁，呂玉嫦，徐黃飛，鄒慶彪，曾慧明

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

多普勒天氣雷達是目前對中小尺度天氣系統(tǒng)探測的重要手段之一，其探測距離遠、探測結(jié)果精細(xì)和可全天候觀測等特點，使其在天氣預(yù)警預(yù)報和強對流天氣過程監(jiān)測起重要作用［1］。目前國內(nèi)外已有不少學(xué)者對雷達選址技術(shù)和波束遮擋分析開展了相關(guān)研究。在國外，Gabella等［2］利用DEM數(shù)據(jù)和幾何光學(xué)原理，建立了雷達波速遮擋模擬方法；Bech等［3］結(jié)合探空資料中的氣壓和溫濕度廓線，計算并模擬了雷達探測波束遮擋系數(shù)。在國內(nèi)，鄧志等［4］對雷達站址四周遮擋的經(jīng)緯度、海拔高度進行人工觀測和記錄后計算雷達單站遮擋仰角和等射束高度圖；趙瑞金等［5］采用地理信息系統(tǒng)獲取雷達遮擋數(shù)據(jù)方法，結(jié)合選址分析軟件，提高選址的工作效率；郭林輝［6］利用GlobalMapper軟件，加載數(shù)字高程模型，使用視距分析功能實現(xiàn)對選址點的覆蓋情況分析；伍建強［7］分析機場多普勒雷達選擇應(yīng)考慮其探測微下?lián)舯┝?、低層風(fēng)切變和陣風(fēng)鋒所能起到的作用；王蓓蕾等［8］結(jié)合暴雨過程，得出組網(wǎng)觀測系統(tǒng)中雷達彼此間隔為35～45 km，基于此間距，通過綜合分析，明確廣州X波段雙偏振相控陣天氣雷達組網(wǎng)建設(shè)站址；王曙東等［9］、柳云雷等［10］利用SRTM數(shù)字高程數(shù)據(jù)對全國新一代天氣雷達開展了地形遮擋和覆蓋能力計算和分析；吳彬等［11］基于DEM數(shù)據(jù)的多普勒天氣雷達波束遮擋率計算原理和方法，利用C#編程語言設(shè)計和開發(fā)了雷達波束遮擋率計算與可視化仿真系統(tǒng)；戴春容等［12］利用SRTM3高分辨率的DEM對佛山市已建成的4部X波段雙偏振雷達進行地形遮擋分析。

本研究利用SRTM高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，計算廣東省11部SA多普勒雙偏振天氣雷達的雷達遮蔽角和等射束高度，獲取雷達遮擋情況（如探測凈空面積、方位遮擋率等參量），最后利用廣東省氣象地理信息服務(wù)平臺的GmMap API將等射束高度圖展示在GIS地圖上，更為直觀地體現(xiàn)雷達周邊環(huán)境。

1 數(shù)據(jù)來源

雷達四周地形遮擋計算主要依賴于雷達覆蓋區(qū)域內(nèi)地形高程資料，高程資料的準(zhǔn)確性以及雷達站的實際經(jīng)緯度、饋源海拔高度等參數(shù)均影響遮擋計算。本研究所使用的SRTM高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（www.gscloud.cn）。該數(shù)據(jù)是目前國際上使用的主要高程數(shù)據(jù)之一，總體可靠性較高［11］。

GIS地圖是來源于廣東省氣象地理信息服務(wù)平臺的GmMap API接口，該接口目前是面向公眾服務(wù)類網(wǎng)站，并且對調(diào)用次數(shù)沒有做限制。

2 原理與計算

2.1 技術(shù)原理

圖1為本研究的技術(shù)路線圖，如圖1所示，根據(jù)站點信息（站名、經(jīng)緯度、天線饋源高度和探測距離）和地形數(shù)據(jù)，通過遮蔽角（式（1）［13］）和等射束高度計算公式（式（2）［13］）獲得相應(yīng)的計算值，最后將計算結(jié)果展示在GIS地圖上。

圖1 技術(shù)路線流程示意圖

其中，ha是雷達天線高度（距海平面）的垂直距離（m）；h是障礙物高度（m）；d是障礙物與雷達的水平距離（m）。

其中，r是最大探測距離（m）；h為天線高度（km）；α為遮蔽角（°）；H為觀測高度（km）。根據(jù)遮蔽角α，分別設(shè)置H為1、3和6 km［4］，計算雷達最大觀測距離。

2.2 統(tǒng)計參數(shù)（方位遮擋率）

根據(jù)中國氣象局《新一代天氣雷達選址規(guī)定》提出對雷達選址工作的其中一個要求是新一代天氣雷達站址近處四周無高大建筑物、山脈、高大樹林等的遮擋，在雷達主要探測方向上（降水過程的主要來向）的遮擋物對雷達天線的遮擋仰角不應(yīng)大于0.5°，對個別孤立障礙物可適當(dāng)降低要求。因此，本研究定義方位遮擋率為大于0.5°的方位數(shù)與所有方位數(shù)的比值。設(shè)方位分辨率為1°，則共有360個方位，令M=360，則其計算公式可表示為

其中，AOR 是方位遮擋率（Azimuth Occlusion Rate，AOR）；Ai是遮擋仰角大于0.5°的方位，∑（Num（Ai）是對360°內(nèi)出現(xiàn)遮擋仰角大于0.5°的方位個數(shù)進行求和，Num（AM）是擬建站點360°內(nèi)方位總個數(shù)，與設(shè)置的方位分辨率有關(guān)。

3 可視化仿真與分析

根據(jù)圖1的計算流程，通過廣東省11臺雙偏振多普勒天氣雷達的站點信息和從中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲取的SRTM高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)計算出各站點的1 km高度等射束高度圖，并將該結(jié)果展示在在線的GIS地圖上，結(jié)果見圖2所示。

圖2 廣東省11臺雙偏振多普勒天氣雷達1 km高度等射束拼圖

由圖2可見，靠近沿海的戰(zhàn)湛江、陽江、深圳和汕頭、汕尾等多個地方的雷達4周凈空環(huán)境良好，而靠近粵北的韶關(guān)、連州和肇慶的雷達四周存在較多遮蔽，但總體而言，11臺雙偏振多普勒雷達可將廣東省全面覆蓋。

表1給出廣東省11臺雙偏振多普勒天氣雷達在仰角0.5°和1.5°時的方位遮擋率，方位角度分辨率是1°，共360個方位。

表1 廣東省11臺雙偏振多普勒天氣雷達的方位遮擋率統(tǒng)計表

從表1結(jié)果可見，隨著仰角的提高，各雷達站的方位遮擋率逐漸變小。同時個別站，如肇慶、連州和韶關(guān)，在仰角為0.5°時的方位遮擋率較高，3個站的方位遮擋率依次可達26.39%，28.06%和38.33%；而在1.5°仰角時3個站的方位遮擋率依次為1.11%、1.39%和1.11%。

為了驗證計算結(jié)果是否合理和正確，本研究選取了肇慶雷達站、連州雷達站和韶關(guān)雷達站各站的基數(shù)據(jù)PPI雷達圖與遮擋計算結(jié)果進行分析，由于隨著仰角提高，地勢地形的影響就會減少，因此選取的均是0.5°仰角時的基數(shù)據(jù)PPI雷達圖，結(jié)果如圖3所示。

由圖3a可見，雷達的北向、東南向和西南向3個紅圈對應(yīng)的“缺角”是由于地形的因素造成無法探測，結(jié)合圖3b可以看出，兩個圖中紅圈對應(yīng)的位置基本一致。

由圖3c可見，雷達的東北偏東方向、東北偏西方向、西南向和西北偏西方向的4個紅圈出現(xiàn)了“缺角”，并結(jié)合圖3d可見，兩個圖中紅圈對應(yīng)的位置基本一致。

由圖3e可見，雷達的北偏東方向、東南向、西南向和西北偏西方向的4個紅圈出現(xiàn)了“缺角”，同時結(jié)合圖3f可見，兩個圖中紅圈對應(yīng)的位置基本一致。

圖3 肇慶（a、b）、連州（c、d）、韶關(guān)（e、f）雷達站1 km等射束高度圖（a、c、e）和數(shù)據(jù)PPI雷達圖（b、d、f）

本研究利用高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)（SRTM），計算廣東省11臺雙偏振多普勒天氣雷達的環(huán)境遮擋情況和給出各站的方位遮擋率，并將等射束高度拼圖在GIS地圖上作可視化展示，使遮擋結(jié)果更為直觀地呈現(xiàn)出來。同時為了驗證遮擋計算結(jié)果是否具有可用性，利用基數(shù)據(jù)雷達圖進行對比分析。根據(jù)0.5°仰角的方位遮擋率計算結(jié)果可見，肇慶、連州和韶關(guān)3個地方的雷達方位遮擋率較高依（次為26.39%、28.06%和38.33%），因此本研究選取肇慶、連州和韶關(guān)3個地方進行驗證。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各站點的遮擋計算結(jié)果與基數(shù)據(jù)PPI雷達圖具有較好的一致性，這說明計算結(jié)果是有效的、可用的。