基于SRTM地形数据天气雷达地形遮挡分析系统开发及应用

周嘉健，徐黄飞，邹庆彪，汤晶晶，刘艳中

(广东省气象探测数据中心，广东 广州510080)

1 引 言

多普勒天气雷达(后简称为天气雷达)是目前天气过程观测，如台风、暴雨等中小尺度天气过程的重要探测手段之一，其观测数据对天气预报业务起着关键的作用。

天气雷达的工作原理主要是将电磁波以定向方式发射到空间中，根据空间内存在物体对电磁波的反射而获得物体的方位、高度以及其速度[1]。而天气雷达的探测能力不仅与雷达自身参数、发射功率、电磁波传播路径衰减和观测目标物性质等有关，还会受到雷达所在位置四周山体地形遮挡影响[2]。因此合理的雷达选址能更大程度地发挥出雷达的探测能力。

目前对天气雷达四周地形遮挡的分析是通过绘制遮蔽角图和等射束高度图进行分析，而天气雷达四周遮蔽角和等射束高度的计算已有相关研究，韩丹等[3]给出雷达遮蔽角计算公式及分析结果，邓志等[4]使用经纬仪和小比例地图(五万分之一比例以内)测取雷达站四周阻挡角，然后根据雷达测高公式计算等射束高度，梁钊扬等[5]利用GIS获取肇庆雷达的遮挡数据，进行遮蔽角图和等射束高度图的绘制，并人工分析肇庆雷达站四周遮挡情况及其探测能力，谢纪民等[2]介绍雷达等射束高度图并利用射束高度图人工分析运城测雨雷达的探测能力。从已有的研究可见首先拟建雷达四周遮挡情况是通过人工分析，其次当多个站点进行选址时缺少多站点拼图功能，最后遮挡分析仅考虑地形遮挡影响而缺乏建筑物遮挡影响。针对目前的不足，本文基于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台获取的SRTM地形数据，利用Matlab工具搭建天气雷达地形遮挡统计分析系统，对雷达选址中有两个重要的参数(雷达遮蔽角和等射束高度)进行计算，并实现一键智能绘图，获取天气雷达遮蔽图、各方位遮蔽角柱状图、等射束高度图及等射束高度拼图等统计分析图。同时该系统具备获取地形遮挡分析功能和人工补偿功能。地形遮挡分析功能是根据系统计算结果提供雷达探测净空面积等参数供参考，人工补偿功能是将人工现场遮蔽角观测数据加入计算结果中来完善雷达建设选址。

为落实《粤港澳大湾区气象发展规划》，弥补广东省S波段天气雷达对局地中小尺度强对流天气监测的不足，粤港澳大湾区将建设37部X波段相控阵双线偏振天气雷达组成的试验网，因此本文先通过仿真试验对系统功能进行测试，并从广东省开展实例应用。

2 计算参量与数据选取

2.1 雷达遮蔽角

雷达遮蔽角是指以雷达天线中心点和该点所在水平面为基准，在其作用范围内受障碍物遮蔽所形成的垂直张角，即雷达遮蔽角[3]。

考虑到标准大气折射和等效地球半径(8 500 km)[6]。雷达遮蔽角计算公式如下，

其中ha是雷达天线高度(距海平面)的垂直距离(m)，h是障碍物高度(m)，d是障碍物距离雷达的水平距离(m)。

2.2 等射束高度图

按照中国气象局制订的《天气雷达观测暂行规定》要求，雷达建站时应绘制四周遮挡角分布图(即雷达遮蔽角图)。同时还需要绘制站点四周1 km、3 km和6 km高度的雷达最大探测距离范围图(即等射束高度图)[7]。

等射束高度图是根据雷达站四周地形、地物等的阻挡作用，在标准大气折射条件假设下，各个方向上波束中心轴线能够到达某一规定高度的最大距离的连线图[4]。与雷达遮蔽角图相比，等射束高度图能更直接地反映测站四周地物阻挡对雷达探测能力的影响。

因此，我们根据雷达的测高公式[6]计算能够到达某一规定高度的最大距离，公式如下，

式中hb为天线高度(km)，α为遮蔽角(°)，H为观测高度(km)。根据遮蔽角α，分别设置H为1 km、3 km和6 km，分别计算雷达最大观测距离。我们在计算1 km高度的最大探测距离时可不用考虑雷达天线高度[8]。

本文在制作等射束高度图时考虑了不同波段雷达的实际探测距离不同，如X波段雷达探测有效距离为75～100 km，而目前我国业务布网的C和S波段雷达探测有效距离为150～460 km。在计算1 km、3 km和6 km高度目标物分别对应的最大探测距离约达130 km、200 km和300 km。当我们对X波段雷达进行建设选址时，考虑1 km高度目标物的探测距离就可以了，而对C、S波段雷达选址时，我们则需要把1 km、3 km、6 km高度目标物的探测距离都考虑在内。目前国内在雷达探测数据的应用方面已取得不少研究成果[9-10]。

2.3 地形数据选取

本文中利用的地形数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，其数据距离分辨率是90 m，高度分辨率为1 m。

3 系统开发与仿真试验

3.1 技术路线

本文系统建立的主要技术路线流程如图1所示，我们在输入雷达站名、雷达经纬度信息、雷达建设的高度信息和雷达的探测距离后，通过该系统可绘制出天气雷达遮蔽图、各方位遮蔽角柱状图、等射束高度图及等射束高度拼图，从而提高雷达选址的工作效率。同时，该系统具备智能分析雷达具体遮挡情况，提供分析报告，为雷达建站选址提供参考；还具备人工补偿功能可加入人工现场观测数据来完善雷达建设选址。

图1 技术路线流程图

3.2 系统仿真试验

本节通过仿真试验，对系统功能进行测试。我们随机设定两个拟建雷达站点信息(表1)，根据表1中设定的拟建站点信息输入到绘图界面中参数输入栏中，在保存参数后，进行绘图，结果如图2所示。

图2 智能绘图站点1(a)、站点2(b)系统示意图

表1 拟建站点信息表

从图2a可见，图中左侧显示的是遮蔽角图和等射束图，右侧显示的是站点位置信息和该站点所在探测范围内的地形图。从图2a中的蓝色框①所示，对于站点1，我们可进入图片导出界面，在该界面中，我们除了能获取到遮蔽角图以外，还制作了遮蔽角柱状统计图，并提高方位分辨率为0.1°，能获取0.1°方位分辨率的遮蔽角图和遮蔽角柱状统计图(图3)。

图3 站点1遮蔽角图(a、c)与各方位遮蔽角柱状图(b、d)统计图

图4a和4b分别是方位分辨率在1.0°和0.1°的条件下1-3-6 km三高度的等射束图。因为不同波段雷达的探测距离有所不同(S、C波段雷达有效探测距离为150～460 km，X波段雷达有效探测距离为75～100 km)，我们对等射束高度图进行“细化”，增加了单独1 km、3 km、6 km高度的等射束高度图，满足不同波段雷达的需求。对于站点2也一样，这里就不再重复介绍。

图4 1.0°的方位分辨率下(a)、0.1°的方位分辨率下(b)站点1在1-3-6 km三高度下等射束高度图

根据假设两个拟建站点信息，我们将展示等射束拼图功能，拼图界面如图5所示，在拼图界面中，我们可实现将已绘制过的拟建雷达站点按照雷达选址的需求选取不同类型的拼图，一般而言会选取1 km或3 km高度等射束高度。图5中显示的是站点1与站点2的1 km高度等射束高度拼图。

图5 站点1与站点2的1 km高度等射束高度拼图界面

由于目前使用的SRTM地形数据仅考虑地形对拟建雷达站点四周遮挡的影响。为使雷达选址更合理，还需要考虑建设站点四周建筑物的影响。因此系统中设计了人工补偿功能，可自行添加人工观测数据，其界面如图6所示，将人工观测的方位和遮蔽角大小输入当中则能使雷达选址不仅考虑了地形还考虑建筑物的影响，提高雷达选址的合理性。

图6 人工观测数据补偿功能界面

该系统还提供统计分析结果(图7)，分析结果中会对遮挡角大于0.5°、1.0°和1.5°的方位进行统计，并计算出不同高度(1 km、3 km和6 km)下探测净空面积和净空面积占总面积的比值。净空面积越大或净空面积占总面积的比值越大，证明雷达在该环境下的探测遮挡少，适合建站。

图7 站点探测环境净空客观分析界面

3.3 小 结

通过仿真试验对系统各功能均进行测试，可实现通过输入拟建站点基本信息后一键绘制各类统计图。同时我们对系统计算的时效进行初步统计，系统计算的时效与雷达探测距离成正比关系，

初步统计结果是计算X波段雷达(探测距离75 km)需要时间1分钟以内，计算C或S波段雷达(200 km)在2分钟以内，计算400 km的探测距离在5分钟以内，提高了雷达四周地形遮挡的分析效率。

4 实例分析

根据《广东省气象局关于印发粤港澳大湾区精准预警X波段相控阵天气雷达试验网建设方案的通知》(粤气函(2019)44号)，为服务粤港澳大湾区建设，落实《粤港澳大湾区气象发展规划》，弥补广东省S波段天气雷达对局地中小尺度强对流天气监测的不足，决定在粤港澳大湾区建设37部X波段相控阵双线偏振天气雷达组成的试验网。本节选取的3个拟建雷达站点所属大湾区内，由于当中涉及拟建雷达真实的地理位置，因此本文仅给出各站建站大致高度和分析结果，而实际的雷达地理信息参数需要保密，所以文章中仅给出高度信息。

本节选取的3个拟建雷达站点分别命名为“拟建站点1”、“拟建站点2”和“拟建站点3”，对应的建站高度分别约为780 m、520 m和50 m，雷达探测距离为75 km。三个站点的遮蔽角图和等射束高度图如图8所示。

结合图8和表2，三个拟建站点的1 km高度最大探测距离均为130.38 km。三个站点的方位分辨率均为1.0°。我们根据遮蔽角大于0.5°、1.0°和1.5°进行统计分析，并给出1 km高度探测净空情况。

表2 拟建站点的统计分析结果表

(1)拟建站点1探测环境净空条件客观分析结果：该站点四周高于0.5°遮挡角共有2个方位，即高于0.5°的阻挡面占比为0.56%。站点四周无高于1.0°和1.5°阻挡角。在站点最大探测距离半径范围内，1 km高度探测净空面积达到52 605.54 km2，净空占总面积为98.50%；阻挡面积为801.54 km2，阻挡比例为1.51%。

图8天气雷达拟建站点遮蔽角图(a、c、e)和等射束高度图(b、d、f) a、b.拟建站点1；c、d.拟建站点2；e、f.拟建站点3。

(2)拟建站点2探测环境净空条件客观分析结果：该站四周高于0.5°阻挡角一共有3个方位，即高于0.5°的阻挡面占比0.83%。站点四周无高于1.0°和1.5°阻挡角。该站在方位从31～33°的区段，共有3°范围存在挡角高于0.5°的连排山体阻挡。站点四周不存在高于1.0°和1.5°连排山体阻挡。在最大探测距离半径范围内1 km高度探测净空面积达到52 359.53 km2，净空占总面积为98.04%，阻挡面积为1 047.54 km2，阻挡比例为1.96%。

(3)拟建站点3探测环境净空条件客观分析结果：站点四周高于0.5°阻挡角一共有122个方位，即高于0.5°的阻挡面占比33.89%；而高于1.0°阻挡角一共有55个点，即高于1.0°的阻挡面占比15.28%；而高于1.5°阻挡角一共有27个点，即高于1.5°的阻挡面占比7.5%。

该站点方位在挡角高于0.5°、1.0°和1.5°均存在多处连排山体阻挡(表3)，本站四周方向存在高于0.5°阻挡的连排(连续多于10°方位角)区域有5个，在高于1.0°阻挡的连排(连续多于7°方位角)区域有2个，高于1.5°阻挡的连排(连续多于5°方位角)区域有1个。

表3 挡角高于0.5°、1.0°和1.5°各方位连排山体阻挡记录表

在最大探测距离半径范围内，1 km高度探测净空面积达到27 713.17 km2，净空占总面积的51.89%，阻挡面积为25 693.91 km2，阻挡比例为48.11%。

我们还将给出三个拟建站点的1 km等射束高度拼图(图9)，图9中①、②和③处的红色星星符号依次表示三个站点的拟建站位置。可见三个站点相邻，但由于拟建站高度不同而导致四周遮挡情况不同，从而使1 km高度的最大探测距离有所差异，所以建站的高度对遮挡的影响是十分显著的，是建站选址的重要参数之一。

图9三个拟建站点1 km高度等射束高度拼图

整体而言，拟建站点1和2的选址较优，四周几乎无遮挡，仅1～2处方位存在0.5°左右的遮挡，而且降水主要来源于南面和西南面，而这两个站点在南面和西南面几乎没有遮挡。但拟建站点3由于建站高度较低，其四周遮挡严重，而且西南面遮挡较多。虽然抬高雷达高度(即建设较高的塔安装雷达)可一定程度减少遮挡，但考虑到建设成本和建设难度，该站点选址不合适。

5 结 论

本文基于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台获取的SRTM地形数据，利用MATLAB搭建天气雷达地形遮挡统计分析系统，实现对雷达遮蔽图、各方位遮蔽角柱状图、等射束高度图及等射束高度拼图等一键智能绘图并能实现智能分析提供分析建议供参考，提高了对拟建雷达站点四周遮挡情况分析的工作效率。

本文首先通过仿真试验对搭建的平台的功能进行测试，然后选取广东省内三个拟建雷达站点进行分析，结果为拟建站点1和2的选址较优，四周几乎无遮挡，仅1～2处方位存在0.5°左右的遮挡，而且降水主要来源于南面和西南面，而这两个站点在南面和西南面几乎没有遮挡；拟建站点3由于建站高度较低，其四周遮挡严重，而且西南面遮挡较多。虽然可通过增加雷达塔高达到减少遮挡，但考虑到建设成本和建设难度，该站点选址不合适。

目前由于缺少现场人工观测数据，在实例应用中人工补偿功能暂时未能体现，后续在获取人工观测数据后则可进一步优化和提高雷达选址的合理性。