基于GIS地图的天气雷达环境遮挡可视化应用

周嘉健，黄桂烨，吕玉嫦，徐黄飞，邹庆彪，曾慧明

（广东省气象探测数据中心，广东广州 510080）

多普勒天气雷达是目前对中小尺度天气系统探测的重要手段之一，其探测距离远、探测结果精细和可全天候观测等特点，使其在天气预警预报和强对流天气过程监测起重要作用［1］。目前国内外已有不少学者对雷达选址技术和波束遮挡分析开展了相关研究。在国外，Gabella等［2］利用DEM数据和几何光学原理，建立了雷达波速遮挡模拟方法；Bech等［3］结合探空资料中的气压和温湿度廓线，计算并模拟了雷达探测波束遮挡系数。在国内，邓志等［4］对雷达站址四周遮挡的经纬度、海拔高度进行人工观测和记录后计算雷达单站遮挡仰角和等射束高度图；赵瑞金等［5］采用地理信息系统获取雷达遮挡数据方法，结合选址分析软件，提高选址的工作效率；郭林辉［6］利用GlobalMapper软件，加载数字高程模型，使用视距分析功能实现对选址点的覆盖情况分析；伍建强［7］分析机场多普勒雷达选择应考虑其探测微下击暴流、低层风切变和阵风锋所能起到的作用；王蓓蕾等［8］结合暴雨过程，得出组网观测系统中雷达彼此间隔为35～45 km，基于此间距，通过综合分析，明确广州X波段双偏振相控阵天气雷达组网建设站址；王曙东等［9］、柳云雷等［10］利用SRTM数字高程数据对全国新一代天气雷达开展了地形遮挡和覆盖能力计算和分析；吴彬等［11］基于DEM数据的多普勒天气雷达波束遮挡率计算原理和方法，利用C#编程语言设计和开发了雷达波束遮挡率计算与可视化仿真系统；戴春容等［12］利用SRTM3高分辨率的DEM对佛山市已建成的4部X波段双偏振雷达进行地形遮挡分析。

本研究利用SRTM高分辨率数字高程数据，计算广东省11部SA多普勒双偏振天气雷达的雷达遮蔽角和等射束高度，获取雷达遮挡情况（如探测净空面积、方位遮挡率等参量），最后利用广东省气象地理信息服务平台的GmMap API将等射束高度图展示在GIS地图上，更为直观地体现雷达周边环境。

1 数据来源

雷达四周地形遮挡计算主要依赖于雷达覆盖区域内地形高程资料，高程资料的准确性以及雷达站的实际经纬度、馈源海拔高度等参数均影响遮挡计算。本研究所使用的SRTM高分辨率数字高程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（www.gscloud.cn）。该数据是目前国际上使用的主要高程数据之一，总体可靠性较高［11］。

GIS地图是来源于广东省气象地理信息服务平台的GmMap API接口，该接口目前是面向公众服务类网站，并且对调用次数没有做限制。

2 原理与计算

2.1 技术原理

图1为本研究的技术路线图，如图1所示，根据站点信息（站名、经纬度、天线馈源高度和探测距离）和地形数据，通过遮蔽角（式（1）［13］）和等射束高度计算公式（式（2）［13］）获得相应的计算值，最后将计算结果展示在GIS地图上。

图1 技术路线流程示意图

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是障碍物与雷达的水平距离（m）。

其中，r是最大探测距离（m）；h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、3和6 km［4］，计算雷达最大观测距离。

2.2 统计参数（方位遮挡率）

根据中国气象局《新一代天气雷达选址规定》提出对雷达选址工作的其中一个要求是新一代天气雷达站址近处四周无高大建筑物、山脉、高大树林等的遮挡，在雷达主要探测方向上（降水过程的主要来向）的遮挡物对雷达天线的遮挡仰角不应大于0.5°，对个别孤立障碍物可适当降低要求。因此，本研究定义方位遮挡率为大于0.5°的方位数与所有方位数的比值。设方位分辨率为1°，则共有360个方位，令M=360，则其计算公式可表示为

其中，AOR 是方位遮挡率（Azimuth Occlusion Rate，AOR）；Ai是遮挡仰角大于0.5°的方位，∑（Num（Ai）是对360°内出现遮挡仰角大于0.5°的方位个数进行求和，Num（AM）是拟建站点360°内方位总个数，与设置的方位分辨率有关。

3 可视化仿真与分析

根据图1的计算流程，通过广东省11台双偏振多普勒天气雷达的站点信息和从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高分辨率数字高程数据计算出各站点的1 km高度等射束高度图，并将该结果展示在在线的GIS地图上，结果见图2所示。

图2 广东省11台双偏振多普勒天气雷达1 km高度等射束拼图

由图2可见，靠近沿海的战湛江、阳江、深圳和汕头、汕尾等多个地方的雷达4周净空环境良好，而靠近粤北的韶关、连州和肇庆的雷达四周存在较多遮蔽，但总体而言，11台双偏振多普勒雷达可将广东省全面覆盖。

表1给出广东省11台双偏振多普勒天气雷达在仰角0.5°和1.5°时的方位遮挡率，方位角度分辨率是1°，共360个方位。

表1 广东省11台双偏振多普勒天气雷达的方位遮挡率统计表

从表1结果可见，随着仰角的提高，各雷达站的方位遮挡率逐渐变小。同时个别站，如肇庆、连州和韶关，在仰角为0.5°时的方位遮挡率较高，3个站的方位遮挡率依次可达26.39%，28.06%和38.33%；而在1.5°仰角时3个站的方位遮挡率依次为1.11%、1.39%和1.11%。

为了验证计算结果是否合理和正确，本研究选取了肇庆雷达站、连州雷达站和韶关雷达站各站的基数据PPI雷达图与遮挡计算结果进行分析，由于随着仰角提高，地势地形的影响就会减少，因此选取的均是0.5°仰角时的基数据PPI雷达图，结果如图3所示。

由图3a可见，雷达的北向、东南向和西南向3个红圈对应的“缺角”是由于地形的因素造成无法探测，结合图3b可以看出，两个图中红圈对应的位置基本一致。

由图3c可见，雷达的东北偏东方向、东北偏西方向、西南向和西北偏西方向的4个红圈出现了“缺角”，并结合图3d可见，两个图中红圈对应的位置基本一致。

由图3e可见，雷达的北偏东方向、东南向、西南向和西北偏西方向的4个红圈出现了“缺角”，同时结合图3f可见，两个图中红圈对应的位置基本一致。

图3 肇庆（a、b）、连州（c、d）、韶关（e、f）雷达站1 km等射束高度图（a、c、e）和数据PPI雷达图（b、d、f）

本研究利用高分辨率数字高程数据（SRTM），计算广东省11台双偏振多普勒天气雷达的环境遮挡情况和给出各站的方位遮挡率，并将等射束高度拼图在GIS地图上作可视化展示，使遮挡结果更为直观地呈现出来。同时为了验证遮挡计算结果是否具有可用性，利用基数据雷达图进行对比分析。根据0.5°仰角的方位遮挡率计算结果可见，肇庆、连州和韶关3个地方的雷达方位遮挡率较高依（次为26.39%、28.06%和38.33%），因此本研究选取肇庆、连州和韶关3个地方进行验证。分析结果发现，各站点的遮挡计算结果与基数据PPI雷达图具有较好的一致性，这说明计算结果是有效的、可用的。