张家口市高空气象探测环境综合分析

2023-11-07蒋文轩刘慧敏

农业灾害研究 2023年8期

蒋文轩，刘慧敏

张家口市气象局，河北张家口 075000

气象观测资料必须具有代表性、准确性、可比较性和连续性，这不仅取决于观测仪器、观测方法和观测人员的技术水平，还依赖观测仪器所在的环境状况。气象资料的代表性、准确性、可比性得不到有效保障，就会使得气候事件的监测和预报能力不高[1]。高空气象探测是天气预报、气候分析和各种大气遥感仪器校验标准的基础，我国常规高空观测近年来取得了长足的发展[2]。开展高空气象环境调查评估工作有利于建立科学的气象探测环境保护标准，为气象台站的选址、迁移和站网布局调整提供科学依据；全面了解气象观测站探测环境现状，积累探测环境基本资料，并对探测环境进行客观、定量评价，为气象观测数据的质量控制提供基本依据。建立气象观测站探测环境动态管理档案，实现全国气象观测站探测环境的实时跟踪和动态管理，以加强对气象观测站探测环境的保护与管理[3-4]。目前，目前文献大多对地面气象观测站的环境评估较为深入，而对高空气象探测环境鲜少介绍[5-6]。本研究分析了张家口高空站的L波段雷达探测环境发展变化。

1 张家口市高空气象站基本情况

张家口市高空气象站海拔774.0 m，L波段雷达海拔780.7 m，介于114°55′E，40°46′N，于2010年4月1日正式投入业务运行。张家口高空站采用L波段雷达即 GFE（L）1型二次测风雷达，与 GTS11、GTS12、GTS13型数字探空仪组成的新一代高空气象探测系统，每日07:00、19:00进行2次观高空测，积累了极为珍贵高空气象历史资料。张家口高空站所属地处华北平原与内蒙古高原的过渡带，台站半径100 km范围内高原占35.0%，坝下河川、盆地占16.6%，丘陵占11.9%，山区占36.5%，地形、地貌复杂，土地资源丰富，类型多样，气象要素多变。随着近十年城市建设的快速发展，台站周边环境已经由最开始的农业、工业用地发展为居民区，台站高空探测环境已发生改变。

2 L波段雷达探测环境干扰因素

L波段雷达探测环境的干扰因素主要有周边高大建筑，同频段电视台、移动信号干扰、台站本身地理环境等。张家口高空站在2010年换址前，就因为随着城市规模的不断发展，周边高楼林立，各种信号塔、信号源层出不穷，导致放球成功率较低、信号差。高空业务规范要求放球场半径50 m范围内平坦空旷，但由于原先的探测环境遭到破坏，导致出现了各种问题。

例如，当气压使探空气球平移或下坠时，容易碰到附近建筑物或其他障碍物，造成气球刮破或探空仪摔坏；近地层的风速、风向、温度等气象要素由于城市风洞或城市热岛等因素影响，造成气象数据准确性受到严重影响；又由于当地冬季西北风较多，且风力较大，导致在高空气象观测后期雷达仰角很低，受高大建筑物的影响探空仪的信号衰减，导致非正常数据增多，严重影响高空数据的可靠性和雷达的探测高度，无法满足业务规范要求探空平均高度的26 000 m。为保证高空气象资料“三性”，定期开展高空气象探测评估及动态管理，对了解观测数据的来源，进行观测数据的质量控制，实现全国高空气象台站观测环境的实时跟踪和动态管理，以加强对气象台站观测环境的保护与管理具有重要的意义[7]。

3 探测环境评估依据及方法

此次气象探测环境调查评估以2000年实施的《中华人民共和国气象法》、2012年颁布的《气象设施和气象探测环境保护条例》（国务院第 623号令）、2007年中国气象局颁布的《气象台站观测环境综合调查评估方法（试行）》及2013年修订完善的《国家级地面气象观测站和高空气象观测站探测环境调查评估方法》（气测函〔2013〕258号附件）为依据，采用定性调查与定量评估相结合的方式。

高空探测环境评估以L波段雷达为中心，四周障碍物角度使用经纬仪测量遮蔽障碍物（经纬仪仰角测量范围：0°～90°，方位角测量范围：0°～360°，测量精度0.1°，测量误差≤±0.1°）。具体方法是：按照顺时针方向，方位角每隔2°测量雷达遮挡物的最高仰角，绘制雷达天线四周障碍物遮蔽图（图上表明2°和5°线，已明确遮挡情况），同时绘制雷达天线障碍遮挡仰角与雷达观测历史（3年）最低仰角拟合图。

4 张家口市高空站3次探测环境对比分析

4.1 3次高空探测环境雷达天线四周障碍物遮蔽图对比分析

图1、图2、图3分别为2013、2018、2022年雷达天线四周障碍物遮蔽图。通过对3次雷达天线四周障碍物遮蔽图的分析，可以得出以下结论：

图1 2013年雷达天线四周障碍物遮蔽图

图2 2018年雷达天线四周障碍物遮蔽图

图3 2022年雷达天线四周障碍物遮蔽图

一是障碍物遮蔽角的测量方法有所改进，2022年的高空气象探测环境评估的方法较前2次评估更加精确、科学。方位角的间隔由过去的10°变为现在的2°，避免了狭窄障碍物在评估过程中的遗漏，使得探测环境更加真实、准确；同时将自然障碍物和人为障碍物统一为总障碍物，这样可以更加明确表示雷达的遮挡角。

二是雷达周边的探测环境有所变化，但整体趋势仍,满足探测环境要求。（1）雷达四周360度的障碍物遮蔽角几乎全部小于5°，没有严重影响雷达观测的遮碍物。（2）2022年的障碍物遮蔽图与2018年障碍物遮蔽图比较发现，在方位角60°左右又出现了新的较高的障碍物，需要提高重视。（3）对比3次障碍物遮蔽图可以看出在300°～360°区间内，人为建筑物的遮挡角在减小，这表明探测环境的变好。（4）在雷达站的下风方向120°内（140°～260°之间），遮挡角物无明显变化，且满足障碍物遮蔽角小于2°，表明探测环境完全满足业务规范需求。

4.2 3次雷达天线障碍遮挡仰角与雷达观测历史（3年）最低仰角拟合折线图对比分析

图4、图5、图6分别为2013、2018、2022年雷达天线障碍遮挡仰角与雷达观测历史（3年）最低仰角拟合折线图。通过对比分析3次雷达天线障碍遮挡仰角与雷达观测历史（3年）最低仰角拟合图，可以得出在过去10年期间，雷达天线障碍遮挡仰角在方位角0°～360°之间全部大于雷达观测历史最低仰角，表明高空气象探测环境的变化没有对高空气象业务工作产生影响，符合高空业务要求规定；同时也可以发现在方位角70°～90°区间，雷达天线障碍遮挡仰角与雷达观测历史最低仰角相差较小，应提高重视，加强该方位的探测环境保护预警，保障探测环境的可靠。

图4 2013年雷达天线障碍遮挡仰角与雷达观测历史（3年）最低仰角拟合折线图

图5 2018年雷达天线障碍遮挡仰角与雷达观测历史（3年）最低仰角拟合折线图

图6 2022年雷达天线障碍遮挡仰角与雷达观测历史（3年）最低仰角拟合折线图

同时，通过雷达观测历史最低仰角曲线可以看出，在方位角70°～130°之间，雷达的观测最低仰角几乎均＜7°，这对应的雷达记录几乎全部出现在每年的11月至翌年2月，这是张家口市高空站所处的地理位置所造成的，张家口市区冬季在高空受强西风带影响，高空风速大，所有探空仪的飞行水平距离远，雷达的工作仰角低。在实际业务工作中会造成高空观测后段由于雷达仰角低、信号模糊，非正常数据增多，影响探空观测质量，所有应当注意这个方位的探测环境保护。

5 高空探测环境保护建议

5.1 加强与本地区各相关部门的合作联系

做好高空气象探测环境的保护工作，只依靠气象部门单位的能力是远远不够的，同时也存在单位职能的局限性。应与当地国土、规划、建设、发改等部门加强联系合作，建立相应的工作机制。例如，在站点周边城市建设项目的前期规划工作中，引入气象探测环境保护的概念，使各级城市建设单位意识到气象探测环境保护的重要性，将气象探测环境保护工作落到实处。

5.2 统筹规划，站点选址具有前瞻性

近年来我国城市化建设的快速发展，在新站建设选址或旧站搬迁选址时，应更加具有前瞻性，根据各地城市总规划方案，联系自身实际特点，合理建设、布局气象台站。例如，可以将气象站直接建在（或迁到）飞机场附近、山体公园或广场内等限高区内，在一定程度上也起到了保护气象探测环境的作用。既利于各地城乡规划的顺利实施，又有利于气象台站自身工作和生活条件的改善，也有利于发展与相邻单位和居民的和谐关系，从而更有利于气象事业的长远发展。

5.3 加强执法力队伍的建设

随着气象探测站点的增加，气象探测环境保护的任务也在加重，因此需要更多的执法大队进行管理和监督，但气象探测环境保护的复杂性也凸显了执法人员的不足，缺乏实践经验。为了解决这一问题，气象管理部门应加强对执法人员的教育和培训，形成上有监管，下有落实的良好机制，并制定长期、定期的环境监察制度，加大联合执法的力度，形成良好的执法沟通环境，从而更好地保护气象探测环境。