基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估研究

关键词：气象环境；SRTM数据；天气雷达；墨卡托投影法

中图分类号：X830.7 文献标志码：B

前言

随着科技和工业的快速发展，生态环境受到一定的破坏，气象环境检测也越来越受到重视。气象雷达是一种探测和测量气象要素的设备，许多学者对气象环境和气象雷达进行大量的研究。龚梅竹等人为分类统计青海省1998年-2020年的较大及致灾雷电日，采用主成分分析法和基于主成分的权重指标得分法来对比分析致灾雷电日的气象环境参数特征。郑小华等人基于实际的观测数据和气象监测资料，总结时空变化特征，揭示不同时间尺度和气象环境对臭氧浓度变化的影响。Wang Z等人表示目前大气气溶胶在极端气象和空气污染事件中的作用尚未得到很好的证明，因此通过回顾过往的研究，强调气溶胶在极端天气事件中的气象反馈的重要性。Ebrahimi Khusfi Z等人表示气象数据为评估干旱对生长季节土地退化的影响提供机会，并利用气象和卫星数据调查干旱对伊朗阿拉克平原制备退化的影响。天气雷达可用于监测降雨、雷暴、气旋等自然天气现象，在检测气象环境方面具有重要的作用，净空环境对雷达的观测能力和数据质量有直接影响，但净空环境评估过程较为繁琐耗时。在这一背景下，研究提出基于航天飞机雷达地形测绘使命（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）高程数据的天气雷达净空环境评估方法。

1基于雷达的环境检测

1.1基于气象雷达的气象环境检测

雷达的选址至关重要，直接影响到了雷达的探测能力。为此，研究以地形复杂、环境艰苦的山西省忻州市五台山气象站为研究对象，进行天气雷达的净空环境评估，为雷达的选址提供可靠依据。山西省忻州市五台山气象站是一类高山艰苦气象站，最低气温-44.8℃，年平均大风182天，年平均积雪148天，全年观测基数超过18000个。观测站的海拔2208.3米，经度113.31°，纬度38.57°。为验证基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估方法的可行性，研究采用山西省忻州市五台山气象站作为实例。

气象雷达是检测气象环境的重要手段，是一种主动式微波大气遥感设备，在突发性、灾害性的监测、预报和警报中起到重要作用。工作原理是通过向大气中发射无线电波，然后接收被目标反射回来的波束，当这些波束与降水、云层等物体相互作用时，会产生回波信号。通过分析这些回波信号的强度、频率、方向和时间延迟等特征，获取有关天气现象的信息。在不考虑大气对电磁波的衰减和充塞系数影响的情况下，在气象目标物对雷达波的反向散射满足瑞利散射的条件下，雷达接收的平均回波功率如式（1）所示。

3基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估效果分析

研究在能见度良好的情况下，采用基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估方法进行地物遮挡观测，并与常规气象观测中应用的测风经纬仪进行对比，结果如表1所示。从表中可以看出，相较于测风经纬仪，基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估方法的方位分辨率更高，为0.25°，测距更长，大于260千米，还能够节省人力，具有一定的可行性和优越性。

为进一步验证所提方法的效果，研究对计算结果进行误差分析，并与未进行矫正计算、只进行距离矫正以及实地勘测结果进行对比，结果如图1所示。从图中可以看出，三种方法的计算结果与实地勘测结果之间均没有较大的误差，其中研究方法与实地勘测结果之间的误差最小。结果表明，所提方法与人工测量方法具有较好的一致性，具有一定的可行性和有效性。

对三种不同方法得到的结果进行误差比较，如图2所示。从图中可以看出，在130°、225°和250°误差附近，三种方法的误差均较大。此外，三种方法的方位角均在0°附近上下变化，但相较于未进行矫正计算和进行距离矫正的评估方法，研究提出的方法变化幅度最小，误差最小。

为验证计算误差是否受到SRTM数据精度的影响，研究采用两种精度的SRTM数据，将上述三种方法的遮蔽角平均误差进行对比，结果如图3所示。从图中可以看出，相较于另外两种方法，研究算法的误差更小。此外，研究方法在SRTM数据更高时的误差更小，遮蔽角平均误差能够达到-0.03。

4结论

随着科技的高速发展，气象雷达的准确度也得到了提高，而在天气雷达的选址中，净空环境对雷达的观测能力和数据质量有直接影响。针对雷达净空环境的评估过程较为繁琐耗时的问题，研究提出了基于SRTM高程数据的天气雷达净空环境评估方法，并进行方位和距离矫正。结果表明，相较于测风经纬仪，基于SRTM数据的天气雷达净空环境评估方法的方位分辨率更高，为0.25°，测距更长，大于260千米；研究方法与实地勘测结果之间的误差最小，与人工测量方法具有较好的一致；相较于未进行矫正计算和只进行了距离矫正的评估方法，研究提出的方法变化幅度最小，误差最小；研究方法的评估结果在SRTM数据更高时的误差更小，遮蔽角平均误差能够达到-0.03。