GIS技术在新一代天气雷达工程选址分析中的应用

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摘要 新一代天气雷达工程站址的选择涉及众多因素，传统的选址方法主要采用人工地图判读、计算和描绘的方式进行，随着GIS（地理信息系统）技术的广泛应用，借助其地理数据管理和空间分析功能来辅助新一代天气雷达站选址，可以更直观形象地分析展现站网的布局现状、影响范围和建成后效果，从而帮助工程咨询单位和项目决策者更加科学、快速、精确地完成雷达站址分析比选和布局优化工作。本文主要阐述了在新一代天气雷达工程前期站址比选中引入GIS技术的可行性和技术方法。

[关键词]新一代天气雷达 工程选址 地理信息系统

新一代天气雷达是用于探测大气中各种天气现象和气象要素的非常重要的遥感探测装备，采用全相参和多普勒技术，能够定量估算降雨回波强度、空气径向移速、谱宽和降水物相态等信息，在各种天气过程的快速监测、中小尺度灾害性天气和极端气候事件的预报预警、云水资源利用与生态环境修复、生态文明建设保障等方面发挥出了不可替代的作用。我国的新一代天气雷达网始建于20世纪90年代后期，截至2016年底已经完成了全国233部新一代天气雷达的布设，基本覆盖了我国主要经济发展区、气候敏感区和灾害频发区等关键性区域。但由于我国地形复杂等原因，新一代天气雷达网的探测覆盖率仍有不足，近地面lkm高度仅有20%左右的覆盖率。因此，为弥补现有新一代天气雷达网的探测盲区，国家发展改革委己批准中国气象局在“十三五”期间加密布设一批新一代天气雷达，而这些雷达站选址的优劣将直接关系到工程项目建设效益的发挥和设计目标的实现。

1 影响天气雷达站选址的因素

根据气象行业标准《新一代天气雷达选址规定》（QX/T 100-2009）的要求，新一代天气雷达站址选择需考虑的因素主要包括：

（1）站址间距因素，主要要求拟选站址与相邻新一代天气雷达站址间距在250千米至200千米之间，对于灾害性天气频繁区、重点经济区或其它需加强监测的地区，可加密到150千米至100千米左右;另外，拟选站址与当地气象台站的直线距离应小于50千米。

（2）净空环境因素，要求避开雷达探测范围内主要探测方向高山、树林、高大建筑物等遮挡物对电磁波的遮挡，遮挡仰角不应大于0.50.

（3）地理环境、电磁环境、通信环境、基础环境等因素，分别要求拟选站址有良好的自然地理建设条件，避开山洪山体滑坡频繁地等危险地区;要求拟选站址电磁波不受频率干扰和不影响公众;要求拟选站址的水、电、路、数据通信等基础设施满足工程建设条件。

其中，站址间距因素涉及到候选雷达站址与周边邻近的多个己建雷达站、气象台站之间的空间交互分析，囊括地理范围较大、数据计算量复杂;而其它因素则主要是针对每个候选站址单站本身条件的综合分析，涉及候选站址与周边环境的适应性分析，囊括地理范围相对较小。

另外，己建成的新一代天气雷达站在运行过程中还会因国家重点工程建设调整、城市总体规划变化、气象探测环境遭到严重破坏以及极端自然灾害等不可预测因素，需要进行站址迁移和布局优化。

在上述一系列影响因素中，站址间距、净空环境、基础环境和城市规划是需重点关注的内容，它们有个共同的特点就是均涉及地理空间数据及与该位置有关的地物属性信息的分析研究，这些也是能较好体现GIS技术自身特点和应用价值的地方。根据前期调研、分析和设计的结果，开展基于GIS的天气雷达站网布局制图、信息统计和数据分析工作，是较好地完成新一代天气雷达工程项目咨询研究报告的重要组成部分。

2 天气雷达站网布局专题地图制作

专题地图制作是GIS最基础的功能。为了能对天气雷达站址数据进行更好的空间分析展示，需先利用GIS软件（本文使用ArcGIS10.2，由ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox等多个用户桌面组件组成）绘制出全国新一代天气雷达站网布局专题地图。首先，根据选址精度要求准备适当比例尺的数字化地图资料;接着，通过ArcCatalog将全国新一代天气雷达站网数据和国家级地面气象观测站网数据建库，生成shp图层文件，并导入到ArcMap中开展制图;之后，通过点、线、面要素图层布局设计、数据内容表现形式操作、地理要素设置标注、地图美化修饰等步骤，即可成图进行分析及展示了。

天气雷达站网布局专题地图的图层要素主要包括国、省、地、县各级行政区划、天气雷达和自动气象站等气象仪器的设备分布、气象和地理背景产品布局、雷达通信网络架构和配套保障设施布局等。可以说，新一代天气雷达站网布局专题地图制作的过程，也是一次基于GIS技术的新一代天气雷达站网现状布局资料空间化和选址需求分析建模的过程，内容和形式需随着分析过程的开展和设计想法的改进而不断调整完善。

3 单站站址比选实例

在开展四川甘孜新一代天气雷达系统建设项目可行性研究过程中，结合四川甘孜州地势北高南低、中部突起、东南缘深切的复杂地形，以及该地区主要受来自西北方向的天气系统和灾害性天气影响的特点，经地图作业和实地勘察，综合考虑各种因素后，确定康定机场、木格措景区、塔公草原作为三个候选站址，进行站址比选。拟比选的三个候选站址均位于甘孜州康定县范围内，其中重点候选站址康定机场位于康定县城以西、康定机场跑道西方，东经101°43"，北纬30°08"，海拔高度4230米。

3.1 站址间距比较

如圖1所示，由绘制出的新一代天气雷达站网布局专题地图可以看出，甘孜州三个候选站址相距不远，在候选站址的北方、东方和南方有4个相邻较近的己建成的新一代天气雷达站点，分别是阿坝、成都、乐山和西昌。利用ArcToolbox窗口数据管理工具箱要素工具集下的点集转线工具（PointToLine）和在折点处分割线工具（SplitLineAtPoint）可以对三个候选站址与4个己建成站址之间的间距进行数据计算。

通过GIS软件分析可以看出，候选站址康定机场与阿坝、成都、乐山和西昌4个己建站址的间距分别是313.25千米、224.37千米、215.45千米、261.99千米，在三个候选站址西方、西北方和西南方400千米范围内均没有建站，这表明甘孜州候选站址能够较好地填补成都以西、四川中南部地区的雷达探测盲区，但是对于川西地区尚难以完全覆盖。

另外，同样基于GIS软件还可从专题地图上测得与三个候选站址邻近的东南方的康定国家基准气象站、西南方的雅江国家一般气象站、丹巴国家一般气象站的直线距离。分析结果显示，候选站址康定机场与康定、雅江、丹巴3个气象台站的直线距离分别是24.12千米、69.67千米、84.16千米，候选站址木格措景区与康定机场的条件相似，而候选站址塔公草原与其最近的康定气象站相距己超过50千米（52.34千米），这表明候选站址塔公草原的人员和设备后勤运输保障将可能存在困难，塔公草原站址间距条件排最后。

3.2 净空环境比较

三个候选站址分属甘孜州康定县地势相对较高的三座山峰上，四周开阔空旷，方圆1千米内没有遮挡物，但因位于康定县山区，远距离山峰的遮挡难以避免。利用ArcToolbox窗口3D分析工具箱数据管理工具集下的创建TIN（不规则三角网）工具和3D分析工具箱转换工具集下的TIN转栅格工具（TinRaster），可以生成基于适当比例尺精度的数字高程模型（DEM），由此对三个候选站址的净空环境进行地面地形三维数字化模拟分析。

从GIS生成的三个候选站址雷达遮蔽角图集上可以看出，候选站址康定机场近距离主要为东方孤立的折多山顶有100左右的遮挡，但水平范围不宽，也不是天气系统的主要来向，而候选站址塔公草原和木格措景区均有较大遮挡角;在分别对三个候选站址的雷达塔楼天线高度抬升12米、20米、40米后，各自的最大遮挡角减少至不足1°，这表明候选站址康定机场净空环境条件最好，塔公草原次之，木格措景区最后。

3.3 电磁环境、通信环境、基础环境与投资估算比较

关于电磁环境情况，经四川省无线电监测站实地测试后，认定三个候选站址均符合相关要求。关于通信环境情况，候选站址康定机场目前有程控电话、移动和联通信号，有电信公司光纤线路，而候选站址塔公草原仅通电话，候选站址木格措景区无通信条件。关于基础环境情况，候选站址康定机场在旅游环线公路上接入，需新修道路1806.5米，有水源和高压电源可搭接，而候选站址塔公草原和木格措景区现无水电设施，且需新建4000米以上道路。关于投资估算情况，候选站址康定机场的土建投资估算最少，塔公草原次之，木格措景区最后。

因此，通过上述多因素、多手段的综合比选分析后可以认为，候选站址康定机场符合新一代天气雷达的选址要求，是较为理想的候选站址，推荐康定机场作为四川甘孜新一代天气雷达系统的首选站址。

4 GIS在全国天气雷达组网空间布局分析的应用

在新一代天气雷达工程咨询实践中，利用GIS软件在天气雷达站网布局专题地图上开展大范围的空间信息查询、站址间距测量、站址密度分布分析、有效探测范围缓冲区分析、水电路通信等保障措施分析、人口经济指标效益分析等涉及空间地理信息数据的分析研究工作，将可以变得更加快捷和精确。

4.1 站址密度分布分析

如图2所示，由ArcGIS软件制作出的天气雷达站网布局专题地图可以看出，全国新一代天气雷达站址密度分布呈现出与黑河一腾冲线（即胡焕庸线）相似走势的分水岭，东密西疏经过统计，截至2016年底全国83% （194部）的新一代天气雷达分布在东部43%的土地上，全国17%（39部）的新一代天气雷达则分布在西部57%的土地上;同时，还可以看出在青藏高原、塔里木盆地存在大面积布局空白区。分析原因，可能主要是因为东部地区城镇化水平较高，94%的人口居住在黑河一腾冲线以东，人口密集区是天气雷达的优先建设和重点服务区域，同时，西部地区相对恶劣的自然地理条件和后勤保障手段也限制了天氣雷达的布设。但是，需要考虑的是，中西部地区如同东部地区一样也需要城镇化，需要分享气象现代化带来的更好的保障;同时，青藏高原等西部地区属于全国降水系统的上游主要发源地，在此增补天气雷达对于开展全球气候系统研究非常必要。

4.2 有效探测范围缓冲区分析

有效探测范围缓冲区分析是指针对GIS地理数据库里的全国新一代天气雷达站网点要素和国家级地面气象观测站网点要素实体基础，根据天气雷达有效探测半径，自动建立在其周围一定宽度范围内的多边形实体，以此来表达天气雷达站网的整体有效探测范围，从而进行空间信息分析。一般情况下，新一代天气雷达实现定量估测降水的有效探测半径可按200千米进行估算。

通过利用ArcToolbox窗口分析工具箱领域分析工具集下的缓冲区工具（Buffer），结合数据管理工具箱制图综合工具集下的融合工具（Dissolve）和分析工具箱叠加分析工具集下的相交工具（Intersect），生成落在我国国界内的有效探测范围缓冲区面要素图层，分析可以看出，在忽略高山和建筑物的遮挡影响的情况下，全国己建天气雷达站的理论探测覆盖面积约为673.23万平方千米，约占我国陆地面积的70%;然而，实际情况是受我国复杂地形遮挡的影响，全国新一代天气雷达网近地面1千米高度仅有20%左右的探测覆盖率。这表明，我国新一代天气雷达站网建设还有很大的发展空间，在后续的新建站址选择和己建站址优化过程中，还需要更多的科学分析工作。

在实施四川甘孜新一代天气雷达系统建设项目选址分析过程中，针对首选站址康定机场开展探测范围缓冲区分析，如图3所示，从GIS地图上可以看出，甘孜雷达的选址建设将能较好地填补四川盆地西缘的天气雷达探测盲区，有效地监测来自青藏高原及川西盆地的强对流天气系统，为成都及周边地区提供更精准、及时的天气预警信息。

5 结束语

气象工程咨询是一门复合学科，涉及到包括计算机软件工程、地理科学在内的很多专业门类，新一代天气雷达工程选址就是最典型的应用领域。GIS技术在全国天气雷达组网空间布局分析方面拥有比传统人工方法更快更好的能力，充分利用GIS的地理数据管理和空间分析功能，可为气象工程咨询人员科学、高效地开展天气雷达前期选址等地理信息相关需求分析工作提供强有力的工具，从而为气象工程项目决策咨询提供更精确的科学依据。

参考文献

[1]中华人民共和国气象行业标准QX/T 100-2009.新一代天气雷达选址规定[S]，北京：气象出版社，2009.

[2]中国气象局.气象雷达发展专项规划（2017-2020年）[EB/OL]. ht tp： //www. cma.gov. cn/2 0llxqxxw/2 0llxqxyw/2 017 06/t20170626_428211. html.

[3]许小峰，中国新一代多普勒天气雷达网的建设与技术应用[J].中国工程科学，2003，5 （06）：7-14.

[4]杨洪平，张沛源，程明虎等，多普勒天气雷达组网拼图有效数据区域分析[J].应用气象学报，2009，20 （01）：47-54.

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