GIS技術在新一代天氣雷達工程選址分析中的應用

伍洋

摘要 新一代天氣雷達工程站址的選擇涉及眾多因素，傳統(tǒng)的選址方法主要采用人工地圖判讀、計算和描繪的方式進行，隨著GIS（地理信息系統(tǒng)）技術的廣泛應用，借助其地理數(shù)據(jù)管理和空間分析功能來輔助新一代天氣雷達站選址，可以更直觀形象地分析展現(xiàn)站網(wǎng)的布局現(xiàn)狀、影響范圍和建成后效果，從而幫助工程咨詢單位和項目決策者更加科學、快速、精確地完成雷達站址分析比選和布局優(yōu)化工作。本文主要闡述了在新一代天氣雷達工程前期站址比選中引入GIS技術的可行性和技術方法。

[關鍵詞]新一代天氣雷達 工程選址 地理信息系統(tǒng)

新一代天氣雷達是用于探測大氣中各種天氣現(xiàn)象和氣象要素的非常重要的遙感探測裝備，采用全相參和多普勒技術，能夠定量估算降雨回波強度、空氣徑向移速、譜寬和降水物相態(tài)等信息，在各種天氣過程的快速監(jiān)測、中小尺度災害性天氣和極端氣候事件的預報預警、云水資源利用與生態(tài)環(huán)境修復、生態(tài)文明建設保障等方面發(fā)揮出了不可替代的作用。我國的新一代天氣雷達網(wǎng)始建于20世紀90年代后期，截至2016年底已經(jīng)完成了全國233部新一代天氣雷達的布設，基本覆蓋了我國主要經(jīng)濟發(fā)展區(qū)、氣候敏感區(qū)和災害頻發(fā)區(qū)等關鍵性區(qū)域。但由于我國地形復雜等原因，新一代天氣雷達網(wǎng)的探測覆蓋率仍有不足，近地面lkm高度僅有20%左右的覆蓋率。因此，為彌補現(xiàn)有新一代天氣雷達網(wǎng)的探測盲區(qū)，國家發(fā)展改革委己批準中國氣象局在“十三五”期間加密布設一批新一代天氣雷達，而這些雷達站選址的優(yōu)劣將直接關系到工程項目建設效益的發(fā)揮和設計目標的實現(xiàn)。

1 影響天氣雷達站選址的因素

根據(jù)氣象行業(yè)標準《新一代天氣雷達選址規(guī)定》（QX/T 100-2009）的要求，新一代天氣雷達站址選擇需考慮的因素主要包括：

（1）站址間距因素，主要要求擬選站址與相鄰新一代天氣雷達站址間距在250千米至200千米之間，對于災害性天氣頻繁區(qū)、重點經(jīng)濟區(qū)或其它需加強監(jiān)測的地區(qū)，可加密到150千米至100千米左右;另外，擬選站址與當?shù)貧庀笈_站的直線距離應小于50千米。

（2）凈空環(huán)境因素，要求避開雷達探測范圍內主要探測方向高山、樹林、高大建筑物等遮擋物對電磁波的遮擋，遮擋仰角不應大于0.50.

（3）地理環(huán)境、電磁環(huán)境、通信環(huán)境、基礎環(huán)境等因素，分別要求擬選站址有良好的自然地理建設條件，避開山洪山體滑坡頻繁地等危險地區(qū);要求擬選站址電磁波不受頻率干擾和不影響公眾;要求擬選站址的水、電、路、數(shù)據(jù)通信等基礎設施滿足工程建設條件。

其中，站址間距因素涉及到候選雷達站址與周邊鄰近的多個己建雷達站、氣象臺站之間的空間交互分析，囊括地理范圍較大、數(shù)據(jù)計算量復雜;而其它因素則主要是針對每個候選站址單站本身條件的綜合分析，涉及候選站址與周邊環(huán)境的適應性分析，囊括地理范圍相對較小。

另外，己建成的新一代天氣雷達站在運行過程中還會因國家重點工程建設調整、城市總體規(guī)劃變化、氣象探測環(huán)境遭到嚴重破壞以及極端自然災害等不可預測因素，需要進行站址遷移和布局優(yōu)化。

在上述一系列影響因素中，站址間距、凈空環(huán)境、基礎環(huán)境和城市規(guī)劃是需重點關注的內容，它們有個共同的特點就是均涉及地理空間數(shù)據(jù)及與該位置有關的地物屬性信息的分析研究，這些也是能較好體現(xiàn)GIS技術自身特點和應用價值的地方。根據(jù)前期調研、分析和設計的結果，開展基于GIS的天氣雷達站網(wǎng)布局制圖、信息統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析工作，是較好地完成新一代天氣雷達工程項目咨詢研究報告的重要組成部分。

2 天氣雷達站網(wǎng)布局專題地圖制作

專題地圖制作是GIS最基礎的功能。為了能對天氣雷達站址數(shù)據(jù)進行更好的空間分析展示，需先利用GIS軟件（本文使用ArcGIS10.2，由ArcMap、ArcCatalog、ArcToolbox等多個用戶桌面組件組成）繪制出全國新一代天氣雷達站網(wǎng)布局專題地圖。首先，根據(jù)選址精度要求準備適當比例尺的數(shù)字化地圖資料;接著，通過ArcCatalog將全國新一代天氣雷達站網(wǎng)數(shù)據(jù)和國家級地面氣象觀測站網(wǎng)數(shù)據(jù)建庫，生成shp圖層文件，并導入到ArcMap中開展制圖;之后，通過點、線、面要素圖層布局設計、數(shù)據(jù)內容表現(xiàn)形式操作、地理要素設置標注、地圖美化修飾等步驟，即可成圖進行分析及展示了。

天氣雷達站網(wǎng)布局專題地圖的圖層要素主要包括國、省、地、縣各級行政區(qū)劃、天氣雷達和自動氣象站等氣象儀器的設備分布、氣象和地理背景產(chǎn)品布局、雷達通信網(wǎng)絡架構和配套保障設施布局等。可以說，新一代天氣雷達站網(wǎng)布局專題地圖制作的過程，也是一次基于GIS技術的新一代天氣雷達站網(wǎng)現(xiàn)狀布局資料空間化和選址需求分析建模的過程，內容和形式需隨著分析過程的開展和設計想法的改進而不斷調整完善。

3 單站站址比選實例

在開展四川甘孜新一代天氣雷達系統(tǒng)建設項目可行性研究過程中，結合四川甘孜州地勢北高南低、中部突起、東南緣深切的復雜地形，以及該地區(qū)主要受來自西北方向的天氣系統(tǒng)和災害性天氣影響的特點，經(jīng)地圖作業(yè)和實地勘察，綜合考慮各種因素后，確定康定機場、木格措景區(qū)、塔公草原作為三個候選站址，進行站址比選。擬比選的三個候選站址均位于甘孜州康定縣范圍內，其中重點候選站址康定機場位于康定縣城以西、康定機場跑道西方，東經(jīng)101°43'，北緯30°08'，海拔高度4230米。

3.1 站址間距比較

如圖1所示，由繪制出的新一代天氣雷達站網(wǎng)布局專題地圖可以看出，甘孜州三個候選站址相距不遠，在候選站址的北方、東方和南方有4個相鄰較近的己建成的新一代天氣雷達站點，分別是阿壩、成都、樂山和西昌。利用ArcToolbox窗口數(shù)據(jù)管理工具箱要素工具集下的點集轉線工具（PointToLine）和在折點處分割線工具（SplitLineAtPoint）可以對三個候選站址與4個己建成站址之間的間距進行數(shù)據(jù)計算。

通過GIS軟件分析可以看出，候選站址康定機場與阿壩、成都、樂山和西昌4個己建站址的間距分別是313.25千米、224.37千米、215.45千米、261.99千米，在三個候選站址西方、西北方和西南方400千米范圍內均沒有建站，這表明甘孜州候選站址能夠較好地填補成都以西、四川中南部地區(qū)的雷達探測盲區(qū)，但是對于川西地區(qū)尚難以完全覆蓋。

另外，同樣基于GIS軟件還可從專題地圖上測得與三個候選站址鄰近的東南方的康定國家基準氣象站、西南方的雅江國家一般氣象站、丹巴國家一般氣象站的直線距離。分析結果顯示，候選站址康定機場與康定、雅江、丹巴3個氣象臺站的直線距離分別是24.12千米、69.67千米、84.16千米，候選站址木格措景區(qū)與康定機場的條件相似，而候選站址塔公草原與其最近的康定氣象站相距己超過50千米（52.34千米），這表明候選站址塔公草原的人員和設備后勤運輸保障將可能存在困難，塔公草原站址間距條件排最后。

3.2 凈空環(huán)境比較

三個候選站址分屬甘孜州康定縣地勢相對較高的三座山峰上，四周開闊空曠，方圓1千米內沒有遮擋物，但因位于康定縣山區(qū)，遠距離山峰的遮擋難以避免。利用ArcToolbox窗口3D分析工具箱數(shù)據(jù)管理工具集下的創(chuàng)建TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）工具和3D分析工具箱轉換工具集下的TIN轉柵格工具（TinRaster），可以生成基于適當比例尺精度的數(shù)字高程模型（DEM），由此對三個候選站址的凈空環(huán)境進行地面地形三維數(shù)字化模擬分析。

從GIS生成的三個候選站址雷達遮蔽角圖集上可以看出，候選站址康定機場近距離主要為東方孤立的折多山頂有100左右的遮擋，但水平范圍不寬，也不是天氣系統(tǒng)的主要來向，而候選站址塔公草原和木格措景區(qū)均有較大遮擋角;在分別對三個候選站址的雷達塔樓天線高度抬升12米、20米、40米后，各自的最大遮擋角減少至不足1°，這表明候選站址康定機場凈空環(huán)境條件最好，塔公草原次之，木格措景區(qū)最后。

3.3 電磁環(huán)境、通信環(huán)境、基礎環(huán)境與投資估算比較

關于電磁環(huán)境情況，經(jīng)四川省無線電監(jiān)測站實地測試后，認定三個候選站址均符合相關要求。關于通信環(huán)境情況，候選站址康定機場目前有程控電話、移動和聯(lián)通信號，有電信公司光纖線路，而候選站址塔公草原僅通電話，候選站址木格措景區(qū)無通信條件。關于基礎環(huán)境情況，候選站址康定機場在旅游環(huán)線公路上接入，需新修道路1806.5米，有水源和高壓電源可搭接，而候選站址塔公草原和木格措景區(qū)現(xiàn)無水電設施，且需新建4000米以上道路。關于投資估算情況，候選站址康定機場的土建投資估算最少，塔公草原次之，木格措景區(qū)最后。

因此，通過上述多因素、多手段的綜合比選分析后可以認為，候選站址康定機場符合新一代天氣雷達的選址要求，是較為理想的候選站址，推薦康定機場作為四川甘孜新一代天氣雷達系統(tǒng)的首選站址。

4 GIS在全國天氣雷達組網(wǎng)空間布局分析的應用

在新一代天氣雷達工程咨詢實踐中，利用GIS軟件在天氣雷達站網(wǎng)布局專題地圖上開展大范圍的空間信息查詢、站址間距測量、站址密度分布分析、有效探測范圍緩沖區(qū)分析、水電路通信等保障措施分析、人口經(jīng)濟指標效益分析等涉及空間地理信息數(shù)據(jù)的分析研究工作，將可以變得更加快捷和精確。

4.1 站址密度分布分析

如圖2所示，由ArcGIS軟件制作出的天氣雷達站網(wǎng)布局專題地圖可以看出，全國新一代天氣雷達站址密度分布呈現(xiàn)出與黑河一騰沖線（即胡煥庸線）相似走勢的分水嶺，東密西疏經(jīng)過統(tǒng)計，截至2016年底全國83% （194部）的新一代天氣雷達分布在東部43%的土地上，全國17%（39部）的新一代天氣雷達則分布在西部57%的土地上;同時，還可以看出在青藏高原、塔里木盆地存在大面積布局空白區(qū)。分析原因，可能主要是因為東部地區(qū)城鎮(zhèn)化水平較高，94%的人口居住在黑河一騰沖線以東，人口密集區(qū)是天氣雷達的優(yōu)先建設和重點服務區(qū)域，同時，西部地區(qū)相對惡劣的自然地理條件和后勤保障手段也限制了天氣雷達的布設。但是，需要考慮的是，中西部地區(qū)如同東部地區(qū)一樣也需要城鎮(zhèn)化，需要分享氣象現(xiàn)代化帶來的更好的保障;同時，青藏高原等西部地區(qū)屬于全國降水系統(tǒng)的上游主要發(fā)源地，在此增補天氣雷達對于開展全球氣候系統(tǒng)研究非常必要。

4.2 有效探測范圍緩沖區(qū)分析

有效探測范圍緩沖區(qū)分析是指針對GIS地理數(shù)據(jù)庫里的全國新一代天氣雷達站網(wǎng)點要素和國家級地面氣象觀測站網(wǎng)點要素實體基礎，根據(jù)天氣雷達有效探測半徑，自動建立在其周圍一定寬度范圍內的多邊形實體，以此來表達天氣雷達站網(wǎng)的整體有效探測范圍，從而進行空間信息分析。一般情況下，新一代天氣雷達實現(xiàn)定量估測降水的有效探測半徑可按200千米進行估算。

通過利用ArcToolbox窗口分析工具箱領域分析工具集下的緩沖區(qū)工具（Buffer），結合數(shù)據(jù)管理工具箱制圖綜合工具集下的融合工具（Dissolve）和分析工具箱疊加分析工具集下的相交工具（Intersect），生成落在我國國界內的有效探測范圍緩沖區(qū)面要素圖層，分析可以看出，在忽略高山和建筑物的遮擋影響的情況下，全國己建天氣雷達站的理論探測覆蓋面積約為673.23萬平方千米，約占我國陸地面積的70%;然而，實際情況是受我國復雜地形遮擋的影響，全國新一代天氣雷達網(wǎng)近地面1千米高度僅有20%左右的探測覆蓋率。這表明，我國新一代天氣雷達站網(wǎng)建設還有很大的發(fā)展空間，在后續(xù)的新建站址選擇和己建站址優(yōu)化過程中，還需要更多的科學分析工作。

在實施四川甘孜新一代天氣雷達系統(tǒng)建設項目選址分析過程中，針對首選站址康定機場開展探測范圍緩沖區(qū)分析，如圖3所示，從GIS地圖上可以看出，甘孜雷達的選址建設將能較好地填補四川盆地西緣的天氣雷達探測盲區(qū)，有效地監(jiān)測來自青藏高原及川西盆地的強對流天氣系統(tǒng)，為成都及周邊地區(qū)提供更精準、及時的天氣預警信息。

5 結束語

氣象工程咨詢是一門復合學科，涉及到包括計算機軟件工程、地理科學在內的很多專業(yè)門類，新一代天氣雷達工程選址就是最典型的應用領域。GIS技術在全國天氣雷達組網(wǎng)空間布局分析方面擁有比傳統(tǒng)人工方法更快更好的能力，充分利用GIS的地理數(shù)據(jù)管理和空間分析功能，可為氣象工程咨詢人員科學、高效地開展天氣雷達前期選址等地理信息相關需求分析工作提供強有力的工具，從而為氣象工程項目決策咨詢提供更精確的科學依據(jù)。

參考文獻

[1]中華人民共和國氣象行業(yè)標準QX/T 100-2009.新一代天氣雷達選址規(guī)定[S]，北京：氣象出版社，2009.

[2]中國氣象局.氣象雷達發(fā)展專項規(guī)劃（2017-2020年）[EB/OL]. ht tp： //www. cma.gov. cn/2 0llxqxxw/2 0llxqxyw/2 017 06/t20170626_428211. html.

[3]許小峰，中國新一代多普勒天氣雷達網(wǎng)的建設與技術應用[J].中國工程科學，2003，5 （06）：7-14.

[4]楊洪平，張沛源，程明虎等，多普勒天氣雷達組網(wǎng)拼圖有效數(shù)據(jù)區(qū)域分析[J].應用氣象學報，2009，20 （01）：47-54.