基于SRTM數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)凈空環(huán)境評(píng)估研究

關(guān)鍵詞：氣象環(huán)境；SRTM數(shù)據(jù)；天氣雷達(dá)；墨卡托投影法

中圖分類號(hào)：X830.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著科技和工業(yè)的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境受到一定的破壞，氣象環(huán)境檢測(cè)也越來越受到重視。氣象雷達(dá)是一種探測(cè)和測(cè)量氣象要素的設(shè)備，許多學(xué)者對(duì)氣象環(huán)境和氣象雷達(dá)進(jìn)行大量的研究。龔梅竹等人為分類統(tǒng)計(jì)青海省1998年-2020年的較大及致災(zāi)雷電日，采用主成分分析法和基于主成分的權(quán)重指標(biāo)得分法來對(duì)比分析致災(zāi)雷電日的氣象環(huán)境參數(shù)特征。鄭小華等人基于實(shí)際的觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測(cè)資料，總結(jié)時(shí)空變化特征，揭示不同時(shí)間尺度和氣象環(huán)境對(duì)臭氧濃度變化的影響。Wang Z等人表示目前大氣氣溶膠在極端氣象和空氣污染事件中的作用尚未得到很好的證明，因此通過回顧過往的研究，強(qiáng)調(diào)氣溶膠在極端天氣事件中的氣象反饋的重要性。Ebrahimi Khusfi Z等人表示氣象數(shù)據(jù)為評(píng)估干旱對(duì)生長(zhǎng)季節(jié)土地退化的影響提供機(jī)會(huì)，并利用氣象和衛(wèi)星數(shù)據(jù)調(diào)查干旱對(duì)伊朗阿拉克平原制備退化的影響。天氣雷達(dá)可用于監(jiān)測(cè)降雨、雷暴、氣旋等自然天氣現(xiàn)象，在檢測(cè)氣象環(huán)境方面具有重要的作用，凈空環(huán)境對(duì)雷達(dá)的觀測(cè)能力和數(shù)據(jù)質(zhì)量有直接影響，但凈空環(huán)境評(píng)估過程較為繁瑣耗時(shí)。在這一背景下，研究提出基于航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）高程數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)凈空環(huán)境評(píng)估方法。

1基于雷達(dá)的環(huán)境檢測(cè)

1.1基于氣象雷達(dá)的氣象環(huán)境檢測(cè)

雷達(dá)的選址至關(guān)重要，直接影響到了雷達(dá)的探測(cè)能力。為此，研究以地形復(fù)雜、環(huán)境艱苦的山西省忻州市五臺(tái)山氣象站為研究對(duì)象，進(jìn)行天氣雷達(dá)的凈空環(huán)境評(píng)估，為雷達(dá)的選址提供可靠依據(jù)。山西省忻州市五臺(tái)山氣象站是一類高山艱苦氣象站，最低氣溫-44.8℃，年平均大風(fēng)182天，年平均積雪148天，全年觀測(cè)基數(shù)超過18000個(gè)。觀測(cè)站的海拔2208.3米，經(jīng)度113.31°，緯度38.57°。為驗(yàn)證基于SRTM數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)凈空環(huán)境評(píng)估方法的可行性，研究采用山西省忻州市五臺(tái)山氣象站作為實(shí)例。

氣象雷達(dá)是檢測(cè)氣象環(huán)境的重要手段，是一種主動(dòng)式微波大氣遙感設(shè)備，在突發(fā)性、災(zāi)害性的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和警報(bào)中起到重要作用。工作原理是通過向大氣中發(fā)射無線電波，然后接收被目標(biāo)反射回來的波束，當(dāng)這些波束與降水、云層等物體相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)。通過分析這些回波信號(hào)的強(qiáng)度、頻率、方向和時(shí)間延遲等特征，獲取有關(guān)天氣現(xiàn)象的信息。在不考慮大氣對(duì)電磁波的衰減和充塞系數(shù)影響的情況下，在氣象目標(biāo)物對(duì)雷達(dá)波的反向散射滿足瑞利散射的條件下，雷達(dá)接收的平均回波功率如式（1）所示。

3基于SRTM數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)凈空環(huán)境評(píng)估效果分析

研究在能見度良好的情況下，采用基于SRTM數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)凈空環(huán)境評(píng)估方法進(jìn)行地物遮擋觀測(cè)，并與常規(guī)氣象觀測(cè)中應(yīng)用的測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，相較于測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀，基于SRTM數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)凈空環(huán)境評(píng)估方法的方位分辨率更高，為0.25°，測(cè)距更長(zhǎng)，大于260千米，還能夠節(jié)省人力，具有一定的可行性和優(yōu)越性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的效果，研究對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，并與未進(jìn)行矯正計(jì)算、只進(jìn)行距離矯正以及實(shí)地勘測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，三種方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)地勘測(cè)結(jié)果之間均沒有較大的誤差，其中研究方法與實(shí)地勘測(cè)結(jié)果之間的誤差最小。結(jié)果表明，所提方法與人工測(cè)量方法具有較好的一致性，具有一定的可行性和有效性。

對(duì)三種不同方法得到的結(jié)果進(jìn)行誤差比較，如圖2所示。從圖中可以看出，在130°、225°和250°誤差附近，三種方法的誤差均較大。此外，三種方法的方位角均在0°附近上下變化，但相較于未進(jìn)行矯正計(jì)算和進(jìn)行距離矯正的評(píng)估方法，研究提出的方法變化幅度最小，誤差最小。

為驗(yàn)證計(jì)算誤差是否受到SRTM數(shù)據(jù)精度的影響，研究采用兩種精度的SRTM數(shù)據(jù)，將上述三種方法的遮蔽角平均誤差進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，相較于另外兩種方法，研究算法的誤差更小。此外，研究方法在SRTM數(shù)據(jù)更高時(shí)的誤差更小，遮蔽角平均誤差能夠達(dá)到-0.03。

4結(jié)論

隨著科技的高速發(fā)展，氣象雷達(dá)的準(zhǔn)確度也得到了提高，而在天氣雷達(dá)的選址中，凈空環(huán)境對(duì)雷達(dá)的觀測(cè)能力和數(shù)據(jù)質(zhì)量有直接影響。針對(duì)雷達(dá)凈空環(huán)境的評(píng)估過程較為繁瑣耗時(shí)的問題，研究提出了基于SRTM高程數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)凈空環(huán)境評(píng)估方法，并進(jìn)行方位和距離矯正。結(jié)果表明，相較于測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀，基于SRTM數(shù)據(jù)的天氣雷達(dá)凈空環(huán)境評(píng)估方法的方位分辨率更高，為0.25°，測(cè)距更長(zhǎng)，大于260千米；研究方法與實(shí)地勘測(cè)結(jié)果之間的誤差最小，與人工測(cè)量方法具有較好的一致；相較于未進(jìn)行矯正計(jì)算和只進(jìn)行了距離矯正的評(píng)估方法，研究提出的方法變化幅度最小，誤差最?。谎芯糠椒ǖ脑u(píng)估結(jié)果在SRTM數(shù)據(jù)更高時(shí)的誤差更小，遮蔽角平均誤差能夠達(dá)到-0.03。