GIS技術(shù)在新一代天氣雷達(dá)工程選址分析中的應(yīng)用

伍洋

摘要 新一代天氣雷達(dá)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(jì)算和描繪的方式進(jìn)行，隨著GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的廣泛應(yīng)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(dá)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(xiàng)目決策者更加科學(xué)、快速、精確地完成雷達(dá)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(dá)工程前期站址比選中引入GIS技術(shù)的可行性和技術(shù)方法。

[關(guān)鍵詞]新一代天氣雷達(dá) 工程選址 地理信息系統(tǒng)

新一代天氣雷達(dá)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(shù)，能夠定量估算降雨回波強(qiáng)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(zāi)害性天氣和極端氣候事件的預(yù)報(bào)預(yù)警、云水資源利用與生態(tài)環(huán)境修復(fù)、生態(tài)文明建設(shè)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(dá)網(wǎng)始建于20世紀(jì)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(dá)的布設(shè)，基本覆蓋了我國主要經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)、氣候敏感區(qū)和災(zāi)害頻發(fā)區(qū)等關(guān)鍵性區(qū)域。但由于我國地形復(fù)雜等原因，新一代天氣雷達(dá)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(bǔ)現(xiàn)有新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的探測盲區(qū)，國家發(fā)展改革委己批準(zhǔn)中國氣象局在“十三五”期間加密布設(shè)一批新一代天氣雷達(dá)，而這些雷達(dá)站選址的優(yōu)劣將直接關(guān)系到工程項(xiàng)目建設(shè)效益的發(fā)揮和設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 影響天氣雷達(dá)站選址的因素

根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《新一代天氣雷達(dá)選址規(guī)定》（QX/T 100-2009）的要求，新一代天氣雷達(dá)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(dá)站址間距在250千米至200千米之間，對于災(zāi)害性天氣頻繁區(qū)、重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)區(qū)或其它需加強(qiáng)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(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站的直線距離應(yīng)小于50千米。

（2）凈空環(huán)境因素，要求避開雷達(dá)探測范圍內(nèi)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(yīng)大于0.50.

（3）地理環(huán)境、電磁環(huán)境、通信環(huán)境、基礎(chǔ)環(huán)境等因素，分別要求擬選站址有良好的自然地理建設(shè)條件，避開山洪山體滑坡頻繁地等危險(xiǎn)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(chǔ)設(shè)施滿足工程建設(shè)條件。

其中，站址間距因素涉及到候選雷達(dá)站址與周邊鄰近的多個(gè)己建雷達(dá)站、氣象臺(tái)站之間的空間交互分析，囊括地理范圍較大、數(shù)據(jù)計(jì)算量復(fù)雜;而其它因素則主要是針對每個(gè)候選站址單站本身?xiàng)l件的綜合分析，涉及候選站址與周邊環(huán)境的適應(yīng)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(dá)站在運(yùn)行過程中還會(huì)因國家重點(diǎn)工程建設(shè)調(diào)整、城市總體規(guī)劃變化、氣象探測環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞以及極端自然災(zāi)害等不可預(yù)測因素，需要進(jìn)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(chǔ)環(huán)境和城市規(guī)劃是需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，它們有個(gè)共同的特點(diǎn)就是均涉及地理空間數(shù)據(jù)及與該位置有關(guān)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(shù)自身特點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值的地方。根據(jù)前期調(diào)研、分析和設(shè)計(jì)的結(jié)果，開展基于GIS的天氣雷達(dá)站網(wǎng)布局制圖、信息統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析工作，是較好地完成新一代天氣雷達(dá)工程項(xiàng)目咨詢研究報(bào)告的重要組成部分。

2 天氣雷達(dá)站網(wǎng)布局專題地圖制作

專題地圖制作是GIS最基礎(chǔ)的功能。為了能對天氣雷達(dá)站址數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)用戶桌面組件組成）繪制出全國新一代天氣雷達(dá)站網(wǎng)布局專題地圖。首先，根據(jù)選址精度要求準(zhǔn)備適當(dāng)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(dá)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(dǎo)入到ArcMap中開展制圖;之后，通過點(diǎn)、線、面要素圖層布局設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)內(nèi)容表現(xiàn)形式操作、地理要素設(shè)置標(biāo)注、地圖美化修飾等步驟，即可成圖進(jìn)行分析及展示了。

天氣雷達(dá)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(dá)和自動(dòng)氣象站等氣象儀器的設(shè)備分布、氣象和地理背景產(chǎn)品布局、雷達(dá)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和配套保障設(shè)施布局等。可以說，新一代天氣雷達(dá)站網(wǎng)布局專題地圖制作的過程，也是一次基于GIS技術(shù)的新一代天氣雷達(dá)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(nèi)容和形式需隨著分析過程的開展和設(shè)計(jì)想法的改進(jìn)而不斷調(diào)整完善。

3 單站站址比選實(shí)例

在開展四川甘孜新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目可行性研究過程中，結(jié)合四川甘孜州地勢北高南低、中部突起、東南緣深切的復(fù)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(zāi)害性天氣影響的特點(diǎn)，經(jīng)地圖作業(yè)和實(shí)地勘察，綜合考慮各種因素后，確定康定機(jī)場、木格措景區(qū)、塔公草原作為三個(gè)候選站址，進(jìn)行站址比選。擬比選的三個(gè)候選站址均位于甘孜州康定縣范圍內(nèi)，其中重點(diǎn)候選站址康定機(jī)場位于康定縣城以西、康定機(jī)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(dá)站網(wǎng)布局專題地圖可以看出，甘孜州三個(gè)候選站址相距不遠(yuǎn)，在候選站址的北方、東方和南方有4個(gè)相鄰較近的己建成的新一代天氣雷達(dá)站點(diǎn)，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(diǎn)集轉(zhuǎn)線工具（PointToLine）和在折點(diǎn)處分割線工具（SplitLineAtPoint）可以對三個(gè)候選站址與4個(gè)己建成站址之間的間距進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。

通過GIS軟件分析可以看出，候選站址康定機(jī)場與阿壩、成都、樂山和西昌4個(gè)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(gè)候選站址西方、西北方和西南方400千米范圍內(nèi)均沒有建站，這表明甘孜州候選站址能夠較好地填補(bǔ)成都以西、四川中南部地區(qū)的雷達(dá)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(gè)候選站址鄰近的東南方的康定國家基準(zhǔn)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(jié)果顯示，候選站址康定機(jī)場與康定、雅江、丹巴3個(gè)氣象臺(tái)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(jī)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(shè)備后勤運(yùn)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(gè)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(nèi)沒有遮擋物，但因位于康定縣山區(qū)，遠(yuǎn)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(zhuǎn)換工具集下的TIN轉(zhuǎn)柵格工具（TinRaster），可以生成基于適當(dāng)比例尺精度的數(shù)字高程模型（DEM），由此對三個(gè)候選站址的凈空環(huán)境進(jìn)行地面地形三維數(shù)字化模擬分析。

從GIS生成的三個(gè)候選站址雷達(dá)遮蔽角圖集上可以看出，候選站址康定機(jī)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(gè)候選站址的雷達(dá)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(jī)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(chǔ)環(huán)境與投資估算比較

關(guān)于電磁環(huán)境情況，經(jīng)四川省無線電監(jiān)測站實(shí)地測試后，認(rèn)定三個(gè)候選站址均符合相關(guān)要求。關(guān)于通信環(huán)境情況，候選站址康定機(jī)場目前有程控電話、移動(dòng)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(guān)于基礎(chǔ)環(huán)境情況，候選站址康定機(jī)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(shè)施，且需新建4000米以上道路。關(guān)于投資估算情況，候選站址康定機(jī)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(rèn)為，候選站址康定機(jī)場符合新一代天氣雷達(dá)的選址要求，是較為理想的候選站址，推薦康定機(jī)場作為四川甘孜新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)的首選站址。

4 GIS在全國天氣雷達(dá)組網(wǎng)空間布局分析的應(yīng)用

在新一代天氣雷達(dá)工程咨詢實(shí)踐中，利用GIS軟件在天氣雷達(dá)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(jì)指標(biāo)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(dá)站網(wǎng)布局專題地圖可以看出，全國新一代天氣雷達(dá)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(jì)，截至2016年底全國83% （194部）的新一代天氣雷達(dá)分布在東部43%的土地上，全國17%（39部）的新一代天氣雷達(dá)則分布在西部57%的土地上;同時(shí)，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?yàn)闁|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(dá)的優(yōu)先建設(shè)和重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域，同時(shí)，西部地區(qū)相對惡劣的自然地理?xiàng)l件和后勤保障手段也限制了天氣雷達(dá)的布設(shè)。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(shí)，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(bǔ)天氣雷達(dá)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(dá)站網(wǎng)點(diǎn)要素和國家級地面氣象觀測站網(wǎng)點(diǎn)要素實(shí)體基礎(chǔ)，根據(jù)天氣雷達(dá)有效探測半徑，自動(dòng)建立在其周圍一定寬度范圍內(nèi)的多邊形實(shí)體，以此來表達(dá)天氣雷達(dá)站網(wǎng)的整體有效探測范圍，從而進(jìn)行空間信息分析。一般情況下，新一代天氣雷達(dá)實(shí)現(xiàn)定量估測降水的有效探測半徑可按200千米進(jìn)行估算。

通過利用ArcToolbox窗口分析工具箱領(lǐng)域分析工具集下的緩沖區(qū)工具（Buffer），結(jié)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(nèi)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(dá)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(shí)際情況是受我國復(fù)雜地形遮擋的影響，全國新一代天氣雷達(dá)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(dá)站網(wǎng)建設(shè)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(xué)分析工作。

在實(shí)施四川甘孜新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目選址分析過程中，針對首選站址康定機(jī)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(dá)的選址建設(shè)將能較好地填補(bǔ)四川盆地西緣的天氣雷達(dá)探測盲區(qū)，有效地監(jiān)測來自青藏高原及川西盆地的強(qiáng)對流天氣系統(tǒng)，為成都及周邊地區(qū)提供更精準(zhǔn)、及時(shí)的天氣預(yù)警信息。

5 結(jié)束語

氣象工程咨詢是一門復(fù)合學(xué)科，涉及到包括計(jì)算機(jī)軟件工程、地理科學(xué)在內(nèi)的很多專業(yè)門類，新一代天氣雷達(dá)工程選址就是最典型的應(yīng)用領(lǐng)域。GIS技術(shù)在全國天氣雷達(dá)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?nèi)藛T科學(xué)、高效地開展天氣雷達(dá)前期選址等地理信息相關(guān)需求分析工作提供強(qiáng)有力的工具，從而為氣象工程項(xiàng)目決策咨詢提供更精確的科學(xué)依據(jù)。

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