中山市X波段相控陣雷達選址分析

傾鵬程，謝嘯天，湯 沛

(中山市氣象局，中山 528400)

0 引言

中山市地處珠三角和粵港澳大灣區的幾何中心，南接珠海，東承深圳、東莞，北連廣州、佛山，西接江門，既是中繼又是樞紐。因此，中山市雷達安裝是粵港澳大灣區雷達組網觀測的重要環節。

龍卷、冰雹、短時強降水等中小尺度強對流天氣是造成重大人員傷亡以及重大社會經濟損失的氣象災害事件[1]。精準監測中小尺度天氣系統[2，3]是及時有效做出預測預報的關鍵，而新一代雙偏振X波段相控陣天氣雷達就具備這種能力[4，5]。但由于X波段雷達存在波束的衰減特性[6，7]，未實現智能彈性觀測、協同組合觀測、交叉驗證觀測和連續跟蹤觀測的目的，只能利用多臺雷達從多角度、多方向對強天氣系統進行協同的組網觀測[8]，這對于雷達建設的選址規劃有很高的要求。文章通過對中山市相控陣雷達建設選址問題進行研究，從電磁環境、凈空分析、基礎條件投資分析等方面進行綜合分析，形成雷達組網選址的最佳方案。

1 相控陣雷達組網選址原則

雖然相控陣天氣雷達目前還沒有明確的建設標準，但可以參照QX/T 100-2009《新一代天氣雷達選址規定》開展選址工作。基本原則是在雷達站址選擇時，應考慮到既能有效探測中心城區人員密集場所，又能兼顧西南部強對流天氣易生成、易致災地區，同時還應服務于東南部重點工程所在區域。除此之外，選址原則還要充分考慮地域特點[9]。基于上述基礎，在雷達站選址中應遵循9大原則：

1)應符合國家、廣東省、粵港澳大灣區有關氣象雷達布局規劃要求；

2)應結合中山市主要天氣系統來向，綜合考慮雷達覆蓋人口密集的中心城區和中山港、中山火炬高技術產業開發區等主要經濟活動區，以及中山市主要鎮街；

3)應統籌考慮適合目前所需布設的雷達組網間距以及適合周邊地市已布設的同類型雷達組網拓撲結構；

4)應考慮所選站點是否具有良好的探測凈空條件，是否在有效探測范圍內，盡量避免自然或人造地物對低仰角探測波束造成遮擋；

5)應考慮建設和維護的便利性，降低雷達站建設和運維成本；

6)應考慮所選站點地質的穩定性，避開易發生泥石流、塌方的地方；

7)應考慮避開人類生產、生活活動對雷達探測的干擾，雷達站點1.5 km半徑范圍內不應有采石場、露天礦山、火力發電廠等煙塵排放點；

8)應考慮所選站點有適合雷達使用的頻率資源；

9)建站用地權屬清晰，不存在糾紛，易協調。

中山市以平原為主，地勢中部高亢，四周平坦，平原地區自西北向東南傾斜。結合選址原則，在中山市南部區域和北部區域各布設一部探測距離為60 km的相控陣天氣雷達，雷達交疊探測覆蓋區實現了對中山市行政區的全覆蓋。

為了獲取探測區域的真實三維風場信息，需要用到至少3部在不同方位布設的雷達對該區域同一時間觀測的數據[10-12]，因此需要借助布設在中山周邊地市的同類型相控陣天氣雷達數據。目前，中山周邊地市已布設的同類型相控陣天氣雷達共有10部，通過借助珠海(黃楊山站雷達、淇澳島站雷達)、江門(蓬江雷達)、廣州(南沙雷達、番禺雷達)的雷達探測數據，就可以反演出中山市全域近地層空域真實三維風場。當中山市2部雷達與江門、廣州、珠海已布設的5部雷達組網協調觀測時，中山市行政區全域近地層空域，能夠同時被3部或以上雷達探測覆蓋。由于不同方位的雷達能夠相互補盲，7部雷達協同觀測，就能達到對中山市全域無盲區覆蓋的布設目標。

2 綜合分析

根據選址原則，最終候選站址共有4處，如表1所示。文章將從電磁環境、凈空條件、投資分析等方面進行綜合分析。

表1 中山市相控陣天氣雷達站候選站址

2.1 電磁環境

根據《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》，X波段相控陣天氣雷達工作頻率在9.3～9.5 GHz，確定該頻段內無線電信號源和信號強度，即可評估是否具有適合布設X波段相控陣天氣雷達的電磁環境[13]。測試設備由標準增益喇叭天線、頻譜儀、低噪聲放大器和GPS接收機等構成。

經過測試得出，候選站點結果均適宜，為了使結果能反映出空氣中的實際環境，最大電平I需要折算到空中電平Ih，計算公式為：

Ih=I-Gr-GL+L

(1)

式中，I為頻譜儀中讀數；Gr為測試天線增益；GL為低噪放增益；L為饋線損耗。最終的測試結果中，北部測試點黃圃海蝕公園，頻段內環境噪聲平均電平值I為-74.550 5 dBm/10 kHz，折算到空中的環境噪聲電平值為-140.950 5 dBm/10 kHz。南部測試點中，東區金鐘水庫，頻段內環境噪聲平均電平值為-73.018 1 dBm/10 kHz，折算到空中的環境噪聲電平值為-139.418 1 dBm/10 kHz。五桂山大尖山頻段內環境噪聲平均電平值I為-74.81 dBm/10 kHz，折算到空中的環境噪聲電平值為-141.21 dBm/10 kHz。坦洲鐵爐山頻段內環境噪聲平均電平值I為-71.745 8 dBm/10 kHz，折算到空中的環境噪聲電平值為-138.145 8 dBm/10 kHz。環境噪聲電平值越低效果越好，4個候選站址工作頻率選擇裕度，均可以滿足雷達建設電磁環境的要求。

2.2 凈空分析

凈空分析在雷達站址選擇中也具有極為重要的作用。相控陣雷達的波束寬為1.8°，為最大限度對中低空域小尺度強對流天氣系統進行探測監視，雷達最理想的探測仰角為0.9°。雷達在探測時，其波束底部掃描平面平行于水平面(忽略地球曲率)。

在雷達有效探測方位，最好不出現高于雷達安裝平臺的地物。如果提高探測仰角使波束越過遮擋物，則仰角每提高0.1°，在有效探測距離35 km處，探測盲區高度就增加約61 m。

黃圃海蝕公園候選站位于海蝕公園風景區內的相對制高點，緊鄰無高大遮擋物，但在2.2 km范圍內南向有海拔70～75 m的小山體，為避免小山體影響，只要在該點修建1座高度15 m的鐵塔，使雷達天線高過緊鄰樹冠即可。

南部的3個候選站點中，坦洲鐵爐山位于一個海拔高度為400 m的次高點，與緊鄰的最高點高度差不超過25 m，如果在該處修建1座高25 m的雷達塔，在雷達探測范圍內，遮蔽角≤0.3°，則該站址探測凈空條件良好。相對來說，五桂山、大尖山的東南方向略有遮擋，東區金鐘水庫則被南方山體大幅遮擋，凈空條件較差。

2.3 投資分析

從交通、供電和通信角度分析，東區金鐘水庫及黃圃海蝕公園交通、供電、通信條件都較好，雷達站基礎設施建設投資需求相對較少。坦洲鐵爐山可共享自然資源局的電力、通信電路，但雷達塔的材料需人工搬運、設備需進行吊裝工作，總體上雷達站基礎設施建設投資需求相對適中。五桂山大尖山需新建供電，通信距離較長(超3 km)，且雷達塔材料需人工搬運、設備需進行吊裝工作，雷達站基礎設施建設投資需求最大。

3 結束語

根據上述分析結果，通過現場勘察和分析論證，最終選擇黃圃海蝕公園和坦洲鐵爐山建設雷達塔分別覆蓋中山市北部和南部區域，通過兩部雷達以組網觀測的模式實現對中山市全域無盲區覆蓋的布設目標。選址的可行性，主要表現在以下3個方面：

1)符合天氣雷達站規劃布局要求

此次選取的兩個站點經過對比論證，布設天氣雷達位置符合國家、廣東省和中山市有關天氣雷達布局規劃的要求。

2)方位優越

首先，將兩個站點連成一條直線，大致將中山等分為東西兩部分，在這兩個點布設雷達，對中山東部或西部的覆蓋較為均衡。其次，黃圃站點位于中山市北部，海拔為70 m，距離市中心約25 km。坦洲站點位于中山市南面，海拔為430 m，距離市中心約24 km。在兩處布設相控陣天氣雷達，形成的探測交疊覆蓋區達到5597 km2，可以很好地覆蓋中山市人口密集的中心城區、主要經濟活動區和中山主要天氣系統來向。

3)便于與周邊雷達組網協同觀測

兩個站點與周邊地市已布設的雷達，距離適中，相對方位較好，兩個站點東面與廣州南沙站和珠海淇澳島站構成1個四邊形，西面與珠江黃楊山站和江門蓬江站也構成1個四邊形，符合四邊形組網方法。