張家口市高空氣象探測環境綜合分析

蔣文軒，劉慧敏

張家口市氣象局，河北張家口 075000

氣象觀測資料必須具有代表性、準確性、可比較性和連續性，這不僅取決于觀測儀器、觀測方法和觀測人員的技術水平，還依賴觀測儀器所在的環境狀況。氣象資料的代表性、準確性、可比性得不到有效保障，就會使得氣候事件的監測和預報能力不高[1]。高空氣象探測是天氣預報、氣候分析和各種大氣遙感儀器校驗標準的基礎，我國常規高空觀測近年來取得了長足的發展[2]。開展高空氣象環境調查評估工作有利于建立科學的氣象探測環境保護標準，為氣象臺站的選址、遷移和站網布局調整提供科學依據；全面了解氣象觀測站探測環境現狀，積累探測環境基本資料，并對探測環境進行客觀、定量評價，為氣象觀測數據的質量控制提供基本依據。建立氣象觀測站探測環境動態管理檔案，實現全國氣象觀測站探測環境的實時跟蹤和動態管理，以加強對氣象觀測站探測環境的保護與管理[3-4]。目前，目前文獻大多對地面氣象觀測站的環境評估較為深入，而對高空氣象探測環境鮮少介紹[5-6]。本研究分析了張家口高空站的L波段雷達探測環境發展變化。

1 張家口市高空氣象站基本情況

張家口市高空氣象站海拔774.0 m，L波段雷達海拔780.7 m，介于114°55′E，40°46′N，于2010年4月1日正式投入業務運行。張家口高空站采用L波段雷達即 GFE（L）1型二次測風雷達，與 GTS11、GTS12、GTS13型數字探空儀組成的新一代高空氣象探測系統，每日07:00、19:00進行2次觀高空測，積累了極為珍貴高空氣象歷史資料。張家口高空站所屬地處華北平原與內蒙古高原的過渡帶，臺站半徑100 km范圍內高原占35.0%，壩下河川、盆地占16.6%，丘陵占11.9%，山區占36.5%，地形、地貌復雜，土地資源豐富，類型多樣，氣象要素多變。隨著近十年城市建設的快速發展，臺站周邊環境已經由最開始的農業、工業用地發展為居民區，臺站高空探測環境已發生改變。

2 L波段雷達探測環境干擾因素

L波段雷達探測環境的干擾因素主要有周邊高大建筑，同頻段電視臺、移動信號干擾、臺站本身地理環境等。張家口高空站在2010年換址前，就因為隨著城市規模的不斷發展，周邊高樓林立，各種信號塔、信號源層出不窮，導致放球成功率較低、信號差。高空業務規范要求放球場半徑50 m范圍內平坦空曠，但由于原先的探測環境遭到破壞，導致出現了各種問題。

例如，當氣壓使探空氣球平移或下墜時，容易碰到附近建筑物或其他障礙物，造成氣球刮破或探空儀摔壞；近地層的風速、風向、溫度等氣象要素由于城市風洞或城市熱島等因素影響，造成氣象數據準確性受到嚴重影響；又由于當地冬季西北風較多，且風力較大，導致在高空氣象觀測后期雷達仰角很低，受高大建筑物的影響探空儀的信號衰減，導致非正常數據增多，嚴重影響高空數據的可靠性和雷達的探測高度，無法滿足業務規范要求探空平均高度的26 000 m。為保證高空氣象資料“三性”，定期開展高空氣象探測評估及動態管理，對了解觀測數據的來源，進行觀測數據的質量控制，實現全國高空氣象臺站觀測環境的實時跟蹤和動態管理，以加強對氣象臺站觀測環境的保護與管理具有重要的意義[7]。

3 探測環境評估依據及方法

此次氣象探測環境調查評估以2000年實施的《中華人民共和國氣象法》、2012年頒布的《氣象設施和氣象探測環境保護條例》（國務院第 623號令）、2007年中國氣象局頒布的《氣象臺站觀測環境綜合調查評估方法（試行）》及2013年修訂完善的《國家級地面氣象觀測站和高空氣象觀測站探測環境調查評估方法》（氣測函〔2013〕258號附件）為依據，采用定性調查與定量評估相結合的方式。

高空探測環境評估以L波段雷達為中心，四周障礙物角度使用經緯儀測量遮蔽障礙物（經緯儀仰角測量范圍：0°～90°，方位角測量范圍：0°～360°，測量精度0.1°，測量誤差≤±0.1°）。具體方法是：按照順時針方向，方位角每隔2°測量雷達遮擋物的最高仰角，繪制雷達天線四周障礙物遮蔽圖（圖上表明2°和5°線，已明確遮擋情況），同時繪制雷達天線障礙遮擋仰角與雷達觀測歷史（3年）最低仰角擬合圖。

4 張家口市高空站3次探測環境對比分析

4.1 3次高空探測環境雷達天線四周障礙物遮蔽圖對比分析

圖1、圖2、圖3分別為2013、2018、2022年雷達天線四周障礙物遮蔽圖。通過對3次雷達天線四周障礙物遮蔽圖的分析，可以得出以下結論：

圖1 2013年雷達天線四周障礙物遮蔽圖

圖2 2018年雷達天線四周障礙物遮蔽圖

圖3 2022年雷達天線四周障礙物遮蔽圖

一是障礙物遮蔽角的測量方法有所改進，2022年的高空氣象探測環境評估的方法較前2次評估更加精確、科學。方位角的間隔由過去的10°變為現在的2°，避免了狹窄障礙物在評估過程中的遺漏，使得探測環境更加真實、準確；同時將自然障礙物和人為障礙物統一為總障礙物，這樣可以更加明確表示雷達的遮擋角。

二是雷達周邊的探測環境有所變化，但整體趨勢仍,滿足探測環境要求。（1）雷達四周360度的障礙物遮蔽角幾乎全部小于5°，沒有嚴重影響雷達觀測的遮礙物。（2）2022年的障礙物遮蔽圖與2018年障礙物遮蔽圖比較發現，在方位角60°左右又出現了新的較高的障礙物，需要提高重視。（3）對比3次障礙物遮蔽圖可以看出在300°～360°區間內，人為建筑物的遮擋角在減小，這表明探測環境的變好。（4）在雷達站的下風方向120°內（140°～260°之間），遮擋角物無明顯變化，且滿足障礙物遮蔽角小于2°，表明探測環境完全滿足業務規范需求。

4.2 3次雷達天線障礙遮擋仰角與雷達觀測歷史（3年）最低仰角擬合折線圖對比分析

圖4、圖5、圖6分別為2013、2018、2022年雷達天線障礙遮擋仰角與雷達觀測歷史（3年）最低仰角擬合折線圖。通過對比分析3次雷達天線障礙遮擋仰角與雷達觀測歷史（3年）最低仰角擬合圖，可以得出在過去10年期間，雷達天線障礙遮擋仰角在方位角0°～360°之間全部大于雷達觀測歷史最低仰角，表明高空氣象探測環境的變化沒有對高空氣象業務工作產生影響，符合高空業務要求規定；同時也可以發現在方位角70°～90°區間，雷達天線障礙遮擋仰角與雷達觀測歷史最低仰角相差較小，應提高重視，加強該方位的探測環境保護預警，保障探測環境的可靠。

圖4 2013年雷達天線障礙遮擋仰角與雷達觀測歷史（3年）最低仰角擬合折線圖

圖5 2018年雷達天線障礙遮擋仰角與雷達觀測歷史（3年）最低仰角擬合折線圖

圖6 2022年雷達天線障礙遮擋仰角與雷達觀測歷史（3年）最低仰角擬合折線圖

同時，通過雷達觀測歷史最低仰角曲線可以看出，在方位角70°～130°之間，雷達的觀測最低仰角幾乎均＜7°，這對應的雷達記錄幾乎全部出現在每年的11月至翌年2月，這是張家口市高空站所處的地理位置所造成的，張家口市區冬季在高空受強西風帶影響，高空風速大，所有探空儀的飛行水平距離遠，雷達的工作仰角低。在實際業務工作中會造成高空觀測后段由于雷達仰角低、信號模糊，非正常數據增多，影響探空觀測質量，所有應當注意這個方位的探測環境保護。

5 高空探測環境保護建議

5.1 加強與本地區各相關部門的合作聯系

做好高空氣象探測環境的保護工作，只依靠氣象部門單位的能力是遠遠不夠的，同時也存在單位職能的局限性。應與當地國土、規劃、建設、發改等部門加強聯系合作，建立相應的工作機制。例如，在站點周邊城市建設項目的前期規劃工作中，引入氣象探測環境保護的概念，使各級城市建設單位意識到氣象探測環境保護的重要性，將氣象探測環境保護工作落到實處。

5.2 統籌規劃，站點選址具有前瞻性

近年來我國城市化建設的快速發展，在新站建設選址或舊站搬遷選址時，應更加具有前瞻性，根據各地城市總規劃方案，聯系自身實際特點，合理建設、布局氣象臺站。例如，可以將氣象站直接建在（或遷到）飛機場附近、山體公園或廣場內等限高區內，在一定程度上也起到了保護氣象探測環境的作用。既利于各地城鄉規劃的順利實施，又有利于氣象臺站自身工作和生活條件的改善，也有利于發展與相鄰單位和居民的和諧關系，從而更有利于氣象事業的長遠發展。

5.3 加強執法力隊伍的建設

隨著氣象探測站點的增加，氣象探測環境保護的任務也在加重，因此需要更多的執法大隊進行管理和監督，但氣象探測環境保護的復雜性也凸顯了執法人員的不足，缺乏實踐經驗。為了解決這一問題，氣象管理部門應加強對執法人員的教育和培訓，形成上有監管，下有落實的良好機制，并制定長期、定期的環境監察制度，加大聯合執法的力度，形成良好的執法溝通環境，從而更好地保護氣象探測環境。

6 結束語

通過對10年期間張家口市3次高空氣象觀測環境的分析，得出以下結論：

（1）通過橫向對比高空探測環境分析，可以了解到了張家口高空站觀測環境變化過程及現狀，并建立了相關的管理檔案。

（2）雖然高空站周邊環境變得復雜，但以目前現狀來看，探測環境并未嚴重影響高空業務觀測，符合業務規范需求。

（3）加強保護氣象探測環境刻不容緩，要充分認識到其重要性，做好氣象探測環境長期保護專項規劃工作，保障氣象觀測資料的準確性。

對張家口高空站的3次探測環境評估，對于確保全面了解張家口探空站氣象高空觀測環境現狀和發展變化，能夠有效地積累觀測環境基本資料、對于后續的建立高空站觀測環境動態管理檔案有很大程度的幫助，同時有利于高空臺站觀測環境的保護與管理，有利于今后建立科學的氣象觀測環境保護標準。