基于SRTM數據的天氣雷達凈空環境評估研究

關鍵詞：氣象環境；SRTM數據；天氣雷達；墨卡托投影法

中圖分類號：X830.7 文獻標志碼：B

前言

隨著科技和工業的快速發展，生態環境受到一定的破壞，氣象環境檢測也越來越受到重視。氣象雷達是一種探測和測量氣象要素的設備，許多學者對氣象環境和氣象雷達進行大量的研究。龔梅竹等人為分類統計青海省1998年-2020年的較大及致災雷電日，采用主成分分析法和基于主成分的權重指標得分法來對比分析致災雷電日的氣象環境參數特征。鄭小華等人基于實際的觀測數據和氣象監測資料，總結時空變化特征，揭示不同時間尺度和氣象環境對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，強調氣溶膠在極端天氣事件中的氣象反饋的重要性。Ebrahimi Khusfi Z等人表示氣象數據為評估干旱對生長季節土地退化的影響提供機會，并利用氣象和衛星數據調查干旱對伊朗阿拉克平原制備退化的影響。天氣雷達可用于監測降雨、雷暴、氣旋等自然天氣現象，在檢測氣象環境方面具有重要的作用，凈空環境對雷達的觀測能力和數據質量有直接影響，但凈空環境評估過程較為繁瑣耗時。在這一背景下，研究提出基于航天飛機雷達地形測繪使命（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）高程數據的天氣雷達凈空環境評估方法。

1基于雷達的環境檢測

1.1基于氣象雷達的氣象環境檢測

雷達的選址至關重要，直接影響到了雷達的探測能力。為此，研究以地形復雜、環境艱苦的山西省忻州市五臺山氣象站為研究對象，進行天氣雷達的凈空環境評估，為雷達的選址提供可靠依據。山西省忻州市五臺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182天，年平均積雪148天，全年觀測基數超過18000個。觀測站的海拔2208.3米，經度113.31°，緯度38.57°。為驗證基于SRTM數據的天氣雷達凈空環境評估方法的可行性，研究采用山西省忻州市五臺山氣象站作為實例。

氣象雷達是檢測氣象環境的重要手段，是一種主動式微波大氣遙感設備，在突發性、災害性的監測、預報和警報中起到重要作用。工作原理是通過向大氣中發射無線電波，然后接收被目標反射回來的波束，當這些波束與降水、云層等物體相互作用時，會產生回波信號。通過分析這些回波信號的強度、頻率、方向和時間延遲等特征，獲取有關天氣現象的信息。在不考慮大氣對電磁波的衰減和充塞系數影響的情況下，在氣象目標物對雷達波的反向散射滿足瑞利散射的條件下，雷達接收的平均回波功率如式（1）所示。

3基于SRTM數據的天氣雷達凈空環境評估效果分析

研究在能見度良好的情況下，采用基于SRTM數據的天氣雷達凈空環境評估方法進行地物遮擋觀測，并與常規氣象觀測中應用的測風經緯儀進行對比，結果如表1所示。從表中可以看出，相較于測風經緯儀，基于SRTM數據的天氣雷達凈空環境評估方法的方位分辨率更高，為0.25°，測距更長，大于260千米，還能夠節省人力，具有一定的可行性和優越性。

為進一步驗證所提方法的效果，研究對計算結果進行誤差分析，并與未進行矯正計算、只進行距離矯正以及實地勘測結果進行對比，結果如圖1所示。從圖中可以看出，三種方法的計算結果與實地勘測結果之間均沒有較大的誤差，其中研究方法與實地勘測結果之間的誤差最小。結果表明，所提方法與人工測量方法具有較好的一致性，具有一定的可行性和有效性。

對三種不同方法得到的結果進行誤差比較，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，但相較于未進行矯正計算和進行距離矯正的評估方法，研究提出的方法變化幅度最小，誤差最小。

為驗證計算誤差是否受到SRTM數據精度的影響，研究采用兩種精度的SRTM數據，將上述三種方法的遮蔽角平均誤差進行對比，結果如圖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數據更高時的誤差更小，遮蔽角平均誤差能夠達到-0.03。

4結論

隨著科技的高速發展，氣象雷達的準確度也得到了提高，而在天氣雷達的選址中，凈空環境對雷達的觀測能力和數據質量有直接影響。針對雷達凈空環境的評估過程較為繁瑣耗時的問題，研究提出了基于SRTM高程數據的天氣雷達凈空環境評估方法，并進行方位和距離矯正。結果表明，相較于測風經緯儀，基于SRTM數據的天氣雷達凈空環境評估方法的方位分辨率更高，為0.25°，測距更長，大于260千米；研究方法與實地勘測結果之間的誤差最小，與人工測量方法具有較好的一致；相較于未進行矯正計算和只進行了距離矯正的評估方法，研究提出的方法變化幅度最小，誤差最小；研究方法的評估結果在SRTM數據更高時的誤差更小，遮蔽角平均誤差能夠達到-0.03。