《多波段天气雷达协同观测规范》编制说明

标准名称多波段天气雷达协同观测规范任务来源2023-2-212第一起草单位（盖章）安徽省大气探测技术保障中心单位地址合肥市蜀山区史河路16号云水楼参与起草单位安徽省人工影响天气办公室、北京城市气象研究院、安徽省公共气象服务中心、合肥市气象局、安徽省水文局、中国民用航空华东地区空中交通管理局安徽分局、滁州市气象局、四创电子股份有限公司标准起草人序号姓名单位职务职称电话编制情况1、编制过程简介（1）成立标准起草组2023年3月：根据《安徽省市场监督管理局关于申报2023年度安徽省地方标准制（修）订计划项目的通知》（皖市监函〔2023〕123号），安徽省大气探测技术保障中心联合多家业务单位、科研院所的专家、骨干成立标准起草工作组。经多次讨论，确定标准编制可行性、工作方向及文件主要内容。根据各参与单位工作基础和优势，给起草组成员进行任务分工。（2）草案编制2023年4月：在收集、调研国外相关标准、规范等资料基础上，结合前期积累，完成《多波段天气雷达协同观测规范》（草案）的编制，并作为申报立项材料提交。（3）草案完善2023年5～8月：关注国内天气雷达业务部门、科研院所和研发生产企业等单位开展天气雷达协同观测及试验等方面的情况，汲取有益经验，持续对草案进行完善。（4）工作组讨论稿编制2023年9月～2024年3月：2023年9月12日，根据《安徽省市场监督管理局关于下达2023年第二批安徽省地方标准制修订计划的通知》（皖市监函〔2023〕478号），本标准正式立项。根据有关编制要求，结合成员单位开展多波段天气雷达协同观测工作进展，进一步验证、完善标准草案的全面性、科学性和可行性；并征求部分专家意见，于2024年3月基本完成工作组讨论稿。（5）征求意见稿编制2024年4月～8月：标准第一起草人作为高级访问学者，借调至中国气象局气象探测中心工作。在此期间，通过与部分行业专家、编制组成员深入探讨，对工作组讨论稿的结构及内容均有较大幅度的更改；并通过征求兄弟省市业务部门相关技术骨干的意见，进一步完善和丰富标准内容。编制组成员根据修改方向，分别完成所承担内容的起草，由第一起草人完成统稿，并经主要起草人校验后，形成征求意见稿。2、制定标准的必要性和意义（1）必要性分析1)政策法规要求。目前，安徽气象部门用的天气雷达主要涵盖S、C、X等3个波段，空管部门通常使用C、X波段天气雷达用于监测机场周边天气实时变化，水利部门近两年开始在大力发展测雨（小型X波段）雷达在降水量监测预警方面的应用。不同波段天气雷达探测能力各有优劣，为最大发挥不同部门建设的多波段天气雷达综合建设效益，发展多波段天气雷达协同观测技术是重要手段之一。国务院印发的《气象高质量发展纲要（2022—2035年）》，提出“持续健全气象卫星和雷达体系”。中国气象局、国家发展改革委共同编制的《全国气象发展“十四五”规划》，明确提出“研制多功能天气雷达探测系统和应用技术，实现新一代天气雷达与局域多波段多体制天气雷达精细化组网探测”。中国气象局印发的《气象观测技术发展引领计划（2020～2035年）》，强调“研究基于多部双极化多普勒雷达的自适应雷达观测技术，提高对微型超级单体细微变化的观测能力。”。水利部办公厅印发《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》，专门用以指导推进水利测雨雷达装备业务化应用，提升中小河流洪水和山洪等灾害监测预报预警能力，并计划在安徽全省布设数十至上百部。民航局空管局发布《关于开展空管系统“十四五”天气雷达建设项目前期工作的通知》，提出“加强民航繁忙路段航路天气雷达覆盖，进一步提升中小机场运行保障能力”。因此，持续推进天气雷达建设，进一步应用多波段天气雷达协同观测技术方法，具备充分的政策法规依据和客观要求。业务服务需求。安徽地处我国南北过渡带，省内地形多样，水汽丰沛，气候虽较为温和，但区域性天气多变，龙卷、雷暴大风、强降水、冰雹等致灾性天气时有发生。天气及其次生灾害占全省自然灾害70%以上，对皖北地区农业生产、中部地区大城市环境改善和皖南旅游产业发展等均造成显著负面影响。仅2020年汛期的强降水，造成的各项损失便高达百亿。天气雷达作为大气、云及降水物理研究和探测的主要手段，是灾害性天气监测的“国之重器”和防灾减灾“侦察兵”。据不完全统计，我省民用领域已建、拟建S/C波段天气雷达14部，X波段天气雷达40余部。不仅气象部门积极争取资金项目，持续完善省内天气雷达网，而且其他部门也逐步认识到天气雷达对于业务服务的重要支撑作用。安徽省政府办公厅印发《安徽省人民政府办公厅关于加强智慧气象建设保障乡村振兴的意见》提出“加快推进X波段天气雷达县域全覆盖......推进气象、农业农村、水利、自然资源等部门自然灾害监测网络共建和信息共享。”一般而言，S/C波段天气雷达探测范围广，但时空分辨率较低，近低空探测盲区较多；X波段天气雷达探测距离近但低空探测能力强，且精细化水平高。因此，建立有效协同机制，使几种波段的天气雷达组网观测，即可实现对灾害性强对流天气的早发现和早应对，也能为突发自然灾害应急处置、人影作业条件判别及效果评估、大型水体降水量监测、天气系统机理研究等提供更加翔实的数据支撑。填补标准空白。鉴于国内大范围组织开展多波段天气雷达协同观测相关试验、技术研发等工作的时间并不是很长，因此目前国内尚无“多波段天气雷达”与“天气雷达观测”相关的国家标准、行业标准及地方标准。我省气象部门属于较早一批开展多波段天气雷达协同观测试验的单位，积累了较为丰富的组织实施经验。近两年，其他部门特别是水利部门开始大范围建设天气（测雨）雷达。因此，考虑到未来我省多波段天气雷达持续扩容，部门间合作交流日益密切，为加快我省构建多波段天气雷达协同观测机制，推动相关工作规范、科学、有序开展，应制定相关标准，在实际工作中予以指导和要求。（2）标准的制定意义《“十四五”国家应急体系规划》《全国气象发展“十四五”规划》《安徽省气象事业“十四五”发展规划》等文件对气象监测预报预警和公众安全服务业务提出了更高要求，鉴于安徽省天气雷达布设密度已位于全国前列，因此有必要通过推广多波段天气雷达协同观测技术，充分挖掘天气雷达探测潜力。但开展协同观测不仅要动用大量的设备人员，而且在站网建设、流程设计、协同策略、系统研发等方面均需要较强的技术储备和工作基础。因此，加快起草、制定本标准，能够为我省多波段天气雷达协同观测工作开展提供流程指导和技术参考，助力相关业务发展和理论技术研究，加快省内不同系统大型气象装备的统筹规划、集约建设和资源共享共用；满足气象监测预警预报“补盲”需求，有效提升致灾性天气的监测预警预报水平；并为大城市及湖泊流域等重点区域精细化服务、重大活动气象保障和天气机理研究等提供平台支撑，从而进一步贯彻落实新时代防灾减灾事业发展要求。3、制定标准的原则和依据，与现行法律法规、标准的关系（1）制定原则1)科学性原则本文件遵照《中华人民共和国国家标准化法》、《中华人民共和国标准化法实施条例》及有关法规、规章，以GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》和DB34/T2800-2020《地方标准制修订工作指南》为基础，综合考虑多波段天气雷达在协同观测过程中，对组织要求、雷达组网布局、协同观测控制系统和协同观测开展等关键内容的要求。因此，无论是观测流程设计，还是各环节技术要求，均要求有充分的科学支撑，在确保合理可行的基础上，做到数据准确、技术先进、适用性强。在协同观测流程梳理方面，着重汲取起草组成员单位和其他部门的实践经验，并主动对接生产企业和专业研究机构，获取技术支持，确保有关条目的科学性和有效性。协调性原则本标准通过收集大量试验成果和技术资料，并多方征求意见，借鉴和参考国家和行业标准，充分考虑我省实际情况，侧重于实现多波段天气雷达协同观测活动的规范化，确保在开展此类工作过程中做到科学有序、组织高效，能够充分发挥我省天气雷达的应用效益。因此，无论是对于天气雷达设备性能功能的要求，还是雷达组网布局设计、协同观测策略制定、不同性质雷达参与程度要求等方面，都没有脱离现行标准体系的框架。即使会新增一些现行标准尚未明确的内容，也是基于相关国家标准、行业标准和规定规范的进一步细化和发展。适用性原则。不同波段、体制的天气雷达因为在功能性能、系统构造和探测能力等存在必然的差异，因此本标准将在前期调研的基础上，广泛听取生产企业、雷达应用部门和院所高校等单位的意见，重点凝练我省常规型号多波段天气雷达的通用要求，同时还应评估技术发展和应用场景的扩展性，保持足够的裕度。此外，还将确保标准的语言及表达形式尽可能简洁、通俗、易懂，以便于标准的宣贯。（2）制定依据1)法律法规：《中华人民共和国标准化法》《国家标准管理办法》等。2)国内外相关标准：“天气雷达技术标准”“雷达架设安全作业”和“外场观测活动组织”等3类共30余项国内外现行相关标准。3)天气雷达观测规范：《新一代天气雷达观测规定(第二版)》（气测函〔2018〕171号）《X波段天气雷达观测规范（试行）》（气测函〔2023〕104号）。4)天气雷达研发生产企业制定的管理、操作规程。5)项目工作承担单位开展天气雷达协同观测的成果凝练和经验总结。（3）与现行法律法规、标准的关系本标准与现行法律、法规和强制性标准无相互矛盾和抵触的条款冲突。4、主要条款的说明，主要技术指标、参数、试验验证的论述（详细说明）本文件规定了安徽省S、C、X波段天气雷达协同观测的触发条件、观测准备、协同观测开展和观测结束等关键环节的内容和要求。其中组织准备和实施流程等涉及本标准的关键技术内容。本文件各项条款起草和主要技术内容验证的方式方法说明如下：术语和定义目前，天气雷达相关标准体系较为完善，因此大部分有关天气雷达的术语和定义直接引用相关国家、行业标准或稍作修改。对于不能直接引用的术语“协同观测”，是在征求部分行业专家意见基础上，由起草工作组成员广泛调研、凝练后确定。该术语的定义，将在后续编制过程中持续完善。触发条件充分考虑气象、水利、空管等具备天气雷达建设及应用部门业务服务必要需求，并综合了安徽省内天气雷达产、学、研、用（其他系统或部门）等多方面扩展性需求。观测准备有关6.2.2.3中协同观测组网的同波段天气雷达间距要求的说明理论而言，参与协同观测的同波段天气雷达间距较近为好，可以有更大的重叠观测区域，但并非越近越好，除了建设成本和难度的考虑外，还需要考量数据融合的最佳距离。本文件主要从“有效重叠探测面积”和“雷达协同观测数据拼图方法”两方面来提出同波段天气雷达间距的要求。有效重叠探测面积主要计算依据为“雷达间距D与雷达的探测距离R满足R=1.5D的关系”；如图1所示，进行X波段天气雷达组网观测时“有效探测面积与雷达间距关系”的仿真；结果表明：3部雷达组网观测，任意2部可以同时观测到，当雷达间距小于40km（仿真所用X波段天气雷达探测距离设置为60km，探测距离为任意值都满足此关系）时，有效探测面积与雷达间距成正比；当雷达距离大于40km时，有效探测面积与雷达间距成反比。因此经多轮仿真，基本得出雷达间距和有效面积的关系。图1X波段天气雷达间距和有效面积关系的仿真结果如图2所示，针对雷达布局形状进行仿真，当3部X波段天气雷达组网观测（单部X波段天气雷达有效探测半径设置为60km）时，彼此间距在36～45km，类似等腰或等边三角形时，有效探测面积最大。图2X波段天气雷达间距和有效面积关系的仿真结果图1和图2仿真结果均出自起草组成员毕业论文《X波段天气雷达网络化性能及自适应技术研究》，相关结果为国内外学者所认可，并已在国内江苏、北京等省市区域性天气雷达组网建设中得到验证。雷达数据拼图根据本文件参考文献[15]中有关研究成果，为达到雷达风场拼图的最佳效果，双S波段天气雷达雷达的距离D大约为雷达有效探测距离R（230km）0.55倍（计算值为126.5km,取120km）。因此，本文件对于同波段天气雷达间距的计算依据为以上两个条件。目前省内S、C波段天气雷达与最近的S、C波段天气雷达距离基本在70～140km之间（最近的为合肥S波段天气雷达与新桥机场C波段天气雷达间距为约30km），考虑到S、C波段天气雷达基本为业务雷达，不太适合进一步调整站网布局，因此提出间距D不超过R/1.5即可。但X波段天气雷达近年来在持续加密建设中，并且可以通过架设移动X波段天气雷达进一步优化布局，因此间距进一步提高为基本要求和最佳距离的区间（省内不同部门、不同体制X波段天气雷达探测能力有较明显差异，因此亦存在变化区间）。有关6.2.2.4中协同观测组网天气雷达基础组合的说明理论而言，参与协同观测的天气雷达数量雷达越多越好（省内天气雷达建设过程中已经考虑成本和间距，不会造成显著冗余）。但并非在协同观测区域及周边的所有雷达（特别是S、C波段天气雷达）均能参与协同观测，因此本文件提出基础组合的示例，在实施过程中可根据实际情况进一步加密优化。1部S/C天气雷达和1部X波段天气雷达即可构建“协同观测”的最基础组合，但本文件中要求天气雷达协同观测网至少由1部S/C天气雷达和2部X波段天气雷达组成主要考虑以下方面：S/C波段天气雷达观测范围广，回波衰减小，但近地面易出现盲区，因此主要用以通过大范围探测提前发现天气；1部S/C波段天气雷达观测范围基本可以用来市县级区域性观测。X波段天气雷达精细化程度高，但探测距离有限，可以用来补充探测S/C波段天气雷达盲区并进行天气结构的精细化探测。选择2部X波段天气雷达，主要考虑省内S/C天气雷达基本为业务运行雷达，运维保障机制健全，出现问题概率较小；但X波段天气雷达，很多布设于偏远地区，不仅处于无人值守状态，而且尚未进入业务运行，出现故障停机且不能及时恢复的风险较大，因此选择2部临近的X波段天气雷达互为备份。而且，两部X雷达布置在天气主要来向,两部不同方位的X波段天气雷达也可以保障更大的探测范围，进一步丰富天气雷达探测数据。因此，虽然理论上同型号天气雷达最优的基本协同组合应为3部呈等边三角形布局的天气雷达，但考虑可行性和站网实际情况，本文件给出的多波段天气雷达协同观测组网布局建议思路为：在调度1部及以上可覆盖协同观测区域的S、C波段天气雷达的基础上，尽可能调度多的X波段天气雷达参与协同观测；X波段天气雷达最优布局为在满足恰当间距的前提下，以等边或等腰三角形组合，保障任意一处协同观测区域均在2部及以上X波段天气雷达重叠探测范围内。当然，在实际协同观测组网过程中，天气雷达布局还应综合地形地貌、雷达性能和探测目标等多方面因素考虑。有关6.2.2.5中，移动天气雷达站址净空环境要求的说明考虑到随着近年来天气雷达建设力度的逐年加大，即使固定（台站）天气雷达的净空环境，也很难完全满足有关国家标准要求，因此移动天气雷达净空环境评估方法仅参考国标有关规定，但满足观测任务需求即可；此外，考虑到当净空环境不佳，雷达周边出现很多地物遮挡，存在对雷达接收系统造成损害的风险，因此，补充“为避免邻近地物对接收机造成不良影响，可提前为天气雷达配置消隐区”要求。有关6.2.2.5中，移动天气雷达站址电磁环境要求的说明e)中规定“为避免出现同频电磁干扰，可向无线电管理部门提交频率使用备案或申请临时使用许可”主要考虑近几年，气象、水利等部门大力建设天气雷达，特别是X波段天气雷达的布网密度与日俱增，导致天气雷达频率资源日趋紧张。因此，为避免在外场观测过程中，移动天气雷达与邻近同频段雷达产生互相干扰，需提前做好频段申请使用准备。有关6.3.1协同观测控制系统组成及功能要求的说明协同观测控制系统作为多波段天气雷达协同观测的“大脑”，本文件仅列出4项最基本也是最重要的组成部分。其中自适应观测策略制定分系统负责“指挥”，天气雷达控制分系统负责“执行”，组网产品生成分系统负责“分析”，数据产品展示分系统负责“反馈”，可以形成任务的循环。由于天气雷达协同观测的任务要求、组织部门、雷达数量及性能、地域特征、目标天气特性等可能差异非常明显，因此，本文件仅列出协同观测控制系统所必要的功能要求和工作内容，梳理出一条脉络，具体组织实施单位在开展过程中，应根据自身基础和需求，进一步完成个性化设计。协同观测开展提出多波段天气雷达在协同观测开展过程中的一般要求；给出了观测演练和观测实施（步骤）等方面的内容和工作要求。有关“7.1基本要求”的有关说明起草组结合各成员单位在业务、科研和试验工作中，有关天气雷达应用流程和注意事项的经验总结，侧重于保障协同观测工作的安全、有序实施。7.2观测演练。凝练了正式观测前关键性的准备步骤，建议严格参照执行。有关“7.3观测实施”部分内容及要求的说明7.3.1强调由协同观测调度组发布观测启动命令，但未要求通过什么形式发布以及指令的标准格式，主要考虑天气雷达协同观测会涉及一些重要活动，因此需正式命令来保障观测活动的规范性；但命令的形式和内容应灵活，由组织单位根据观测任务的性质自行商定。7.3.5给出有线传输、无线传输方式和本地存储等3种数据处理形式。由于不同波段、体制天气雷达的探测数据量差异极大，而且，不同观测任务的资金支持、数据实时性要求和观测场地均有明显差异，因此仅列出不同的数据处理方式，具体采用哪种数据处理方式，由观测组织单位