雷電監(jiān)測產(chǎn)品與潛勢預(yù)報在抗震救災(zāi)中的運用

李一丁, 余 勇, 王基全

(四川省防雷中心,四川成都610072)

雷電災(zāi)害是全球最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一。四川省雷電活動十分頻繁,是雷電災(zāi)害多發(fā)區(qū)之一,雷電災(zāi)害多見于盆地區(qū)和川西高原南部。盆地區(qū)和川西高原南部的雷電活動主要發(fā)生在3月至10月。四川省每年因雷擊造成人員傷亡、財產(chǎn)損失巨大。

隨著四川省閃電定位儀網(wǎng)、大氣電場儀、新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)、地面氣象自動站監(jiān)測系統(tǒng)、先進的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、高性能計算機和數(shù)值天氣預(yù)報在業(yè)務(wù)上的應(yīng)用,四川省在已經(jīng)開展的雷電監(jiān)測、雷電災(zāi)害調(diào)查、雷災(zāi)上報等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)上,開展了0-12小時雷電潛勢預(yù)報業(yè)務(wù),并初步建立了ARCGIS公用平臺,將上述業(yè)務(wù)都整合在ARCGIS平臺上,顯著提升了四川省雷電監(jiān)測預(yù)報預(yù)警的現(xiàn)代化水平。在5.12汶川大地震后,雷電監(jiān)測預(yù)報業(yè)務(wù)在航空保障以及災(zāi)區(qū)安置點選址上主動開展服務(wù),為抗震救災(zāi)作出了重大貢獻(xiàn)。

四川省已于2007年開始應(yīng)用決策樹方法開展雷電潛勢預(yù)報,并取得了較好的預(yù)報效果,雷電潛勢預(yù)報決策樹是利用決策樹方法、以數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品為基礎(chǔ)、利用8個預(yù)報因子提練形成。目前雷電潛勢預(yù)報決策樹還存在預(yù)報因子和方法優(yōu)化、業(yè)務(wù)推廣等諸多缺陷。在已經(jīng)開展工作基礎(chǔ)上,對已有的利用決策樹方法建立的重點城市及區(qū)域雷電潛勢預(yù)報模型進行介紹、特別是川西高原地區(qū)和地震災(zāi)區(qū)的雷電潛勢預(yù)報,進一步提高雷電潛勢預(yù)報的準(zhǔn)確率。

1 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

閃電以其大電流、高電壓、強電磁輻射和發(fā)生的瞬態(tài)性等為特征。閃電放電擊穿過程可以產(chǎn)生頻率范圍很寬且連續(xù)的電磁輻射。

閃電監(jiān)測系統(tǒng)就是利用閃電回?fù)糨椛涞穆?、光、電磁場特性來遙測閃電回?fù)舴烹妳?shù)的一種自動化探測系統(tǒng)。四川省的閃電監(jiān)測系統(tǒng)是一個專業(yè)性較強的系統(tǒng),涉及到氣象、計算機等各領(lǐng)域。系統(tǒng)具有良好的人機界面,操作簡單,方便易用,并能結(jié)合各種氣象資料統(tǒng)計分析雷電特征,為雷電監(jiān)測及數(shù)據(jù)的應(yīng)用提出了一定的思路和方法。

圖1 雷電監(jiān)測產(chǎn)品業(yè)務(wù)流程圖

圖1為四川省雷電監(jiān)測產(chǎn)品的生成流程,全省各探測子站的探測數(shù)據(jù),同時上報中國氣象局和四川省氣象局信息中心,并在四川省氣象局信息中心匯總、計算、生成雷電監(jiān)測產(chǎn)品所需要的因子。由四川省防雷中心雷電監(jiān)測預(yù)警預(yù)報平臺統(tǒng)一生成各種雷電監(jiān)測產(chǎn)品,傳送給各類用戶。

2 主要功能及產(chǎn)品

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

雷電監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理主要包括：

(1)數(shù)據(jù)合并與分解。根據(jù)用戶所需時間或地點等條件對圖形處理平臺生成的多閃電數(shù)據(jù)進行合并或分解,能同時支持MDB和TXT等格式文件的讀取,方便用戶查詢。

(2)數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換。對數(shù)據(jù)庫MDB和TXT格式的數(shù)據(jù)進行處理和相互轉(zhuǎn)換,滿足不同系統(tǒng)對特定格式的需求。

2.2 雷電資料統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)前期處理后,可以進行后期的雷電資料分析統(tǒng)計,可以細(xì)分為以下幾個功能：

(1)數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計。本平臺能快速準(zhǔn)確地對全省及指定的地、市、州及縣域范圍內(nèi)的雷電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,如圖2所示。并自動生成所查詢數(shù)據(jù)的起始時間,最大正、負(fù)閃電對應(yīng)的時間、強度、經(jīng)緯度和具體地名20kA以下、20kA-50kA、50kA-100kA和100kA以上等不同等級的閃電次數(shù);省內(nèi)各地、市、州發(fā)生雷電的總數(shù)以及每小時內(nèi)發(fā)生雷電的總數(shù),和成都市各區(qū)、市、縣的雷電統(tǒng)計次數(shù)以及分時段的雷電統(tǒng)計次數(shù)。

圖2為四川省雷電監(jiān)測資料的主窗口,負(fù)責(zé)查詢和顯示全省各地市州以及成都市各區(qū)縣的具有統(tǒng)計意義的雷電監(jiān)測信息,并提供其他分類統(tǒng)計軟件的鏈接端口。

(2)分時統(tǒng)計、分周統(tǒng)計和分月統(tǒng)計。分時統(tǒng)計是根據(jù)用戶所輸入的時間段進行綜合統(tǒng)計,并顯示數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。

周統(tǒng)計是根據(jù)用戶所輸入的開始日期,自動計算出該日期所在周的綜合數(shù)據(jù),并自動生成各類相關(guān)報告產(chǎn)品。

月統(tǒng)計是根據(jù)用戶所輸入的月份,進行當(dāng)月閃電強度的分析,并自動生成各類相關(guān)報告產(chǎn)品。

根據(jù)雷電監(jiān)測和統(tǒng)計數(shù)據(jù),可以監(jiān)測雷暴發(fā)生、發(fā)展和消亡的全過程,為各重要部門提供準(zhǔn)確的雷電災(zāi)害調(diào)查資料。

2.4 在抗震救災(zāi)中的運用

“5.12”抗震救災(zāi)期間,防雷中心應(yīng)用雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),對地震災(zāi)區(qū)進行實時的雷電監(jiān)測,及時公布雷電活動信息,積極配合地震前線指揮部普及防雷知識,避免新的人員傷亡。從2008年5月12日地震發(fā)生后到5月22日,災(zāi)區(qū)共發(fā)生閃電1905次,其中正閃559次,負(fù)閃1346次,雷電活動具體日分布表如表1所示。

圖2 四川省雷電監(jiān)測資料界面

表1 地震災(zāi)區(qū)雷電日分布表

結(jié)合歷史資料,對四川省地震災(zāi)區(qū)的6個地、市、州,39個區(qū)市縣進行了雷暴特點分析,計算了關(guān)于地震災(zāi)區(qū)的閃電密度和強度值,對地震災(zāi)后的選址和重建工作提供了雷電風(fēng)險評估。根據(jù)2005-2007年的雷電監(jiān)測數(shù)據(jù),統(tǒng)計出地震災(zāi)區(qū)的雷電密度分布圖如圖3所示。其中每個格點大小表示為1平方公里,用5種不同灰度的顏色對不同級別雷電密度進行分類。雷電密度最高,表示范圍從11.5-128.5次/平方公里。圖3顯示四川地震災(zāi)區(qū)最大雷電密度出現(xiàn)在德陽市境內(nèi),為25次/平方公里。

通過對災(zāi)區(qū)雷暴日數(shù)和閃電密度的計算,可以為以后災(zāi)區(qū)的重建工作提供重要的依據(jù),并且可以將臨時安置房臨界檢測面積的換算值應(yīng)用到災(zāi)后重建的防雷設(shè)施檢驗當(dāng)中去?？梢钥闯?四川省雷電監(jiān)測系統(tǒng)為地震災(zāi)區(qū)的重建工作做出了重要的貢獻(xiàn)。

3 雷電潛勢預(yù)報

隨著新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)、氣象衛(wèi)星、閃電定位儀網(wǎng)、大氣電場儀、地面氣象自動站監(jiān)測系統(tǒng),以及高性能計算機、先進的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)值天氣預(yù)報等技術(shù)在雷電監(jiān)測業(yè)務(wù)上的應(yīng)用,四川省雷電天氣預(yù)報的現(xiàn)代化水平得到了顯著提升。同時,四川省防雷減災(zāi)管理、技術(shù)服務(wù)項目也已基本成型。為了使四川省防雷管理業(yè)務(wù)適應(yīng)現(xiàn)代化管理發(fā)展的需要,爭取實現(xiàn)防雷管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集約化以及資源共享等目標(biāo),結(jié)合本省防雷工作的實際情況,著手建設(shè)了雷電潛勢預(yù)報平臺,流程如圖4所示。

圖3 地震災(zāi)區(qū)雷電密度分布圖

3.1 雷電潛勢預(yù)報算法

雷電潛勢預(yù)報一直是氣象預(yù)報的難點之一,目前四川省的潛勢預(yù)報主要采用決策樹方法。

決策樹方法是應(yīng)用最廣泛的歸納學(xué)習(xí)方法之一,速度快、很直觀,在專家系統(tǒng)、工業(yè)控制過程、金融保險預(yù)測以及醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,能夠在一個平臺上較好地整合雷電潛勢預(yù)報中的各種資料和各種預(yù)報方法。

四川省雷電潛勢預(yù)報決策樹是一棵二叉樹,成長的算法采用成長-修剪法。最初建立的樹節(jié)點太多,預(yù)報效果不太理想,經(jīng)過不斷修剪和選擇后,四川省雷電潛勢預(yù)報決策樹在2007年8-9月對四川地區(qū)雷電潛勢預(yù)報正確率較高,空、漏報率較低,預(yù)報效果較好,特別是預(yù)報概率值≥75%時具有較好的預(yù)報指示意義。

圖4 雷電潛勢預(yù)報模塊技術(shù)方案流程圖

3.2 雷電潛勢預(yù)報產(chǎn)品

四川省監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的0-12小時雷電潛勢預(yù)報業(yè)務(wù),是在ARCGIS公用平臺上生成的。其中包括柵格樣條插值圖即概率色差圖和預(yù)報數(shù)據(jù)等高線圖。將色差圖和等高線圖同時疊加在ARCGIS平臺的地圖上,使概率色差和數(shù)據(jù)等高線相互呼應(yīng),提高了預(yù)報的直觀可讀性。

為了驗證潛勢預(yù)報的準(zhǔn)確性,將定時采用雷電監(jiān)測系統(tǒng)中的閃電定位數(shù)據(jù)對潛勢預(yù)報進行驗證。圖5為2007年7月18日08時12小時雷電潛勢預(yù)報及對應(yīng)的閃電實況對比圖。

圖5中,“▼”為閃電定位儀監(jiān)測的閃電資料,黑色線條為雷電潛勢預(yù)報概率等值線。從圖中可看出：雷電潛勢預(yù)報概率75%以上分布,與閃電定位儀監(jiān)測的閃電實況區(qū)域基本一致,只是在甘孜州雷電潛勢預(yù)報概率50%以下時實況有閃電產(chǎn)生。

3.3 雷電潛勢預(yù)報在抗震救災(zāi)中的運用

圖5 潛勢預(yù)報與閃電定位效果比較圖

“5.12”地震期間,為避免雷電帶來的次生災(zāi)害,更好地為抗震救災(zāi)工作服務(wù),防雷中心應(yīng)用雷電潛勢預(yù)報,對各地震災(zāi)區(qū)進行雷電預(yù)報工作。向四川省“5.12”抗震救災(zāi)指揮部、成都軍區(qū)抗震救災(zāi)前線指揮中心、濟南軍區(qū)抗震救災(zāi)指揮部、軍地氣象水文聯(lián)合保障組以及西南空管局等相關(guān)部門提供了及時有效的雷電潛勢預(yù)報數(shù)據(jù),特別是搶險物資空投航線上的雷電預(yù)報資料,為軍、民運輸飛機提供了防雷保障,圓滿完成了航空氣象保障工作,為抗震救災(zāi)工作做出了重要貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有高集成、高精度、實時性、多用途和網(wǎng)絡(luò)化的特點,能夠較準(zhǔn)確地對閃電雷擊進行監(jiān)測定位,以及對未來12小時雷電進行預(yù)報。因而在工程選址、災(zāi)害預(yù)警、雷電防御、雷災(zāi)鑒定防雷技術(shù)服務(wù)以及管理等多方面發(fā)揮了積極作用,顯示了廣泛的應(yīng)用前景。并且在“5.12”地震中,為抗震救災(zāi)提供了航空氣象保障,以及為災(zāi)后臨時安置房建設(shè)中提供了大量的雷電統(tǒng)計數(shù)據(jù),為災(zāi)后重建工作做出了貢獻(xiàn)。

然而,目前四川省雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)和所獲信息的應(yīng)用尚處于起步階段,只有不斷地對我省的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行開發(fā)和完善,實現(xiàn)多站點信息的綜合有效定位,才能發(fā)揮閃電探測和預(yù)警在各行業(yè)的保障作用,推動氣象事業(yè)的發(fā)展。

[1]許小峰.國家雷電監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)與技術(shù)分析[J].中國工程科學(xué),2002,(5).

[2]陳瑤.雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[D].北京：中國科學(xué)院,2006.

[3]孟青,張義軍,呂偉濤.城市雷電預(yù)警預(yù)報技術(shù)[A].中國氣象學(xué)會2004年年會會議論文集[C].2004：107-110.

[4]副島毅,奧山和彥,楊寶珠.雷檢測系統(tǒng)(SAFIR)與雷短時預(yù)報[J].氣象科技,1998,(3).

[5]吳秀芹,張洪巖.ArcGIS 9地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007.