貴州省雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

陳春 劉波

摘要：貴州省雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是在雷電定位系統(tǒng)提供的地閃觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合雷達(dá)回波和衛(wèi)星云圖等觀測(cè)資料，基于地理信息系統(tǒng)，采用多參數(shù)、多算法集成方法研究雷電預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)，最終建立的一套雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)。本文論述了雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的操作模塊、主要功能及設(shè)計(jì)原理、思想和方法。

關(guān)鍵詞：雷電監(jiān)測(cè)；雷電預(yù)警；雷電災(zāi)害；集成顯示

1 緒論

雷電災(zāi)害作為全球十大重要性自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著人類的安全。我國(guó)由于地大物博，雷電災(zāi)害分布廣泛，主要以西南地區(qū)最危集中和嚴(yán)重。據(jù)曾經(jīng)西南地區(qū)雷電集中區(qū)貴州省氣象、防雷部門的一份氣象報(bào)告顯示，每年貴州省的平均雷暴日要多達(dá)45到80天，年雷擊次數(shù)超過60萬(wàn)次以上。整個(gè)貴州省都算是我國(guó)西南地區(qū)雷電多發(fā)區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅自2000年以來(lái)，貴州省每年要發(fā)生將近一千次比較嚴(yán)重的雷電災(zāi)害，因此造成的人員傷亡高達(dá)70%，每年給當(dāng)?shù)卦斐傻闹苯訐p失更是高達(dá)億元以上。由此可以看出，雷電自然災(zāi)害對(duì)于我們生產(chǎn)生活的影響和造成的損失是多么嚴(yán)重。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在加強(qiáng)對(duì)雷電機(jī)理和災(zāi)害的監(jiān)測(cè)及預(yù)警研究。由于雷電常常伴隨著強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣發(fā)生，所以雷電與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展過程密切相關(guān)，所以通常將雷電資料和一些氣象資料結(jié)合起來(lái)，[1]通過研究雷暴云內(nèi)的電過程與某些氣象要素之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)一些災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。貴州省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)于2007年5月建成并投入使用，該系統(tǒng)采用的是中國(guó)科學(xué)院與應(yīng)用研究中心提供的閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)。雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的構(gòu)成主要利用信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、由雷電探測(cè)系統(tǒng)、和中心站平臺(tái)信息管理系統(tǒng)等一系列的雷電預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)組成，其中大量應(yīng)用到了閃電定位儀和中心主站設(shè)備等，對(duì)于雷電監(jiān)測(cè)有很好的效果。同時(shí)在2013年8月，新建VLF/LF三維閃電定位網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全省雷電信息的實(shí)時(shí)、不間斷的監(jiān)測(cè)，能夠給出每個(gè)閃電回?fù)舻臏?zhǔn)確位置、強(qiáng)度、陡度、時(shí)間、正負(fù)極性等參數(shù)。該監(jiān)測(cè)網(wǎng)為雷電預(yù)警預(yù)報(bào)提供有力的探測(cè)數(shù)據(jù)。[2]貴州省雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)由南京信息工程大學(xué)與貴州省防雷減災(zāi)中心聯(lián)合開發(fā)。這套雷電預(yù)警系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)就是能夠快速和準(zhǔn)確的報(bào)告雷電預(yù)警，其預(yù)警速到快到在1小時(shí)之內(nèi)就可以完成預(yù)警。這對(duì)于像貴州這種雷電多發(fā)地區(qū)而言有著很重要的雷電預(yù)防價(jià)值。貴州省雷電檢測(cè) 預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)中利用的雷電定位資料都是目前最具有科學(xué)參考性的價(jià)值的資料，對(duì)于每一次的雷電預(yù)警都能通過這些準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)做出反應(yīng)，提供給貴州省最迅速和最準(zhǔn)確的雷電預(yù)報(bào)，有效的降低了雷電帶來(lái)的災(zāi)害，保障了雷電多發(fā)區(qū)的安全。

2 雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)

雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有對(duì)雷電活動(dòng)時(shí)空分布和統(tǒng)計(jì)特征的分析功能，并結(jié)合實(shí)時(shí)雷電回波、衛(wèi)星云圖等資料進(jìn)行疊加處理、檢索、轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種資料分析產(chǎn)品的顯示。該系統(tǒng)選用每小時(shí)一次的衛(wèi)星資料、約每6min得到的雷達(dá)回波資料，以及閃電定位儀和地面電場(chǎng)儀實(shí)時(shí)得到的閃電監(jiān)測(cè)和地面電場(chǎng)資料4種資料。

雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有服務(wù)器端和客戶端，在局域網(wǎng)內(nèi)只需安裝一個(gè)服務(wù)器端就可供多臺(tái)客戶端使用。系統(tǒng)主要功能如圖1所示。

3 系統(tǒng)的主要技術(shù)方案

該系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)顯示、處理和分析功能，能夠以多種形式發(fā)布預(yù)警產(chǎn)品，并具有方便的用戶接口設(shè)計(jì)，易于推廣使用。下面主要從各種觀測(cè)資料的實(shí)時(shí)顯示和綜合預(yù)警兩個(gè)模塊介紹本系統(tǒng)的主要技術(shù)方案。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

該模塊在Windows XP操作系統(tǒng)下基于ArcGIS軟件的組件工具ArcEngine進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中主要涉及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)以及與地域相關(guān)的各種雷電資料數(shù)據(jù)的各種組織存儲(chǔ)、操作處理以及顯示分析等。其中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)可以采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎arcSDE結(jié)合單位原有的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)以GeoDataBase模型進(jìn)行存儲(chǔ)管理，其它雷電相關(guān)數(shù)據(jù)通過預(yù)處理，形成可以被ArcGIS系統(tǒng)直接調(diào)用處理的數(shù)據(jù)格式，便于地理信息系統(tǒng)接口的存儲(chǔ)管理。整個(gè)模塊功能以貴州省基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在完成基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的顯示、放大、縮小、漫游、數(shù)據(jù)疊加、信息查詢等基本功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電數(shù)據(jù)基于空間地域的各種表達(dá)顯示、分析、預(yù)警提示以及人機(jī)交互等功能。系統(tǒng)還提供重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域的設(shè)定功能，本項(xiàng)目可自由進(jìn)行保護(hù)區(qū)域設(shè)置（初始保護(hù)區(qū)設(shè)定為貴陽(yáng)市區(qū)），在設(shè)定的保護(hù)區(qū)域中進(jìn)行加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)該區(qū)域的雷電數(shù)據(jù)顯示達(dá)到預(yù)警值，系統(tǒng)自動(dòng)采用用戶預(yù)先設(shè)定的方式進(jìn)行預(yù)警提示（可以采用聲音、閃爍等方式進(jìn)行提示等）。在當(dāng)前功能的基礎(chǔ)上預(yù)留可擴(kuò)展接口，便于后期的系統(tǒng)升級(jí)以及功能提升。為了能夠基于GIS平臺(tái)進(jìn)行各種雷電數(shù)據(jù)的可視化實(shí)現(xiàn)相關(guān)分析，本系統(tǒng)對(duì)于雷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為GIS平臺(tái)所認(rèn)可的柵格以及矢量數(shù)據(jù)；然后最這些數(shù)據(jù)采取統(tǒng)一的管理、存儲(chǔ)，再利用雷丹預(yù)測(cè)模式進(jìn)行精確計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的雷電預(yù)警。

3.2 綜合預(yù)警模塊

（1）雷達(dá)資料應(yīng)用模塊。雷達(dá)資料的應(yīng)用模塊主要利用對(duì)流系統(tǒng)與雷電的密切關(guān)系，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)是能夠第一時(shí)間掌握雷暴結(jié)構(gòu)，分析雷暴的誘導(dǎo)因素。從當(dāng)前我國(guó)的雷達(dá)資料應(yīng)用模塊的現(xiàn)狀來(lái)看，雷達(dá)的立體結(jié)構(gòu)是判斷雷電的主要標(biāo)準(zhǔn)和判斷雷電爆發(fā)主要可能性。雷達(dá)資料的關(guān)鍵參數(shù)有云頂高度（CT）、3公里CAPPI反射率（REF3）、垂直最強(qiáng)反射率（MAX）和垂直云水積分（VIL）等，這些都是分析雷電的主要因素。雷達(dá)資料應(yīng)用模塊的基本算法是 “交叉相關(guān)算法”，這一算法主要利用外推雷達(dá)回波的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)雷暴。雷達(dá)回波會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)矢量，而移動(dòng)矢量通過雷達(dá)回波確定未來(lái)的位置和形狀，這樣就達(dá)到了預(yù)警的目的。雷電的發(fā)生必須依靠雷暴，因此雷電預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵就是及時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治隼妆?/p>

（2）衛(wèi)星資料應(yīng)用模塊。利用交叉相關(guān)計(jì)算云團(tuán)的移動(dòng)矢量，并用Cressman客觀分析法進(jìn)行連續(xù)訂正移動(dòng)矢量，利用后向軌跡法對(duì)未來(lái)云團(tuán)的移動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。衛(wèi)星資料應(yīng)用模塊的分析是利用相似的二維像素陣列分析t1時(shí)刻和t2時(shí)刻中在中心間隔距離一定的情況下雨陣列值最匹配的陣列關(guān)系。陣列對(duì)中t1時(shí)刻初始陣列的中心即為云團(tuán)移動(dòng)矢量的起點(diǎn)， t2時(shí)刻與初始陣列具有最大相關(guān)的陣列中心即為云團(tuán)移動(dòng)矢量的終點(diǎn)。t1時(shí)刻與之對(duì)應(yīng)的所有初始陣列的移動(dòng)矢量除以時(shí)間間隔Δt，就得到了TREC速度矢量場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱TREC矢量場(chǎng)）。假設(shè)云團(tuán)的空間分布在t1到t2時(shí)段內(nèi)近似不變，則TREC矢量場(chǎng)可以作為回波在t1到t2時(shí)段內(nèi)平均運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)的估測(cè)。

（3）雷電定位資料應(yīng)用模塊。信息技術(shù)的發(fā)展為雷電預(yù)警的發(fā)展最初了突出的貢獻(xiàn)，首先是建立了全國(guó)地閃定位站網(wǎng)和局部地區(qū)總閃定位系統(tǒng)，隨著地閃定位的不斷增加，為地閃定位網(wǎng)站提供了準(zhǔn)確的雷電預(yù)警定位，使得雷電預(yù)警的密度識(shí)別，跟蹤和外推有了良好的監(jiān)控和識(shí)別基礎(chǔ)。按照雷電預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵算法區(qū)域識(shí)別、區(qū)域識(shí)別和跟蹤和外推算法（AreaIdentification， Tracking and Extrapolating Algorithm，AITEA）等的應(yīng)用可以看出，雷電定位資料應(yīng)用模塊對(duì)于雷電預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的促進(jìn)意義。我國(guó)的雷電預(yù)警系統(tǒng)的定位主要參考了由美國(guó)NCAR開發(fā)的TITAN系統(tǒng)，它還有另外叫法為Hungarian 算法或者Holt，或者雙參數(shù)線性指數(shù)平滑方法，總之最大優(yōu)勢(shì)就是對(duì)雷電重發(fā)區(qū)進(jìn)行雷電的識(shí)別、跟蹤和外推。

（4）大氣電場(chǎng)資料應(yīng)用模塊。采用單點(diǎn)的電場(chǎng)測(cè)量給出局部區(qū)域的雷電預(yù)警，以此為基礎(chǔ)，利用組網(wǎng)觀測(cè)獲得多個(gè)局部區(qū)域的預(yù)警結(jié)果，[4]通過組合得到較大范圍內(nèi)不同地區(qū)發(fā)生雷電的概率，提供預(yù)警信息。

4 結(jié)論和討論

綜上所述，貴州省建設(shè)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)對(duì)于提高貴州地區(qū)雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警有著重要的意義，對(duì)于當(dāng)?shù)靥岣呃纂娮匀粸?zāi)害的預(yù)防和應(yīng)急反應(yīng)有著重要的指導(dǎo)作用。雷電作為一種自然災(zāi)害，雖然沒有辦法人為的控制它的發(fā)生，但是可以通過準(zhǔn)確的預(yù)防，提高雷電災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案，將雷電自然災(zāi)害的損失減少最小。從研究雷電預(yù)警的發(fā)展來(lái)看，我們不難發(fā)現(xiàn)雷電的時(shí)空分布都存在一定的規(guī)律性，只要找到雷電分布的時(shí)空規(guī)律，做好雷電自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，就能夠有效的降低雷電災(zāi)害帶來(lái)的損失。為了盡快的將雷電預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際中，貴州省放雷計(jì)劃中把發(fā)展放雷技術(shù)、拓寬防雷手段、不斷完善放雷中心平臺(tái)看做是雷電預(yù)警工作的重點(diǎn)，目前，在努力的完成雷電檢測(cè)預(yù)警技術(shù)的推廣應(yīng)用。在雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警中，短雷電技術(shù)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警一直是氣象領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，雖然如此，作為雷電多發(fā)區(qū)的貴州省還是將短雷電的監(jiān)測(cè)預(yù)警列為重點(diǎn)研究的工作，并且正在努力的玩啥完善相關(guān)的研究資料參考資料，有望在不就得將來(lái)為我國(guó)的雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警研究出更加先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警技術(shù)，為我國(guó)的雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警再創(chuàng)輝煌。

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