基于城市綜合觀測的雷電戒備服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

羅欣 蔡然 莊紅波 蘇琳智 郭宏博 楊悅新

（作者單位：深圳市氣象服務(wù)中心）

圍繞以用戶為中心的服務(wù)理念，從過程前、過程中、過程后三個時間節(jié)點介紹了深圳市雷電戒備服務(wù)系統(tǒng)的功能架構(gòu)。系統(tǒng)的設(shè)計突出以提供定點雷電戒備的個性化服務(wù)為核心理念，實現(xiàn)基于雷電風(fēng)險的戒備警示服務(wù)，服務(wù)受眾多、應(yīng)用廣，提升了氣象服務(wù)水平與效益，取得良好的服務(wù)效果。

深圳作為中國雷暴高發(fā)地區(qū)之一，近年來受全球極端天氣與氣候背景影響，雷電次數(shù)和強(qiáng)度均呈現(xiàn)出歷史高值，雷電災(zāi)害的危害程度和造成的經(jīng)濟(jì)損失及社會影響也越來越大。近年來，國內(nèi)外也在加強(qiáng)對雷電監(jiān)測預(yù)警方面的研究。例如，香港天文臺開發(fā)了“機(jī)場雷電預(yù)警系統(tǒng)”，系統(tǒng)利用實時閃電定位信息和天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，自動為香港國際機(jī)場員工發(fā)出閃電預(yù)警；中國氣象科學(xué)研究院開發(fā)了雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)軟件，能夠綜合利用各類觀測資料，自動生成雷電活動潛勢預(yù)報結(jié)果和雷電臨近預(yù)警結(jié)果。我國雷電預(yù)警預(yù)報技術(shù)和方法的研發(fā)剛剛起步，然而目前仍缺少面向用戶的定點個性化服務(wù)系統(tǒng)。

隨著應(yīng)急決策指揮和安全生產(chǎn)的要求越來越高，對雷電預(yù)警與災(zāi)害評估工作也提出了更高的要求，建立一個基于定點雷電戒備、具有個性化服務(wù)功能的雷電戒備服務(wù)系統(tǒng)，為雷電防御重點用戶提供精準(zhǔn)、及時、有效的定點雷電監(jiān)測與預(yù)警服務(wù)顯得尤為必要。深圳市氣象服務(wù)中心于2016年建立了深圳市雷電戒備服務(wù)系統(tǒng)，目前已有效運行2年，為深圳市雷電災(zāi)害防御工作提供了重要的技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)基本情況

雷電戒備服務(wù)系統(tǒng)是面向氣象災(zāi)害防御重點用戶開發(fā)的專業(yè)服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)在雷電天氣多維特征分析、典型天氣物理特征研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)目前我國短時雷電監(jiān)測、預(yù)警、預(yù)報技術(shù)和應(yīng)用，開展面向戒備主體（立足于用戶）的雷電臨近預(yù)警方法和防護(hù)策略，開發(fā)點對點的雷電戒備系統(tǒng)，將成果直接轉(zhuǎn)化成減災(zāi)應(yīng)用。系統(tǒng)根據(jù)短時預(yù)警技術(shù)為用戶提供全方位、個性化的定點雷電戒備服務(wù)，為雷電防御重點用戶、旅游景點、大型戶外活動場所等提供更專業(yè)、全面、便捷的氣象監(jiān)測與預(yù)警信息。同時在移動終端配置了微信公眾號，實現(xiàn)多渠道的雷電預(yù)警戒備信息接收及實時跟蹤化預(yù)警戒備服務(wù)。

系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了針對雷電防御重點用戶的雷電定點預(yù)報及戒備服務(wù)與雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃動態(tài)評估等功能。系統(tǒng)在雷電預(yù)警信息發(fā)布方面，突破了傳統(tǒng)的大區(qū)域預(yù)警方式，結(jié)合重點用戶自身的個性化需求，實現(xiàn)了雷電定點預(yù)警戒備服務(wù)；同時還根據(jù)雷災(zāi)歷史數(shù)據(jù)、實時天氣資料，為用戶動態(tài)發(fā)布雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃提示，進(jìn)一步提升雷電預(yù)警戒備服務(wù)質(zhì)量與防災(zāi)效果。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)實施路線

1）體系結(jié)構(gòu)選型

基于系統(tǒng)特征和使用需求，系統(tǒng)采用基于GIS組件的二次開發(fā)模式，地理信息系統(tǒng)平臺采用ArcGIS Server 9.3，項目數(shù)據(jù)庫平臺采用Oracle10G以上，WEB系統(tǒng)平臺采用ASP.NET或HTML5技術(shù)。

2）開發(fā)語言及實施路線

在保障系統(tǒng)穩(wěn)定性和高效性的基礎(chǔ)上，依據(jù)項目模塊功能特征，系統(tǒng)開發(fā)語言總體采用C/C++、JAVA、C#等開發(fā)語言。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用B/S和C/S混合體系結(jié)構(gòu)，C/S結(jié)構(gòu)程序（后臺程序）運行于服務(wù)端，以多線程并發(fā)的方式執(zhí)行，用于數(shù)據(jù)的解析計算以及各類產(chǎn)品的生成、入庫等?？蛻舳俗鳛锽/S結(jié)構(gòu)程序（前臺程序），為用戶的操作平臺，用于信息的綜合展示以及人機(jī)交互操作等。

2 系統(tǒng)功能

圍繞以用戶為中心的定位，系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)了三大功能模塊，包括：雷暴預(yù)警預(yù)報服務(wù)模塊、雷暴監(jiān)測戒備服務(wù)模塊、雷電數(shù)據(jù)智能分析模塊。三個模塊分別從過程前、過程中、過程后三個時間節(jié)點提供雷電監(jiān)測與預(yù)警服務(wù)，從用戶角度出發(fā)，提供更具有針對性和專業(yè)化水平的防災(zāi)減災(zāi)專業(yè)專項服務(wù)。過程前，雷暴預(yù)警預(yù)報服務(wù)模塊提供定點雷擊概率預(yù)報產(chǎn)品和雷電災(zāi)害影響評估，為用戶的應(yīng)急防御預(yù)留準(zhǔn)備時間，并為防雷減災(zāi)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。過程中，雷暴監(jiān)測戒備服務(wù)模塊為用戶提供多氣象要素疊加顯示，同時根據(jù)當(dāng)前雷暴的預(yù)報及實況給予聲光警示并推送雷電戒備信息，結(jié)合手機(jī)移動端提供跟蹤化服務(wù)，讓用戶能夠全方面、多渠道、更便捷地掌握雷電等氣象信息，有利于用戶更及時地開展各項應(yīng)急工作。過程后，利用系統(tǒng)的雷電信息查詢分析、雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等手段，用戶能直觀了解本次過程或歷史過程的雷暴信息，評估雷電活動發(fā)生的歷史趨勢及未來趨勢，為下一步防災(zāi)減災(zāi)工作提供指引。系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 深圳市雷電戒備服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 雷暴預(yù)警預(yù)報服務(wù)模塊

1）基于雷電預(yù)測模型的定點雷擊概率預(yù)報

隨著社會和生產(chǎn)的發(fā)展，雷電防御重點單位對安全生產(chǎn)的需求日益提高，面向公眾發(fā)布的全市雷電預(yù)警甚至分區(qū)雷電預(yù)警已經(jīng)不能滿足安全生產(chǎn)單位的需要，因此系統(tǒng)提供定點雷擊概率預(yù)報產(chǎn)品，留有一定的提前量和防御準(zhǔn)備時間，有利于用戶做好預(yù)防措施及應(yīng)急準(zhǔn)備，最終實現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的目標(biāo)。

首先建立雷電預(yù)測模型如下：式中，k為誤差修正值，f1，f2，…，fn為各個預(yù)報因子對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，x1，x2，…，xn為各個預(yù)報因子。同時結(jié)合深圳市各區(qū)域?qū)嶋H情況，對深圳歷史雷暴天氣過程個例進(jìn)行綜合分析，最終確定誤差修正值、預(yù)報因子，以及各個預(yù)報因子對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，形成雷電預(yù)測模型。其次通過將多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理、雷電短時臨近預(yù)報外推計算及訂正，同時依靠雷電預(yù)測模型綜合分析雷達(dá)回波強(qiáng)度（Q）、回波高度（H）和垂直積分液態(tài)含水量（VIL）與雷電發(fā)生可能性和強(qiáng)度之間的相關(guān)性，并結(jié)合閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)監(jiān)測出的實況修正，構(gòu)建定點雷電短時臨近預(yù)報系統(tǒng)，外推出戒備點未來1～3 h雷電出現(xiàn)的概率和雷電強(qiáng)度。

根據(jù)用戶個性化指定的戒備點區(qū)域（如戒備點5 km范圍內(nèi)），利用定點雷電短時臨近預(yù)報系統(tǒng)的外推結(jié)果，點對點為用戶提供未來1～3 h定點雷電發(fā)生概率與強(qiáng)度逐6 min預(yù)報，效果如圖2所示。

圖2 定點雷電發(fā)生概率與強(qiáng)度逐6 min預(yù)報

2）雷電災(zāi)害影響評估

根據(jù)深圳近10年來的地閃資料、雷電災(zāi)害資料以及45年的雷暴日資料，以深圳的自然環(huán)境、人文環(huán)境、氣候環(huán)境為背景，分析雷電災(zāi)害分布特征，提取多個雷災(zāi)易損性評價指標(biāo)， 用主成分分析方法對深圳市的雷災(zāi)易損性評價指標(biāo)進(jìn)行綜合評估，通過聚類分析法建立深圳的雷災(zāi)易損度區(qū)域劃分圖（圖3）。用戶可通過動態(tài)設(shè)置閃電密度、人員密度、?；瘓鏊?、雷災(zāi)等級等數(shù)據(jù)權(quán)重進(jìn)行風(fēng)險區(qū)劃產(chǎn)品制作。用戶結(jié)合單位信息，可對比分析自身風(fēng)險等級在深圳市的水平，為區(qū)域防雷減災(zāi)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)一步提高雷電災(zāi)害防御能力。

同時，基于雷暴天氣閃電實況數(shù)據(jù)資料、雷達(dá)外推資料、預(yù)警信號生效資料，結(jié)合深圳市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的結(jié)果，對定點區(qū)域的雷電風(fēng)險進(jìn)行實時的動態(tài)評估（圖4），為用戶提供實時更新的雷擊風(fēng)險值，對防災(zāi)單位的防雷安全工作具有指導(dǎo)意義。

圖3 基于聚類分析法所得深圳雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

圖4 定點區(qū)域的雷電風(fēng)險動態(tài)評估

2.2 雷暴監(jiān)測戒備服務(wù)模塊

1）雷電產(chǎn)品綜合顯示及查詢

研究表明，雷暴中的閃電放電能夠產(chǎn)生強(qiáng)靜電場以及電磁輻射場，可見雷電活動與電場等氣象要素的變化密切相關(guān)。系統(tǒng)基于GIS及可視化技術(shù)，可在電子地圖上疊加顯示：雨量圖、閃電、風(fēng)暴中心、雷達(dá)圖，實時顯示大氣電場（圖5）、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、閃電定位數(shù)據(jù)等產(chǎn)品。用戶可以個性化設(shè)置疊加的氣象要素，通過多氣象要素綜合顯示實現(xiàn)用戶對當(dāng)前氣象實況了解需求，為防災(zāi)安全工作提供多要素實況支撐。

圖5 大氣電場產(chǎn)品綜合顯示

2）基于觀測的雷電自動預(yù)警智能化

利用定點雷電短時臨近預(yù)報系統(tǒng)外推出戒備點未來1～3 h雷電出現(xiàn)的概率，并結(jié)合雷暴過程的實時動向，當(dāng)實況和預(yù)報出現(xiàn)超過該用戶設(shè)定的閾值標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)自動給予聲光警示，向用戶推送雷電戒備信息（圖6），并自動連接應(yīng)急預(yù)案：當(dāng)發(fā)布雷電預(yù)警信號時，用戶應(yīng)根據(jù)自身應(yīng)急預(yù)案做好相應(yīng)防雷措施；如逢正上方雷擊或周邊幾千米范圍內(nèi)發(fā)生閃電時，要立即停止作業(yè)并禁止人員在空曠處停留，必要時關(guān)掉控制電源，防止雷擊損壞設(shè)備。

圖6 基于觀測的雷電戒備短信推送

3）基于手機(jī)定位的雷點戒備

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們現(xiàn)在可以使用智能手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地地獲取最新的氣象資訊。為提高系統(tǒng)的便捷性，在PC端的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還在“深圳天氣”微信公眾號上提供雷電定點預(yù)警服務(wù)。重點用戶可根據(jù)手機(jī)定位實時獲取自己所在位置當(dāng)前雷暴戒備信息，包括雷擊概率、預(yù)警級別及說明、避險預(yù)案、雷達(dá)資料、氣象要素等產(chǎn)品（圖7），信息獲取更加便捷化。

圖7 雷電戒備服務(wù)微信公眾號界面

2.3 雷電業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能

1）雷電信息個性化查詢分析

系統(tǒng)支持各種查詢方式，提供圖元屬性查詢（點、矩形、半徑、多邊形和區(qū)域查詢）、條件查詢（如雷電強(qiáng)度值或雷電發(fā)生的時間）、行政區(qū)域查詢等查詢方式，提升用戶對雷電信息的查詢與瀏覽體驗。

2）基于歷史過程的雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

系統(tǒng)針對已經(jīng)監(jiān)測到的單次或多次、單時段或多時段的雷暴發(fā)生情況，可以進(jìn)行獨立歷史過程的分析或多歷史過程的比較。用戶通過分析報告可了解到地閃次數(shù)統(tǒng)計、密度分布、參數(shù)分布等信息（圖8），通過與歷史過程的比對分析，進(jìn)一步評估本次雷電活動的影響，通過歷史趨勢分析未來雷電活動的發(fā)生趨勢，為減災(zāi)決策提供參考。

圖8 歷史雷電過程分布分析

3 小結(jié)

雷電監(jiān)測和雷暴預(yù)警服務(wù)作為氣象服務(wù)中的新產(chǎn)品，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值。系統(tǒng)以定點雷電戒備個性化服務(wù)為核心，服務(wù)受眾多、應(yīng)用廣，有效提高了氣象服務(wù)質(zhì)量，提升了氣象服務(wù)水平，取得良好的服務(wù)效果。系統(tǒng)服務(wù)范圍已完全覆蓋深圳市505家氣象災(zāi)害防御重點單位，還涵蓋了建筑施工、港口、旅游、供水供電、石化燃?xì)?、海事船舶、涉氨、粉塵、易燃易爆等?；袠I(yè)的2000余家單位。系統(tǒng)提出的“預(yù)警-戒備”的思路，通過面向用戶的定點個性化服務(wù)，有效地彌補(bǔ)了單一預(yù)警信號指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)工作的短板，得到了用戶的好評，為城市雷電災(zāi)害防御工作思路提供了有效的參考，同時還在“雷、雨、大風(fēng)”的綜合氣象災(zāi)害防御工作的推廣與應(yīng)用方面積累了寶貴的經(jīng)驗，為今后該領(lǐng)域的工作研究提供了重要的借鑒意義。

在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)部分用戶需求未在系統(tǒng)功能中充分考慮，如雷電持續(xù)時間對于用戶的應(yīng)急響應(yīng)調(diào)度有重要參考意義，其與用戶的防災(zāi)應(yīng)急工作息息相關(guān)，然而系統(tǒng)未充分考慮雷電持續(xù)時間對用戶的影響，為進(jìn)一步滿足用戶的實際需求，因此計劃下一步結(jié)合降水、雷達(dá)等氣象資料，優(yōu)化預(yù)警算法，提供雷暴過程持續(xù)時間預(yù)報，同時針對氣象災(zāi)害防御重點單位以及城市安全重點行業(yè)單位的風(fēng)險敏感點與個性化需求，繼續(xù)深化雷電、臺風(fēng)、暴雨內(nèi)澇等其他城市災(zāi)害的預(yù)警與戒備服務(wù)。

深入閱讀

郭宏博, 邱宗旭, 楊悅新, 等, 2017. 粵港澳閃電定位系統(tǒng)與深圳高塔雷電光學(xué)觀測對比分析. 廣東氣象, 39(6): 60-63.

李國梁, 李俊, 李享, 2018. 一次強(qiáng)雷電天氣特征分析. 氣象科技進(jìn)展, 8(5): 17-22.

劉華麟, 2017. Web GIS實時雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計. 自動化與儀器儀表, (11): 67-68.

劉三梅, 呂海勇, 陳邵東, 等, 2014. 廣東省雷電風(fēng)險區(qū)劃研究. 資源科學(xué), 36(11): 2337-2344.

呂偉濤, 張義軍, 孟青, 等, 2009. 雷電臨近預(yù)警方法和系統(tǒng)研發(fā).氣象, 35(5): 10-17.

馬琰鋼, 沈萍月, 鄧闖, 2015. 基于ArcGIS Mobile的“智慧氣象”數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)研究. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, (9): 62.

張義軍, 張陽, 2016. 雷暴閃電放電活動對電離層影響的研究進(jìn)展.應(yīng)用氣象學(xué)報, 27(5): 570-576.

曾慶峰, 張其林, 賴鑫, 等, 2015. 深圳市閃電定位資料誤差分析及其優(yōu)化. 氣象科技, 43(3): 530-542.