雷電預(yù)警矩陣圖分析法的探討

郭軍成 麴 春 程 援 高鈺濤

（貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000）

0 引言

目前，雷電預(yù)警可以實時提供高質(zhì)量和有價值的雷暴事件信息，這對協(xié)調(diào)和采取主動防雷措施提供了極大幫助。根據(jù)所采用的雷電環(huán)境探測的主要設(shè)備不同，雷電預(yù)警技術(shù)包括閃電定位技術(shù)和靜電場變化探測技術(shù)。閃電定位系統(tǒng)主要是對已經(jīng)發(fā)生的閃電進行定位，并測量閃電參數(shù)，體現(xiàn)為已知和確定性，靜電場變化探測技術(shù)主要是通過探測覆蓋區(qū)域地面靜電場來實現(xiàn)對應(yīng)區(qū)域的有效預(yù)警，體現(xiàn)為預(yù)見和不確定性[1]。

大氣電場儀通過探測雷暴生命周期中的4個階段“初始階段、成長階段、成熟階段和耗散階段”進行短時臨近預(yù)警。雷電預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)之初通常會設(shè)定幾組通用技術(shù)參數(shù)，但在特定的區(qū)域內(nèi)受周圍環(huán)境影響，所設(shè)定的覆蓋區(qū)域、雷電預(yù)警系統(tǒng)算法和預(yù)警閾值可能會不適用，影響雷電預(yù)警的有效性。

該文以安順市雷電預(yù)警系統(tǒng)為研究對象，利用矩陣圖分析法研究安順和紫云雷電監(jiān)測站的雷電預(yù)警資料，判斷安順和紫云站點設(shè)備的運行情況是否異常、所設(shè)定的探測半徑是否有效、設(shè)定的雷電預(yù)警閾值是否合理。

1 雷電預(yù)警中幾個重要指標(biāo)的概念

雷電預(yù)警：表明目標(biāo)或區(qū)域可能受雷暴和隨著的閃電相關(guān)事件影響的信息。

覆蓋區(qū)域：給定探測設(shè)備具有足夠的檢測效率和準(zhǔn)確度能夠監(jiān)測到的范圍，單站大氣電場儀的典型值為20 km。

周邊區(qū)域：覆蓋區(qū)域外且接近覆蓋區(qū)域的地方。

有效時間：目標(biāo)區(qū)域內(nèi)從發(fā)布雷電預(yù)警至第一次發(fā)生閃電的時間。短時臨近預(yù)警中的典型值為5 min～30 min。

有效預(yù)警：在目標(biāo)區(qū)域和有效時間內(nèi)發(fā)布的雷電預(yù)警。

異常預(yù)警：在常態(tài)區(qū)域和漏警區(qū)域發(fā)布了雷電預(yù)警。

漏警：在目標(biāo)區(qū)域發(fā)生了閃電但未發(fā)布雷電預(yù)警。

漏警率：關(guān)于漏警事件與相關(guān)區(qū)域發(fā)生總閃電事件的比率。

誤警：相應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)布了預(yù)警但未發(fā)生閃電。

誤警率：誤警次數(shù)與總預(yù)警次數(shù)的比率。

閾值：雷電預(yù)警系統(tǒng)發(fā)布雷電預(yù)警的起始值，一般采用擊穿空氣的大氣電場值3 000 V/m。

預(yù)警級別：當(dāng)未發(fā)生預(yù)警記為“1”，表示為無雷電預(yù)警，分別用2、3和4對應(yīng)黃色、橙色和紅色預(yù)警。

常態(tài)：無雷電天氣過程，探測設(shè)備值趨于穩(wěn)定，一般為50 V/m。

2 安順市雷電預(yù)警系統(tǒng)

安順市雷電預(yù)警系統(tǒng)始建于2014年，全市共建設(shè)了30部大氣電場儀作為雷電監(jiān)測站和終端雷電預(yù)警平臺。其原理就是通過實時監(jiān)測近地面大氣靜電場強度值的變化來判斷雷云的臨近與遠(yuǎn)離[2]，通過不同的預(yù)警等級來判斷雷電發(fā)生的不同概率，設(shè)置合理的閾值以及實測電場的連續(xù)滾動平均值的變化來判斷雷云是否靠近或遠(yuǎn)離，是否會在本地出現(xiàn)雷電，讀取CMiss系統(tǒng)閃電定位資料，判斷大氣電場儀周圍30km內(nèi)的閃電數(shù)據(jù)以及密度，來判斷外圍雷電情況，當(dāng)雷電預(yù)警系統(tǒng)讀取到多次閃電發(fā)生時，該探頭無條件發(fā)布雷電預(yù)警。

考慮到安順地形條件，廠家設(shè)定大氣電場儀單站覆蓋區(qū)域半徑為10 km，當(dāng)無雷暴天氣過程時，每個站點每分鐘向終端平臺回傳一次實時大氣靜電場信息，當(dāng)有雷暴天氣過程時各站點每2 s向終端平臺回傳一次實時大氣靜電場信息。終端預(yù)警平臺經(jīng)過綜合分析后進行分級預(yù)警，包括黃色、橙色和紅色三級雷電預(yù)警，三級雷電預(yù)警的閾值分別是2 000 V/m、4 000 V/m和6 000 V/m，提前時間為5 min～30 min 。

通過安順市雷電預(yù)警平臺可以獲取每個探頭周圍10km范圍內(nèi)近地面的實時靜電場信息、任意半徑內(nèi)的閃電定位資料和不同級別的雷電預(yù)警產(chǎn)品。

3 雷電預(yù)警矩陣圖分析法的建立與功能

矩陣圖分析法[3]主要用于商業(yè)中界定客戶性質(zhì)的一種粗略分析方法，該文借鑒該方法，利用閃電強度、電場強度和雷電預(yù)警級別建立雷電預(yù)警矩陣分析圖，通過該方法可以粗略判斷雷電監(jiān)測設(shè)備的運行情況和雷電預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)是否合理。

3.1 雷電預(yù)警矩陣圖分析法的建立

該文以安順市雷電預(yù)警系統(tǒng)中紫云單站和安順單站實時探測的大氣靜電場數(shù)據(jù)和覆蓋區(qū)域10 km范圍內(nèi)的閃電強度數(shù)據(jù)為研究對象，使用實際發(fā)生的閃電強度值、大氣電場儀探測的靜電場強和雷電預(yù)警級別建立雷電預(yù)警矩陣分析圖。該文不討論閃電和電場的極性問題，因此所有選取的值均進行取絕對值，雷電預(yù)警矩陣圖包括有效預(yù)警、誤警、常規(guī)和漏警4個區(qū)域。

關(guān)于分界線，閃電強度軸以“0”為分界線，為了便于觀察，“0”分界線左邊的區(qū)域均記為零，當(dāng)未發(fā)生閃電時，閃電強度值位于“0”區(qū)域；大氣電場強度軸以雷電預(yù)警系統(tǒng)閾值為分界線，預(yù)警閾值需要根據(jù)雷電預(yù)警系統(tǒng)的實際情況而定，該文采用安順市雷電預(yù)警系統(tǒng)黃色雷電預(yù)警閾值2000 v/m[4]。

關(guān)于閃電強度和大氣電場強度值的選取，為了便于討論每個區(qū)域的情況，分別對紫云站點和安順站點選擇兩組數(shù)據(jù)，每組10個數(shù)值，見表1和見表2。表1的數(shù)據(jù)是以閃電發(fā)生的時間為基準(zhǔn)，選取大氣電場儀站點為中心10 km范圍實際發(fā)生的閃電數(shù)據(jù)，隨機選取每次雷暴天氣過程中目標(biāo)區(qū)域內(nèi)第一次閃電數(shù)據(jù)，此時電場數(shù)據(jù)選取閃電前有效時間30 min內(nèi)的最大值，雷電預(yù)警級別選擇有效時間內(nèi)發(fā)布的最高級別，該組數(shù)據(jù)主要用于體現(xiàn)系統(tǒng)的漏警情況。表2的數(shù)據(jù)以雷電預(yù)警發(fā)布的時間為基準(zhǔn)，選取各站當(dāng)天第一次發(fā)布雷電預(yù)警的電場值，此時選取發(fā)布預(yù)警后有效時間30 min內(nèi)發(fā)生的第一次閃電，當(dāng)無閃電發(fā)生時記為“0”值，該組數(shù)據(jù)主要用于反映系統(tǒng)的誤警情況。利用2組數(shù)據(jù)分別建立安順站點雷電預(yù)警矩陣圖和紫云站點雷電預(yù)警矩陣圖，如圖1和圖2所示。

表1 以閃電發(fā)生時間為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)

表2 以雷電預(yù)警發(fā)布時間為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)

3.2 雷電預(yù)警矩陣分析圖中各區(qū)域的現(xiàn)象

3.2.1 有效預(yù)警區(qū)域

當(dāng)閃電強度—電場強度值位于該區(qū)域時，表明所使用的探測設(shè)備功能正常，能夠準(zhǔn)確探測覆蓋區(qū)域內(nèi)的電場數(shù)據(jù)，由于采用的是實際發(fā)生的閃電數(shù)據(jù)和對應(yīng)的電場數(shù)據(jù)以及實際發(fā)生的雷電預(yù)警電場數(shù)據(jù)和對應(yīng)的閃電數(shù)據(jù)，所以雷電預(yù)警系統(tǒng)精準(zhǔn)的情況下，所有樣本數(shù)據(jù)都應(yīng)該在該區(qū)域。

3.2.2 誤警區(qū)域

該區(qū)域的閃電強度—電場強度值表現(xiàn)為3個方面：1）系統(tǒng)發(fā)布了預(yù)警，覆蓋區(qū)域無閃電，但周邊區(qū)域有閃電發(fā)生，這可判斷為選用的探測半徑小于設(shè)備的實際探測半徑，需要考慮設(shè)置更大的探測半徑。2）系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警，覆蓋區(qū)域和周邊區(qū)域均無閃電發(fā)生，這是由于雷電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)警閾值過小，需要設(shè)置更大的閾值。3）發(fā)布預(yù)警無閃電，且預(yù)警持續(xù)不解除，這是由于大氣電場儀的零點電位漂移[5]。

3.2.3 常態(tài)區(qū)域

因取值原因，雷電預(yù)警系統(tǒng)及探頭正常情況下，該區(qū)域無值，更不可能發(fā)生雷電預(yù)警，如果有則是由于雷電預(yù)警系統(tǒng)中設(shè)置了“當(dāng)周探頭邊區(qū)域有多次閃電發(fā)生時，該探頭無條件發(fā)布雷電預(yù)警”引起，可視為應(yīng)該預(yù)警規(guī)則引起的異?，F(xiàn)象。

3.2.4 漏警區(qū)域

該區(qū)域的點可判斷出2個結(jié)論：1）覆蓋區(qū)域有閃電，系統(tǒng)無預(yù)警，可判斷為雷電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置的閾值過大。2）覆蓋區(qū)域有閃電，且因預(yù)警規(guī)則產(chǎn)生異常預(yù)警，可判斷為使用的探測半徑大于設(shè)備的實際探測半徑，需要設(shè)置較小的探測半徑。

3.3 現(xiàn)象論證分析和應(yīng)用

圖1為安順站點雷電預(yù)警矩陣圖，根據(jù)所選用的樣本和雷電預(yù)警矩陣圖分析法，圖中有效預(yù)警區(qū)域分布了55%的樣本值，無異?，F(xiàn)象；有25%的樣本子分部在誤警區(qū)域，通過查閱系統(tǒng)其他資料，這些樣本值時間段內(nèi)周邊區(qū)域確實有雷暴天氣過程，可確定安順站點設(shè)定的探測半徑小于實際探測半徑；常態(tài)區(qū)域無異?，F(xiàn)象；漏警區(qū)域分布了25%的樣本值，同時這些點無異常預(yù)警，可判定安順站點設(shè)置的預(yù)警閾值較大。圖2為紫云站點雷電預(yù)警矩陣圖，紫云站點樣本值中電場強度普遍極小，在有效預(yù)警區(qū)域和誤警區(qū)域無值，不能正常預(yù)警，為異常現(xiàn)象；在常態(tài)區(qū)域分布了10%的樣本值，但出現(xiàn)了異常預(yù)警；在漏警區(qū)域有45%的異常預(yù)警，分布了45%的漏警樣本值，可判斷紫云站點設(shè)備不能正常探測近地面的大氣靜電場。

圖1 安順站點雷電預(yù)警矩陣圖

通過對安順站點和紫云站點使用雷電預(yù)警矩陣圖分析法可以得出如下結(jié)論：1）安順站點實際探測半徑比現(xiàn)在使用探測半徑較大，應(yīng)設(shè)置更大的探測半徑。2）安順站點設(shè)置的預(yù)警閾值過大，應(yīng)減小預(yù)警閾值。3）紫云站點設(shè)備無法正常探測近地面的大氣靜電場。4）系統(tǒng)設(shè)置“當(dāng)周探頭邊區(qū)域有多次閃電發(fā)生時，該探頭無條件發(fā)布雷電預(yù)警”的規(guī)則可以用于研究設(shè)備的實際探測半徑，但會產(chǎn)生異常預(yù)警且無法提升有效預(yù)警率。

現(xiàn)場實況是安順站點位于辦公樓頂，周圍較空曠，結(jié)論符合實際情況，而紫云站點設(shè)備各元件運行正常，但設(shè)備位于地面，且周圍灌木叢森，整個探頭處于遮擋狀態(tài)，須進行設(shè)備維護和更換安裝地點。

通過以上分析表明，在雷電預(yù)警系統(tǒng)調(diào)試階段，雷電預(yù)警矩陣分析圖能夠快速確定設(shè)備所設(shè)定的技術(shù)參數(shù)是否適用。當(dāng)樣本值全部處于有效預(yù)警區(qū)域時，雷電預(yù)警系統(tǒng)采用的各項技術(shù)指標(biāo)最為精確；當(dāng)樣本值大多在誤警區(qū)域時，所適用的探測半徑或預(yù)警閾值過小，結(jié)合其他資料進行修正；當(dāng)樣本值多數(shù)位于漏警區(qū)域時，需要設(shè)定更大的探測半徑和預(yù)警閾值。同時在設(shè)備運行維護階段，雷電預(yù)警矩陣分析圖也能發(fā)揮較好的作用。當(dāng)樣本值位于常態(tài)區(qū)域時，雷電監(jiān)測設(shè)備異常，可考慮設(shè)備自身功能或所處環(huán)境的變化，為設(shè)備維護提供指導(dǎo)性建議。

4 結(jié)論

該文利用安順市雷電預(yù)警系統(tǒng)中安順站點和紫云站點樣本數(shù)據(jù)建立雷電預(yù)警矩陣圖，通過雷電預(yù)警矩陣圖分析了安順站點設(shè)置的探測半徑較小和預(yù)警閾值較大，而紫云站點受周圍環(huán)境影響不能正常探測地面靜電場，同時探討了“當(dāng)周探頭邊區(qū)域有多次閃電發(fā)生時，該探頭無條件發(fā)布雷電預(yù)警”規(guī)則的利弊情況。雷電預(yù)警矩陣圖分析法可用于雷電預(yù)警系統(tǒng)的自學(xué)模型，用于判斷探測站點設(shè)備的運行情況和研究雷電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)定的技術(shù)參數(shù)的有效性。