基于雷電數(shù)據(jù)庫(kù)的雷災(zāi)預(yù)警方法初探

李 寧 陳小麗

1 雷暴預(yù)警的重要意義

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)速度的加快,雷電對(duì)城市發(fā)展建設(shè)的破壞影響也在不斷加劇。特別是信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,導(dǎo)致雷電災(zāi)害波及各行各業(yè),如郵電通訊、石油化工、交通運(yùn)輸、國(guó)防建設(shè)等,尤其是對(duì)現(xiàn)在廣泛使用的微電子、信息網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信設(shè)備等構(gòu)成巨大威脅。雷電具有持續(xù)時(shí)間短、放電快、突發(fā)性的特點(diǎn),一旦發(fā)生雷害,一切救援措施和補(bǔ)救方法都會(huì)來(lái)不及。因此,一些重要設(shè)施、危險(xiǎn)區(qū)域等都需要雷電的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),特別是一些戶外重大活動(dòng)更需要雷電和空間雷電環(huán)境的監(jiān)測(cè)和短時(shí)、鄰近預(yù)報(bào)。

2 國(guó)內(nèi)雷電短時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警現(xiàn)狀

由于國(guó)內(nèi)的雷電監(jiān)測(cè)起步較晚,目前還主要是從雷電的電學(xué)特性上探測(cè)雷電,對(duì)雷電的預(yù)測(cè)也主要是運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)雷暴的雷達(dá)回波進(jìn)行分析從而進(jìn)行雷電預(yù)警,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率并不高,預(yù)報(bào)產(chǎn)品形式單一、質(zhì)量欠佳。因此目前還沒(méi)有成熟的可供預(yù)報(bào)服務(wù)實(shí)際使用的業(yè)務(wù)產(chǎn)品,也就是說(shuō),我國(guó)在雷電預(yù)警預(yù)報(bào)方面的工作相當(dāng)薄弱,目前基本沒(méi)有開(kāi)展有針對(duì)性的雷電預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。但是,中國(guó)氣象科學(xué)研究院近期已經(jīng)開(kāi)展了雷電預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)和方法的研究,并開(kāi)發(fā)了雷電預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng),目前正在試運(yùn)行。

3 綜合資料應(yīng)用對(duì)雷電預(yù)報(bào)的重要性

美國(guó)的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)只用雷達(dá)資料或閃電資料時(shí),預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為74%,而采用綜合資料時(shí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高到85%。目前,國(guó)外部分國(guó)家對(duì)雷電的監(jiān)測(cè)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平,建立了利用多種探測(cè)儀器相結(jié)合的雷電探測(cè)網(wǎng)。

鑒于目前的探測(cè)水平,我國(guó)現(xiàn)階段用得較多的是雷暴潛勢(shì)預(yù)報(bào)。一般做法:選取11個(gè)能反映大氣穩(wěn)定度的熱力和動(dòng)力因子(CAPE,NCAPE,BCAPE,SI,KI,LI,TTI,SHR,VGR,SSI,BRN),通過(guò)計(jì)算雷暴與各因子相關(guān)性,從中選取相關(guān)性好的因子(CAPE,SSI,LI,SI,KI)作為預(yù)報(bào)因子,之后,通過(guò)統(tǒng)計(jì)出各因子閾值、消空、用指標(biāo)疊加法,可以制作雷暴的0 h～24 h潛勢(shì)預(yù)報(bào)。實(shí)踐表明,應(yīng)用綜合資料后,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率得到提高。

目前我國(guó)雷電監(jiān)測(cè)手段研發(fā)能力不強(qiáng),在高時(shí)間分辨率雷電探測(cè)及綜合資料的獲取和應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國(guó)家差距很大,缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和適應(yīng)各種不同需求的雷電防護(hù)產(chǎn)品,沒(méi)有形成與我國(guó)國(guó)情相適應(yīng)的、有特色的雷電研發(fā)體系,國(guó)內(nèi)至今尚未組織雷電與相關(guān)學(xué)科聯(lián)合的大型觀測(cè)試驗(yàn),對(duì)雷電的研究及其應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)也沒(méi)有形成規(guī)模。

4 基于雷電數(shù)據(jù)庫(kù)的雷災(zāi)預(yù)警方法

目前的雷暴預(yù)警技術(shù)往往只關(guān)注到雷暴本身的發(fā)生發(fā)展規(guī)律,而忽略了雷電防護(hù)對(duì)象本身特性以及歷史雷暴數(shù)據(jù)對(duì)雷電防災(zāi)減災(zāi)的重要性,造成其預(yù)報(bào)產(chǎn)品過(guò)于單一,深度不夠,不能有效的指導(dǎo)雷電的防災(zāi)減災(zāi)工作。在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段下可以通過(guò)建立雷電數(shù)據(jù)庫(kù),嘗試提供一種更為實(shí)用的雷災(zāi)預(yù)警方法。為便于精細(xì)化雷暴預(yù)警服務(wù),可以以行政區(qū)域內(nèi)的不同功能規(guī)劃分區(qū),如居民區(qū)、工業(yè)區(qū)等,尤其是對(duì)于重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象,如大型石化企業(yè)、機(jī)場(chǎng)等宜單獨(dú)分區(qū)。

雷電數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)基于地理信息系統(tǒng),并包含如下內(nèi)容:

1)區(qū)域歷史雷暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。在某城市或行政區(qū)域內(nèi)按地閃密度分布、雷電流強(qiáng)度、雷暴時(shí)空分布規(guī)律等,進(jìn)行分區(qū)塊分等級(jí),并確定一個(gè)與之相應(yīng)的雷暴影響因子以及雷暴高發(fā)區(qū)和高發(fā)時(shí)段(見(jiàn)圖1,圖2)。該因子可預(yù)測(cè)雷電發(fā)展趨勢(shì)及其概率。

通過(guò)確定雷暴高發(fā)區(qū),可以為政府的規(guī)劃決策服務(wù),避免新建的易燃易爆場(chǎng)所、重大項(xiàng)目的選址錯(cuò)誤,盡量降低雷擊引起的經(jīng)濟(jì)損失的可能性,盡最大的可能保障生產(chǎn)安全。找出雷暴高發(fā)時(shí)段規(guī)律對(duì)雷暴預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)也有指導(dǎo)性意義。

2)歷史雷災(zāi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)過(guò)往雷災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、對(duì)象特性、后果等進(jìn)行雷災(zāi)易損區(qū)域劃分,確定易損因子,評(píng)價(jià)易損性。

可選取以下4個(gè)指標(biāo)來(lái)反映區(qū)域受災(zāi)情況[6]:a.雷暴密度M;b.雷電災(zāi)害頻數(shù) P;c.經(jīng)濟(jì)(GDP)損失模數(shù)(強(qiáng)度)D;d.雷電災(zāi)害生命易損模數(shù)L。

其中前兩項(xiàng)指標(biāo)著重于雷電災(zāi)害發(fā)生頻率和次數(shù)的評(píng)價(jià),反映防護(hù)對(duì)象的易損程度;后兩項(xiàng)指標(biāo)則側(cè)重于雷電災(zāi)害損失的評(píng)估,反映防護(hù)對(duì)象受損強(qiáng)度。

通過(guò)選取以上4個(gè)指標(biāo),并對(duì)其進(jìn)行分等級(jí)評(píng)分,可全面的評(píng)價(jià)區(qū)域雷災(zāi)易損性,并與傳統(tǒng)雷暴預(yù)警預(yù)報(bào)相結(jié)合,做出有針對(duì)性的雷電預(yù)警產(chǎn)品,提供特色的服務(wù)。

還可以通過(guò)雷電定位系統(tǒng)和雷電監(jiān)測(cè)儀等探測(cè)設(shè)備,記錄雷擊發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、雷電流強(qiáng)度等數(shù)據(jù),把有關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)采集不同的數(shù)據(jù),分析相關(guān)的預(yù)報(bào)因子,比較得出各種雷電發(fā)生的電場(chǎng)強(qiáng)度和氣象條件特征,努力探索雷電的致災(zāi)機(jī)理并掌握其規(guī)律,并指導(dǎo)預(yù)警預(yù)報(bào)產(chǎn)品的生成,可有效避免同類型的雷災(zāi)事件再次發(fā)生。

3)對(duì)象特性分析統(tǒng)計(jì)。對(duì)行政區(qū)域內(nèi)的大型項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目、易燃易爆場(chǎng)所的分布及其特性進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),并與項(xiàng)目前期的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合,找出項(xiàng)目各環(huán)節(jié)的雷電敏感點(diǎn),并建立項(xiàng)目特性資料檔案。通過(guò)分析統(tǒng)計(jì),可以充分考慮防護(hù)對(duì)象本身的特點(diǎn),從而分析比較出各防護(hù)對(duì)象在相同的雷電條件下(如同極性、同等強(qiáng)度)造成不同的后果,體現(xiàn)雷電預(yù)警服務(wù)在不同對(duì)象上的差異性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立雷電數(shù)據(jù)庫(kù),并經(jīng)過(guò)采集歸納多年數(shù)據(jù)和綜合資料進(jìn)行分析,可以掌握雷電時(shí)空發(fā)生規(guī)律,進(jìn)一步指導(dǎo)雷電預(yù)警的研究和開(kāi)發(fā),這樣不但在電力系統(tǒng)雷擊故障點(diǎn)的查巡、森林雷擊火災(zāi)的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、民航航線的選擇、石化項(xiàng)目選址等方面都有很高的經(jīng)濟(jì)效益,也可對(duì)雷害的分析確定、保險(xiǎn)理賠等提供科學(xué)依據(jù),更重要的是在項(xiàng)目并聯(lián)審批項(xiàng)目總圖布置方案時(shí)可根據(jù)具體數(shù)據(jù)提出建議,針對(duì)本區(qū)域發(fā)生雷擊的可能性大小,相應(yīng)提高防雷級(jí)別,對(duì)于一些重大項(xiàng)目,如果雷電數(shù)據(jù)庫(kù)顯示該區(qū)域的雷擊可能性非常高且破壞性巨大,則可以根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)向相關(guān)部門反映,徹底做好綜合防雷,甚至建議重新選址,讓電力、通信、軍事、倉(cāng)儲(chǔ),特別是易燃易爆危險(xiǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)的規(guī)劃選址和防雷工程設(shè)計(jì)顯得更有意義。

[1] 中國(guó)氣象局.雷電軌道業(yè)務(wù)方案(2006年試行)[Z].2006.

[2] 關(guān)象石.防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編[G].2000.

[3] 張培昌.雷達(dá)氣象學(xué)[Z].2000.

[4] 孫 凌.雷暴預(yù)警預(yù)報(bào)的研究進(jìn)展[J].四川氣象,2009,29(2):4-6.

[5] Qiang Wang.Potential Vulnerability Analysis and Vulnerability Zoning of Thunderstorm Disaster in Shanghai,proceeding of 13th International Conference on Atmospheric Electricity,2007.

[6] 尹 娜,肖穩(wěn)安.區(qū)域雷災(zāi)易損性分析、評(píng)估及易損度區(qū)劃[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2005,21(4):441-448.