高速公路雷電監測與預警應用技術的構思

吳宏 吳建欣

(浙江蘭溪市氣象局,浙江蘭溪 321100)

高速公路雷電監測與預警應用技術的構思

吳宏 吳建欣

(浙江蘭溪市氣象局,浙江蘭溪 321100)

我國高速公路正處于快速發展的時期,但高速公路沿線的雷電災害防御系統建設相對滯后,使現代交通運輸追求的快速、高效和安全目標,受到影響和制約。本文針對滬昆高速杭金衢段沿線存在的雷電防御能力中的短板,引入雷電監測與預警技術,提出建設雷電實時監測系統、雷電預測預警系統和雷電災害應急管理系統的構思,并通過采取以非工程性或非工程性和工程性組合的雷電防御技術,有效改變目前高速公路僅依賴工程性防雷技術的現狀及被動防御局面,提升主動防御和災后應急能力,減少因雷電造成的直接或間接損失。

高速公路 雷電 監測與預警 應用技術

1　引言

雷電的危害具有很強的破壞性，主要危害途徑有直擊雷、雷電感應、雷電波侵入和地電壓反擊等形式。從我國第一條高速公路投運至今，高速公路沿線(含收費所、隧道機電設施、服務區、養路工區等區域)的弱電系統都不同程度地遭受雷電侵害。輕者部分設備被雷電擊壞，系統喪失部分功能，重者全系統癱瘓，全部系統功能盡失，造成駕駛員猝不及防，釀成重大交通事故，給交通安全帶來極大隱患。同時雷災也給高速公路沿線的眾多施工、服務人員和駕乘人員的人身及行車安全帶來威脅。雷電氣候下的通行能力下降，不僅影響自身的經濟效益，也產生不良的社會影響。現代交通運輸追求的快速、高效和安全目標，往往受到的影響和制約。

高速公路雷電防御具有點多、面廣、線長，既有強電設備，又有大量的監控、通信、傳感等弱電設備，曠野區域往往有突出的設備點，電力線路往往要翻山越嶺，傳輸和控制線路往往經常穿越復雜的地質層面的特點，這些都是易遭雷擊或雷電感應的薄弱點。對此，僅依靠傳統的工程性和被動式防御措施難以做到經濟、有效的防御目的。面對以上的問題和難點，通過建設雷電實時監測平臺、雷電監測預警系統、雷災應急響應管理系統等應用型系統，適時引入非工程性措施，以期達到提升高速公路雷電防御的能力。目前，國外的研究人員在利用雷達和衛星等探測資料進行雷電臨近預報方面做了大量深入的研究工作。例如:美國空軍第45天氣中隊給出了以雷達為工具的雷電臨近預報經驗規則，主要用到了最大回波強度及其出現高度、強回波體積、頂高等參數，對單體雷暴、砧狀云、碎云等的云閃、地閃的預報提供了不同的規則[1]。Smith采用同步衛星紅外云圖和美國國家閃電監測網的地閃定位結果，對兩次雷暴過程進行了分析，對比了云頂冷卻率超過0.5℃/min的時間和首次地閃出現的時間，結果表明前者比后者提前了半小時或更長時間[2]。國內雷電監測、預警預報技術的研究工作也已起步，氣象、科研院校、專業防雷機構等部門，在雷達、衛星、雷電定位儀和大氣電場儀等監測基礎上，基于地理信息系統，采用多參數、多算法集成方法研究雷電預警預報技術，建立雷電監測和預警系統。滬昆高速杭金衢段沿線已建立了覆蓋全部的閃電定位探測網和大氣電場監測與預警覆蓋面達80%以上。2008年依托科技部奧運攻關主題“奧運會雷電監測和預警系統關鍵技術研究”，為奧帆賽場等重點區域提供雷電的區域、概率和雷電頻數等預警服務，并取得明顯效果。

2　杭金衢高速公路雷電防御存在的主要問題

圖1　

(1)高速公路沿線各區域在建設時，各設施、設備的招投標分不同專業、單位分別依據各自的標準與規范設計和施工，相互之間對整體設計確乏溝通、配合。(2)已有的防雷設施是在建設后期以整改形式進行，采取針對性、局部性的工程性整改方式。存在對整改后再增加的其他設施無法進行防御、或整改代價大的問題，也即防御的統一性、可擴展性弱等問題。(3)主動防御和災后應急能力弱。雷電防御需要工程性措施，但同時做好非工程性防御措施將會起到事半功倍的作用。目前此項工作尚未有效實施。(4)工程性措施保護范圍以外區域的人員、設施、交通安全等無法進行有效的防御。

圖2　預警系統技術路線圖

圖3　應急響應管理技術路線圖

3　雷電監測與預警應用技術的主要內容及技術路線

本文以杭金衢高速公路沿線(含收費所、隧道機電設施、服務區、養路工區等區域)的雷電主動防御和提升雷災后應急能力為主要內容，改變目前防雷工程性技術不足的現狀及被動局面，減少因雷電造成的直接或間接損失。

(1)建立雷電實時監測平臺。利用雷達、衛星、雷電定位儀和大氣電場儀等設施，監測和收集實時雷電信息，整合歷年人工觀測信息和災情調查信息，開展沿線重點區域人員、設施、運行及防雷裝置分布和整改情況等基本信息調查，基于地理信息系統，建立杭金衢高速公路沿線雷電監測數據庫;開發數字化采集、組織、存儲、管理、分析、應用和服務軟件，進行雷電監測技術應用方法的研究;運用雷電災害區劃技術，初步繪制杭金衢高速公路沿線閃電主要電學特征分布圖、雷暴主要移動路徑圖等。為高速公路建設的設計、改、擴建及提高營運效率等提供數據與技術支撐。找出高速公路沿線及重點區域雷電監測與雷電發生之間的對應關系。并在此基礎上完成雷電空間信息的數字化采集、組織、存儲、管理、分析、應用和服務等技術(如圖1)。

(2)通過建立雷電監測和預警系統，為指定的重點區域提供雷電的區域、概率和雷電頻數等預警示范服務。雷電監測預警系統以GIS為基礎，采用多資料、多參數和多算法集成的雷電臨近預警方法，結合三維空間雷暴識別、跟蹤和外推算法與決策樹算法，提供多種形式的雷電臨近預警產品。重點解決以下關鍵技術:1)針對實時監測的技術。對于雷監測數據進行實時的數據轉換，轉換為GIS平臺所認可的柵格以及矢量數據;然后與地理信息數據進行統一的組織存儲與管理。在此基礎上整合雷電預測模式，實現高性能的計算，實現雷電發生落區、頻數以及幾率的臨近預測。2)針對外推雷達回波運動的技術。利用“交叉相關算法”外推雷達回波的運動，獲得的雷達回波在過去的移動矢量，來外推確定回波未來的位置和形狀，從而達到預報的目的。3)針對雷電定位資料算法的技術。采用雙參數線性指數平滑方法對電場平均值進行預測，結合由電場瞬間變化得到的近距離是否已有閃電發生及其距離范圍的估計結果，給出距離該站0～5km和5～10km范圍內發生閃電的概率分級(如圖2)。

(3)運用雷電防御非工程性防御措施理念和技術，尋找非工程性防御措施和工程性防御措施的結合點，重點解決監控系統、收費系統和通信系統等三大技術支撐系統轉換，研究適應高速公路沿線非工程性防御措施相關技術、方法、管理系統。

(4)建立杭金衢高速公路雷電災害應急管理系統，提升雷災后應急處理能力。依據杭金衢高速公路運行、服務、管理的特性，以及人員密集程度、設備設施集中程度和重要性，對不同區域雷電災害危害性進行分析區分，建立雷電應急響應管理系統;按雷電預警信號的強弱、持續時間等不同進行分類定級，并依據杭金衢高速運行、服務需求，該區域雷電災害規律、危害性、重要性研究分析，制定具體的等級指標體系;為確保雷電預警信號準確、快捷、高效發布，分析杭金衢高速現有應急預警發布模式的基礎上，通過點對點、顯示屏等多渠道發布形式，研究建立雷電預警信號自動、高效發布平臺;結合杭金衢高速公路各職能部門的職責分解，以及高速公路運行、服務的社會需求，研究建立杭金衢高速公路雷電災害應急預案。以期達到雷電災害發生前，采取各種應對預防措施，各種預動作有效啟動。雷電災害發生時，采取合適的應急救援措施，使人員、財產損失減少到最小，各設施、設備最短時間內恢復原狀，交通恢復正常狀態(如圖3)。

4　雷電監測與預警應用技術操作流程(圖4)

圖4　

5　結語

(1)高速公路雷電監測與預警系統由雷電監測平臺、大氣電場監測預警系統、雷災應急管理系統三大系統組成，其結構緊密，可實現從信息采集，雷電的發展和移動趨勢判別，發布預警信息，實現雷災應急的組織與實施等形成完整統一體系。(2)引入非工程性雷電防御措施的理念，有效解決僅依靠傳統的工程性防御措施難以做到經濟、有效的防御目的，可實現經濟、社會效益的提升。(3)建成后的杭金衢高速公路雷電監測和預警系統，可實現與氣象、專業防雷機構并網運行。監測與預警不僅可涵蓋金衢高速公路沿線及重點區域，還可擴展其上、下游的廣大地區，有效提升預警的時效和準確率。(4)該應用技術在有效降低高速公路改、擴建中防雷裝置的設計安裝成本，保障交通安全和運營能力的同時，還可派生出涉及運輸安全、營運管理、高速公路雷電災害區劃等關鍵技術的研發與應用。

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