基于多源觀測技術(shù)的賀州雷電綜合預(yù)警研究

古意瑾

（賀州市氣象局，廣西賀州　542800）

基于多源觀測技術(shù)的賀州雷電綜合預(yù)警研究

古意瑾

（賀州市氣象局，廣西賀州542800）

本文提出了區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)概念，具有明顯的創(chuàng)新性。通過結(jié)合天氣雷達(dá)、閃電定位和探空等資料對測區(qū)大氣電場時空演變特征、電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對單獨及綜合利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行雷電預(yù)警的方法以及預(yù)警效果進(jìn)行分析，有助于對雷暴云的起電放電以及電荷分布情況的了解，有助于從理論上建立云閃、地閃發(fā)生、發(fā)展的具有微物理基礎(chǔ)的模型，更深入了解災(zāi)害性天氣過程發(fā)生發(fā)展的機(jī)理以及規(guī)律，發(fā)揮雷電監(jiān)測信息在災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報中的作用，對于防災(zāi)減災(zāi)、國家公共安全具有重要意義。

雷電預(yù)警雷達(dá)閃電定位大氣電場

1　前言

雷電是一種伴有聲、光、電等多物理現(xiàn)象的自然災(zāi)害。研究有效的預(yù)報方法并建立可靠的雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對減少雷電災(zāi)害帶來的損失有著重要的意義。由于雷暴生命周期短、范圍小，而業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報模式時空擴(kuò)展性小以及水平和垂直分辨率較低，所以雷暴預(yù)警預(yù)報是天氣預(yù)報中較困難的工作之一，也是氣象部門所面臨的難點和挑戰(zhàn)。由于強(qiáng)對流天氣的發(fā)生、發(fā)展具有突發(fā)性和局地性，因此雷電預(yù)警更多地借助于實時監(jiān)測手段。因此綜合各種探測手段的應(yīng)用，如結(jié)合多參數(shù)雷達(dá)、閃電探測等高分辨率探測儀器，是雷電預(yù)警今后的發(fā)展方向。

對國內(nèi)部分地區(qū)雖然已經(jīng)安裝了多普勒天氣雷達(dá)、閃電定位儀、地面大氣電場儀等探測設(shè)備，但這些實時觀測資料的特征特別是大氣電場雷暴特征以及這些數(shù)據(jù)在雷電臨近預(yù)警方面的應(yīng)用研究工作還欠缺，如何有效地利用這些探測資料進(jìn)行這些研究是迫切需要開展的。目前天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)為雷電預(yù)警最常用的數(shù)據(jù)，其相關(guān)的文獻(xiàn)較多；大氣電場、閃電定位資料的利用大多數(shù)為對不同天氣過程以及其時空特征分析，但是利用這些資料進(jìn)行雷電預(yù)警的研究較少，綜合利用多種數(shù)據(jù)和充分發(fā)揮各種資料相互補(bǔ)充的優(yōu)勢進(jìn)行雷電預(yù)警，為今后的雷電預(yù)警的發(fā)展趨勢。因此如何更加有效地利用雷達(dá)等遙感和雷電探測等資料，發(fā)揮雷電監(jiān)測信息在災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報中的作用，對于防災(zāi)減災(zāi)、國家公共安全具有重要意義。

2　雷電綜合預(yù)警的理論基礎(chǔ)

雷暴短時的空間和時間預(yù)警，在現(xiàn)今是尤為重要的，做到準(zhǔn)確預(yù)警就需要利用氣象學(xué)、大氣物理學(xué)以及空間技術(shù)等。

許多研究已對閃電的特征、現(xiàn)象及其影響進(jìn)行評價，并分析出各種閃電性質(zhì)，如雷電先導(dǎo)及其模式、雷電電磁場傳播、雷電感應(yīng)電壓和雷電流特性，對應(yīng)開發(fā)出檢測和定位技術(shù)。

然而，大多數(shù)雷電的特性仿真模型有自己的局限缺點，建立的這些模型只適用于特定的領(lǐng)域而太有限。一個重要的建模方面是關(guān)于使用各種傳感技術(shù)的雷擊監(jiān)測和定位，各方法適于在特定條件下，在一定的應(yīng)用程序來實現(xiàn)測量系統(tǒng)的結(jié)合。

分析天氣雷達(dá)、閃電定位儀和大氣電場儀各自的優(yōu)劣勢，利用多站大氣電場儀組成網(wǎng)絡(luò)，對整個區(qū)域內(nèi)的雷暴和其發(fā)展過程進(jìn)行的綜合監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上對雷暴云結(jié)構(gòu)和位置進(jìn)行反演，研究雷暴從發(fā)生到消亡的整體過程，并分析雷暴過站時的電場變化特點，為構(gòu)建區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)和實際指導(dǎo)報告。

2.1雷暴云多普勒天氣雷達(dá)觀測

雷達(dá)回波可以直觀的反映雷暴過站時的路徑及過程，雷達(dá)操作者可依靠反射率因子產(chǎn)品確定回波的強(qiáng)度，確定風(fēng)暴的強(qiáng)弱和結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)降雨（雪）帶，還可根據(jù)反射率因子隨時間的變化確定降水回波的移動以及未來的趨勢等。平均徑向速度表示整個360°方位掃描徑向速度數(shù)據(jù)，徑向速度即物體運動速度平行與雷達(dá)徑向的分量。徑向速度有許多直接的應(yīng)用，可以導(dǎo)出大氣結(jié)構(gòu)，風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，可以幫助產(chǎn)生、調(diào)整和更新高空分析圖等。

從圖1四副雷達(dá)回波圖中，可以看出大氣反射越強(qiáng)烈顏色會越深，圖（a）天空云量極少，雷達(dá)反射基本沒有。圖（b）天空云量增多，大面積范圍沒有強(qiáng)對流雷暴，只在局部地區(qū)有單體雷暴蜂巢A初步形成。反射強(qiáng)度在45-50dBz。圖（c）兩個初步形成的單體蜂巢A、B合并，雷達(dá)回波圖中發(fā)射形成的深紅色明顯擴(kuò)大，反射強(qiáng)度到達(dá)50-55dBz，預(yù)示已有強(qiáng)對流雷暴正在發(fā)生。圖（d）中，在一個小范圍內(nèi)形成了兩個強(qiáng)雷暴蜂巢A和B發(fā)生區(qū)域，且反射率均在55dBz，稱為雙單體雷暴。

多普勒雷達(dá)反射回波可以實時監(jiān)控大氣的活動狀況，但又區(qū)域范圍廣、局地預(yù)報不精確的缺點。

2.2閃電定位儀對雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計

閃電定位系統(tǒng)傳感器的數(shù)量可以是三個以上，這實際上取決于雷擊源的尺寸和強(qiáng)度，以及檢測結(jié)果的期望精度。傳感器設(shè)置的位置也取決于源位置。監(jiān)測的精度在很大程度上取決于該源是否是在該覆蓋區(qū)域的中心或在其周邊。三天線結(jié)構(gòu)將給出的信號源（基于三角原理）的方位角和仰角。這些角度是至關(guān)重要的，因為在雷電源坐標(biāo)的測定計算上直接使用，短基線天線配置時測定先導(dǎo)之間的距離和先導(dǎo)的位置，所涉及的方位角和仰角，計算中產(chǎn)生的錯誤可直接影響方位角和仰角的準(zhǔn)確性。

閃電定位儀可為雷暴發(fā)生次數(shù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，在天氣雷達(dá)和閃電定位資料的輔助下，對不同強(qiáng)度雷暴過站時的電場變化情況進(jìn)行分析。已有的研究表明，雷暴過程屬于復(fù)雜的非線性混沌系統(tǒng)，導(dǎo)致所測電場具有很強(qiáng)的非線性振蕩特性。因而本研究引入經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法，以IMF分量能量變化的角度，研究雷暴過站時電場的變化特征，為雷電預(yù)警提供一種新方法。

閃電信號是由閃電定位傳感器探測，建模使用三個寬帶天線定位方法，基于成熟的模型，探測并建立出閃電的幾何參數(shù)模型，包括閃電位置，強(qiáng)度，閃電路徑形狀，先導(dǎo)距離，并對該模型的準(zhǔn)確性影響進(jìn)行評估。

圖2中是一次賀州市的閃電強(qiáng)度與密度分布圖，雷暴符號顏色沖藍(lán)、黃、紅逐級遞增，表示雷電流強(qiáng)度。一個雷暴日的落雷次數(shù)、強(qiáng)度與密度均可以使用閃電定位系統(tǒng)進(jìn)行記錄。從日常的閃電數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，大部分的閃電放電中，一小部分能量約100C傳導(dǎo)至大地表面形成先導(dǎo)，隨后再發(fā)生閃擊和回閃。在大部分負(fù)向閃擊如地-云閃擊中，放電峰值一般達(dá)到30kA，并且持續(xù)0.1ms以上。在正向閃擊如云-地閃擊中，放電峰值大多也為30kA，但伴有10m s左右，幅值1kA的后續(xù)雷擊。

2.3雷暴云過站大氣電場數(shù)據(jù)與多站資料組網(wǎng)

大氣電場儀根據(jù)導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理，能夠長時間連續(xù)地測量大氣電場的強(qiáng)度和極性，完整記錄雷暴從形成到消亡的整個過程，而大氣電場資料質(zhì)量往往受到安裝環(huán)境、安裝位置、觀測時間、觀測方法等非氣象因素的影響而大打折扣。只有對大氣電場資料的質(zhì)量控制，確保資料的可靠性進(jìn)行研究，才能保證將該資料更好地應(yīng)用于各種天氣分析之中，為雷暴以及災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警提供條件，具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實意義。由于單站電場儀的探測范圍有限，所以地面電場儀的組網(wǎng)觀測能夠?qū)妆┰瓢l(fā)生、發(fā)展整個過程進(jìn)行觀測，可以擴(kuò)大預(yù)報范圍以及提前閃電預(yù)警時間。然而由于大氣電場儀測量受環(huán)境的影響較大，本課題的研究內(nèi)容在于統(tǒng)一這些站點數(shù)據(jù)以及進(jìn)行電場聯(lián)網(wǎng)觀測，進(jìn)而分析電場聯(lián)網(wǎng)后電場特征。

經(jīng)研究統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，雷暴發(fā)生時的大氣電場的變化一般達(dá)到50%以上，并且劇烈波動，如圖3所示。通過大量的檢測數(shù)據(jù)，可以將大氣電場儀的預(yù)警閾值設(shè)定為10kV/m、20kV/m，兩個雷暴強(qiáng)度。單站地面電場儀的預(yù)警指向性非常明確，一般為電場儀上空2km直徑范圍，從而在一定程度上實現(xiàn)對雷電的預(yù)警。但單站電場無法從全局或者整體對雷暴電荷特征進(jìn)行觀測，也無法了解雷暴的移動方向和發(fā)生位置。如果能將電場進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，則可以增強(qiáng)大氣電場儀的功能和擴(kuò)大電場的監(jiān)測范圍，提高雷電的預(yù)警能力。

3　雷電綜合預(yù)警三要素融合技術(shù)

對于每一種方法，該類傳感器站的數(shù)目是關(guān)鍵，因為它直接影響所產(chǎn)生預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性，精度可通過進(jìn)一步增加站點傳感器的數(shù)量，統(tǒng)計結(jié)果消除偏差。一般預(yù)警區(qū)域要有幾個單站圍繞。

基于賀州市大氣電場、閃電定位以及雷達(dá)三種數(shù)據(jù)融合預(yù)警方法，對移過測區(qū)的典型雷暴過程進(jìn)行區(qū)域性雷電臨近預(yù)報，區(qū)域雷電預(yù)警可以直觀呈現(xiàn)雷暴云和閃電發(fā)生發(fā)展特征，對發(fā)生閃電潛在區(qū)域也能直觀判斷。同時區(qū)域預(yù)警可以增強(qiáng)大氣電場儀的功能和擴(kuò)大電場儀的監(jiān)測范圍，不但能實現(xiàn)對一個地區(qū)進(jìn)行預(yù)警，而且能對雷暴云的整個過程進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，具有單站電場所沒有的優(yōu)勢。研究結(jié)合之前四個實驗的特性，對區(qū)域雷電分布、變化等特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，應(yīng)用多種探測資料融合技術(shù)，自動進(jìn)行閃電資料的處理和定時定位，同時利用一定的算法判斷大氣電場分布，最終以圖形界面和圖表等方式顯示閃電發(fā)生的時間、方位、強(qiáng)度等信息，并預(yù)警預(yù)報雷電區(qū)域。

改進(jìn)多源信息技術(shù)，將小波分析、支持向量機(jī)、主成份分析等算法應(yīng)用到大氣電場、閃電定位儀、雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)中，資料同化。提出雷暴云運動的趨勢，建立其預(yù)警模型。

各站地面電場儀與閃電定位儀的安裝環(huán)境不同，如高度、周圍建筑等因素會影響探測的精度，而天氣雷達(dá)在強(qiáng)對流天氣下經(jīng)過雷雨云后受到很強(qiáng)的衰減，否則難以識別雷暴云位置。如果對數(shù)據(jù)質(zhì)量不加控制，多源資料的融合效果將大打折扣，因而本課題的研究重點是結(jié)合各種設(shè)備的特點，對多源資料進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而采用數(shù)據(jù)融合的方法將多源資料結(jié)合起來，組建區(qū)域綜合觀測網(wǎng)。

4　結(jié)語

通過本文的研究，可以統(tǒng)計出賀州地區(qū)內(nèi)的地面電場等值線、云團(tuán)電荷分布，可直觀地看出監(jiān)測區(qū)域電場強(qiáng)度的分布及雷暴的移動路徑。相信經(jīng)過長時間電場數(shù)據(jù)的收集和對數(shù)據(jù)的更系統(tǒng)分析，能得到該地區(qū)雷暴特征和規(guī)律，為提高賀州市的雷電監(jiān)測能力和雷暴天氣分析預(yù)報中的應(yīng)用積累更多基礎(chǔ)資料。同時，電場聯(lián)網(wǎng)因其優(yōu)越性，對于綜合了解賀州市雷暴云發(fā)展過程、電荷分布等許多方面打下了基礎(chǔ)。同時，課題研究的成果可做成一套軟件系統(tǒng)，推廣到其他雷暴高發(fā)地區(qū)，為將來的研究提供資金基礎(chǔ)。

建立有效的預(yù)警機(jī)制后，可將算法編寫軟件，推廣應(yīng)用，減小雷

············擊災(zāi)害。軟件系統(tǒng)的編寫和數(shù)據(jù)庫的建立將進(jìn)一步促進(jìn)軟件行業(yè)的發(fā)展。同時，完善雷電探測數(shù)據(jù)系統(tǒng)。為雷電的深入研究和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。

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古意瑾（1981—），男，漢族，廣西賀州人，2010年獲清華大學(xué)電機(jī)系工程碩士學(xué)位，從事雷電監(jiān)測預(yù)警、避雷器設(shè)計與測試工作。