貴州省雷電監測預警系統的開發與應用

陳春 劉波

摘要：貴州省雷電監測預警系統是在雷電定位系統提供的地閃觀測資料的基礎上，結合雷達回波和衛星云圖等觀測資料，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，最終建立的一套雷電監測和預警系統。本文論述了雷電監測預警系統的操作模塊、主要功能及設計原理、思想和方法。

關鍵詞：雷電監測；雷電預警；雷電災害；集成顯示

1 緒論

雷電災害作為全球十大重要性自然災害之一，嚴重威脅著人類的安全。我國由于地大物博，雷電災害分布廣泛，主要以西南地區最危集中和嚴重。據曾經西南地區雷電集中區貴州省氣象、防雷部門的一份氣象報告顯示，每年貴州省的平均雷暴日要多達45到80天，年雷擊次數超過60萬次以上。整個貴州省都算是我國西南地區雷電多發區。據不完全統計，僅自2000年以來，貴州省每年要發生將近一千次比較嚴重的雷電災害，因此造成的人員傷亡高達70%，每年給當地造成的直接損失更是高達億元以上。由此可以看出，雷電自然災害對于我們生產生活的影響和造成的損失是多么嚴重。近年來，國內外都在加強對雷電機理和災害的監測及預警研究。由于雷電常常伴隨著強對流災害性天氣發生，所以雷電與強對流天氣的發生、發展過程密切相關，所以通常將雷電資料和一些氣象資料結合起來，[1]通過研究雷暴云內的電過程與某些氣象要素之間的關系，進而對一些災害性天氣進行預警預報。貴州省雷電監測網于2007年5月建成并投入使用，該系統采用的是中國科學院與應用研究中心提供的閃電監測定位系統。雷電監測網的構成主要利用信息技術、網絡控制技術、由雷電探測系統、和中心站平臺信息管理系統等一系列的雷電預測預警系統組成，其中大量應用到了閃電定位儀和中心主站設備等，對于雷電監測有很好的效果。同時在2013年8月，新建VLF/LF三維閃電定位網，實現了對全省雷電信息的實時、不間斷的監測，能夠給出每個閃電回擊的準確位置、強度、陡度、時間、正負極性等參數。該監測網為雷電預警預報提供有力的探測數據。[2]貴州省雷電監測預警服務系統由南京信息工程大學與貴州省防雷減災中心聯合開發。這套雷電預警系統的最大優勢就是能夠快速和準確的報告雷電預警，其預警速到快到在1小時之內就可以完成預警。這對于像貴州這種雷電多發地區而言有著很重要的雷電預防價值。貴州省雷電檢測 預警服務系統中利用的雷電定位資料都是目前最具有科學參考性的價值的資料，對于每一次的雷電預警都能通過這些準確的參考數據做出反應，提供給貴州省最迅速和最準確的雷電預報，有效的降低了雷電帶來的災害，保障了雷電多發區的安全。

2 雷電監測預警系統功能及設計

雷電監測預警系統具有對雷電活動時空分布和統計特征的分析功能，并結合實時雷電回波、衛星云圖等資料進行疊加處理、檢索、轉換成數據庫存儲，實現對各種資料分析產品的顯示。該系統選用每小時一次的衛星資料、約每6min得到的雷達回波資料，以及閃電定位儀和地面電場儀實時得到的閃電監測和地面電場資料4種資料。

雷電監測預警系統具有服務器端和客戶端，在局域網內只需安裝一個服務器端就可供多臺客戶端使用。系統主要功能如圖1所示。

3 系統的主要技術方案

該系統擁有強大的數據顯示、處理和分析功能，能夠以多種形式發布預警產品，并具有方便的用戶接口設計，易于推廣使用。下面主要從各種觀測資料的實時顯示和綜合預警兩個模塊介紹本系統的主要技術方案。

3.1 實時監測模塊

該模塊在Windows XP操作系統下基于ArcGIS軟件的組件工具ArcEngine進行開發實現。系統中主要涉及基礎地理數據以及與地域相關的各種雷電資料數據的各種組織存儲、操作處理以及顯示分析等。其中基礎地理數據可以采用空間數據庫引擎arcSDE結合單位原有的數據庫系統以GeoDataBase模型進行存儲管理，其它雷電相關數據通過預處理，形成可以被ArcGIS系統直接調用處理的數據格式，便于地理信息系統接口的存儲管理。整個模塊功能以貴州省基礎地理數據為基礎，在完成基礎地理數據的顯示、放大、縮小、漫游、數據疊加、信息查詢等基本功能的基礎上，實現對雷電數據基于空間地域的各種表達顯示、分析、預警提示以及人機交互等功能。系統還提供重點保護區域的設定功能，本項目可自由進行保護區域設置（初始保護區設定為貴陽市區），在設定的保護區域中進行加強監測，當該區域的雷電數據顯示達到預警值，系統自動采用用戶預先設定的方式進行預警提示（可以采用聲音、閃爍等方式進行提示等）。在當前功能的基礎上預留可擴展接口，便于后期的系統升級以及功能提升。為了能夠基于GIS平臺進行各種雷電數據的可視化實現相關分析，本系統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；然后最這些數據采取統一的管理、存儲，再利用雷丹預測模式進行精確計算，從而實現準確的雷電預警。

3.2 綜合預警模塊

（1）雷達資料應用模塊。雷達資料的應用模塊主要利用對流系統與雷電的密切關系，實現雷達的實時監測。雷達實時監控的優點是能夠第一時間掌握雷暴結構，分析雷暴的誘導因素。從當前我國的雷達資料應用模塊的現狀來看，雷達的立體結構是判斷雷電的主要標準和判斷雷電爆發主要可能性。雷達資料的關鍵參數有云頂高度（CT）、3公里CAPPI反射率（REF3）、垂直最強反射率（MAX）和垂直云水積分（VIL）等，這些都是分析雷電的主要因素。雷達資料應用模塊的基本算法是 “交叉相關算法”，這一算法主要利用外推雷達回波的運動檢測雷暴。雷達回波會產生移動矢量，而移動矢量通過雷達回波確定未來的位置和形狀，這樣就達到了預警的目的。雷電的發生必須依靠雷暴，因此雷電預警系統應用的關鍵就是及時嚴謹的分析雷暴。

（2）衛星資料應用模塊。利用交叉相關計算云團的移動矢量，并用Cressman客觀分析法進行連續訂正移動矢量，利用后向軌跡法對未來云團的移動進行預測。衛星資料應用模塊的分析是利用相似的二維像素陣列分析t1時刻和t2時刻中在中心間隔距離一定的情況下雨陣列值最匹配的陣列關系。陣列對中t1時刻初始陣列的中心即為云團移動矢量的起點， t2時刻與初始陣列具有最大相關的陣列中心即為云團移動矢量的終點。t1時刻與之對應的所有初始陣列的移動矢量除以時間間隔Δt，就得到了TREC速度矢量場（以下簡稱TREC矢量場）。假設云團的空間分布在t1到t2時段內近似不變，則TREC矢量場可以作為回波在t1到t2時段內平均運動速度場的估測。

（3）雷電定位資料應用模塊。信息技術的發展為雷電預警的發展最初了突出的貢獻，首先是建立了全國地閃定位站網和局部地區總閃定位系統，隨著地閃定位的不斷增加，為地閃定位網站提供了準確的雷電預警定位，使得雷電預警的密度識別，跟蹤和外推有了良好的監控和識別基礎。按照雷電預警系統的關鍵算法區域識別、區域識別和跟蹤和外推算法（AreaIdentification， Tracking and Extrapolating Algorithm，AITEA）等的應用可以看出，雷電定位資料應用模塊對于雷電預警系統的發展有著重要的促進意義。我國的雷電預警系統的定位主要參考了由美國NCAR開發的TITAN系統，它還有另外叫法為Hungarian 算法或者Holt，或者雙參數線性指數平滑方法，總之最大優勢就是對雷電重發區進行雷電的識別、跟蹤和外推。

（4）大氣電場資料應用模塊。采用單點的電場測量給出局部區域的雷電預警，以此為基礎，利用組網觀測獲得多個局部區域的預警結果，[4]通過組合得到較大范圍內不同地區發生雷電的概率，提供預警信息。

4 結論和討論

綜上所述，貴州省建設雷電監測預警服務系統對于提高貴州地區雷電監測和預警有著重要的意義，對于當地提高雷電自然災害的預防和應急反應有著重要的指導作用。雷電作為一種自然災害，雖然沒有辦法人為的控制它的發生，但是可以通過準確的預防，提高雷電災害的應急預案，將雷電自然災害的損失減少最小。從研究雷電預警的發展來看，我們不難發現雷電的時空分布都存在一定的規律性，只要找到雷電分布的時空規律，做好雷電自然災害的監測和預警，就能夠有效的降低雷電災害帶來的損失。為了盡快的將雷電預警系統應用到實際中，貴州省放雷計劃中把發展放雷技術、拓寬防雷手段、不斷完善放雷中心平臺看做是雷電預警工作的重點，目前，在努力的完成雷電檢測預警技術的推廣應用。在雷電監測預警中，短雷電技術的監測和預警一直是氣象領域的一個難點，雖然如此，作為雷電多發區的貴州省還是將短雷電的監測預警列為重點研究的工作，并且正在努力的玩啥完善相關的研究資料參考資料，有望在不就得將來為我國的雷電監測預警研究出更加先進的監測和預警技術，為我國的雷電監測預警再創輝煌。

參考文獻：

[1]王軍，辛延俊，陶世銀.青海省省級雷電預警與公共服務平臺結構設計與應用[J].

青海氣象，2012（1）：8083.

[2]丁旻，張淼，劉波.基于Android移動設備的閃電可視化功能設計與應用[J].氣象科技，2017，45（6）：11251128.

[3]呂偉濤，張義軍，孟青，等.雷電臨近預警方法和系統研發[J].氣象，2009，35（5）：1017.

[4]宋欣，王克奇，李迪飛，等.場磨式電場儀在雷電預警中的研究與應用[J].自動化與儀表，2011，26（2）：811.