探討雷電監測預警系統及應用

摘 要：云南省位于高海拔地區，因特殊的地理和氣候條件，屬于雷暴多發地區，受全球氣候變化的影響，近幾年省內雷電危害的發生次數不斷增多，由此造成的經濟損失和傷亡人數明顯增加，因此，如何科學設計和應用雷電監測預警系統，進一步提升雷電災害的預警能力是當地氣象災害防控工作亟須解決的問題。以云南省為例，介紹了當地已有雷電監測預警軟件基本情況，概述了軟件的應用情況及存在需求，并基于用戶需求角度探討雷電監測預警系統的改進方向。

關鍵詞：雷電；監測預警系統；結構設計；功能應用

中圖分類號：P429 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）02–0-03

近幾年全球氣候的極端變化，加劇了雷電災害的風險程度和危害程度。為更好地保護人民的生命財產安全，雷暴高發地區應進一步提高雷電災害的監測和預警能力，切實做好雷電災害的預防工作。隨著科學技術的快速發展，雷電監測預警系統的設計應用已成為防范雷電災害的新措施，其設計應用水平也成為影響雷電災害預防預警的主要因素。由此可見，探討雷電監測預警系統的應用情況和改進方向是十分必要的，其對雷暴多發地區雷電災害監測預警水平的提高具有積極的實踐意義。

1 雷電監測預警系統介紹

當前，普洱雷電監測預警服務產品主要依靠云南省雷電監測預警系統，該雷電監測網及智能網格預報產品，基于閃電監測、多普勒天氣雷達、探空、地面觀測等數據資料，建立了雷電風險預警閾值指標，可通過電腦Web端和短信發布等渠道，使用戶及時接收到雷電監測預警服務信息，以便用戶提前采取防雷減災措施，減少雷電造成的損失。云南省雷電監測預警系統功能如下：

（1）雷電實時監測功能。該功能可實現服務對象周圍10～50 km范圍內閃電實時監測產品的推送。用戶點擊軟件界面中的“閃電”圖標，便可獲取閃電詳情信息，包含閃電發生位置、閃電類型、極性、強度及該閃電回擊點到服務對象中心點的距離等，以便用戶提前采取雷電防范措施。

（2）雷電預警預報功能?？商峁?2 h雷電潛勢預報（每3 h更新1次預報信息），可對服務對象周圍10～50 km范圍內進行持續性的雷電臨近預警，當發現雷電臨近情況后，系統界面會呈紅色圓塊高亮閃爍顯示。

（3）天氣實況與預報。該功能可提供服務對象所在區域1 km×1 km的智能網格逐小時氣溫、濕度、風向風速等要素預報和未來3 d的天氣預報。

（4）信息反饋功能?；谠摴δ?，監測技術人員可在雷電監測預警系統出現運行故障時，通過軟件界面中的“信息反饋”按鈕，進行故障上報和在線咨詢，以便更好地保證系統的運行穩定性。與此同時，用戶端可通過軟件界面中的“一鍵雷電災情上傳”按鈕，直接完成災情上報，以此增強雷電監測預警的準確性和及時性。

2 基于云南省閃電定位系統監測下的普洱閃電情況概述

云南省閃電定位系統監測顯示，2007—2020年，雷擊次數為943 430次，其中，正地閃52 449次，負地閃890 981次，最大地閃強度為200 kA。地閃最多年份為2013年，發生地閃102 180次，其中，負地閃98 142次；地閃最少年份為2020年，發生地閃39 897次，其中，負地閃36 430次（圖1）。

基于對監測期間各年地閃情況的分析：全年地閃最多月份為8月，年平均地閃次數為22 185次/年，其中，年平均負地閃次數為21 530次/年。地閃最少月份為12月，年平均地閃次數為114次/年，其中，負地閃次數為79次/年（圖2）。

全年平均負地閃強度最大月份為10月，平均負地閃強度為-41 kA。平均正地閃強度最大月份為2月，平均正地閃強度為60 kA（圖3）?？傮w來說，各月平均正地閃強度高于負地閃強度。

基于對全天地閃監測數據的分析：全天地閃高發時段為13：00～翌日07：00，平均地閃次數為64 772次/年，占全天地閃次數的96%；地閃最少時段為07：00～12：00，平均地閃次數為2 616次/年，占全天地閃次數的4%（圖4）。

全天平均地閃強度最大時段為08：00～13：00，平

均地閃強度為44.2 kA。地閃強度最小時段為14：00

～18：00，平均地閃強度為41.3 kA。全天平均負地閃強度在-33～-39 kA之間，22：00～23：00負地閃強度最大；平均正地閃強度在46～56 kA，08：00～13：00正地閃強度最大（圖5）。

圖5" 地閃強度的日變化3 雷電監測預警系統的存在需求

通過雷電監測歷史數據可以看出，普洱市為雷暴多發區，存在較高的雷電災害發生概率。而山地面積占全市的98.3%，具有群山起伏、森林廣袤的地理環境特征。一旦發生雷電災害，不僅會造成電力設施的破壞，地面人員的傷亡，還容易引發森林山火，造成更為嚴重的危害。同時，存在很多依山而建的村落，一旦出現強對流性暴雨天氣和較大的降雨量，容易發生山體滑坡、山洪、泥石流等地質災害，對山腳村落居民的生命財產安全造成嚴重威脅。而相關研究結論表明，雷電活動與強對流性暴雨之間具有密切的內在聯系，通常當負閃電活動增多、日閃頻數增大時，容易出現雷暴天氣和強對流性暴雨。由此可見，在做好雷電監測預警工作至關重要，是保障全市居民生命財產安全的重要舉措。

而雷電監測預警系統的建成和應用，既能夠對雷電災害進行更直觀、更精確、更及時的監測和預警，大幅度提高雷電災害的監測和預警能力，還能夠為區域雷電監測服務業務體系的優化完善提供資料支撐。由此可見，對于雷電危害發生概率較高的地區，建立和運用雷電監測預警系統是極有必要的，是區域雷電危害防控工作信息化、高質量化發展的迫切需求，具有重要的現實意義。

4 用戶需求視角下雷電監測預警系統應用的改進方向

4.1 明確并細化系統建設標準

為進一步增強雷電監測預警系統監測過程的科學性、監測數據的精準性及預警信息的權威性，需要與時俱進，以現行規范標準和實際功能需求為導向，明確并細化系統建設標準。具體改進措施包括如下。

4.1.1 明確標準依據

在對已有雷電監測預警系統進行優化設計和功能升級時，應保證系統的開發過程和參數設計符合《氣象災害預警信號圖標》《雷電防護 雷暴預警系統》《基于雷電定位系統的雷電臨近預警技術規范》《雷電預警系統技術規程》《爆炸和火災危險場所雷電監測預警技術要求》《雷電臨近預警技術指南》等規范標準[1]。

4.1.2 優化技術指標

為保證系統功能的實用效果，在進行優化改進時，應確保設計指標滿足以下要求：大氣電場探測半徑≥10 km、閃電定位探測半徑≥50 km、雷達回波信息≥100 km；閃電定位信息延時≤60 s、大氣電場信息延時≤10 s、雷達回波信息延時≤10 min；現場安裝的大氣電場儀，其探測精度誤差應在±5%以內且防護等級不低于IP65；系統雷電探測模塊的使用壽命應≥3年；雷電預警提前時間對應≥30min；雷電預警的虛警率應≤30%且漏報率≤5%[2-5]。

4.1.3 優化預警分級

為進一步增強雷電預警的精準性，在對現有系統進行優化改進時，可將預警信息分為三級標準?！耙患墭藴省北硎痉諏ο笏趨^域1 h內可能會出現雷電活動，其對應的雷電特征為：服務對象附近30～50 km區域監測到閃電回擊點且大氣電場持續增強并出現波動，服務對象周邊多普勒雷達回波強度≥30 dBz并表現出雷暴中心向服務對象方向移動的趨勢。收到雷電一級預警信息后，服務對象應做好雷電預防相關的準備和檢查工作并推遲尚未開始的雷電敏感作業，但無需暫?；蚪K止正在執行的重要作業。

“二級標準”表示服務對象所在區域30 min內有較大概率出現較活躍的雷電活動[6]。其對應的雷電特征為：服務對象附近10～30 km區域監測到閃電回擊點且大氣電場持續增強并出現波動，服務對象上空多普勒雷達回波強度≥30 dBz并表現出雷暴中心向服務對象持續接近。收到雷電二級預警信息后，服務對象需要做出暫停、終止、疏散或戒備類雷電防御動作，可基于對雷電密度、雷電抵近速度、預估持續時間等信息的分析，在確保安全的情況下，減少非必要的停工。

“三級標準”表示服務對象或邊界區域已經發生雷擊現象。其對應的雷電特征為：服務對象10 km范圍內監測到閃電回擊點且大氣電場出現劇烈波動。發出雷電三級預警信息后，相關部門應立即做出應急類、防護類和救援類動作，在最短的時間發現和鎖定落雷點，以便最大限度地減輕雷電災害的危害[7-8]。

4.2 優化系統架構設計

基于對雷電特征和雷電監測預警工作需求的綜合考慮，其雷電監測預警系統總體架構宜采用B/S模式，以Web GIS框架體系為基礎進行整體框架的規劃設計，通過各種自定義組件在服務器端的信息交互實現系統的各項功能。在系統架構方面可圍繞數據層、服務層、應用層3個層級進行設計。

數據層的核心任務是大氣電場數據、閃電定位數據、雷災數據、多普勒天氣雷達數據、GIS地理信息數據等與雷電監測預警有關的各類數據信息的采集、處理和儲存。同時，依托CIMISS接口、Oracle數據庫接口等形式實現與其他層級的數據信息交互[9]。

服務層主要負責系統業務層面的數據分析和功能實現。即提取數據層采集整理的數據信息，依托大數據分析技術對提取數據進行集成化處理和深度分析，并完成關鍵監測數據輸出、圖表繪制等工作，以此得到科學準確的雷電監測預警信息并以預警產品形式儲存于Oracle數據庫。

應用層是用戶與系統進行信息交互的載體。一方面，系統會基于Web GIS技術，通過格點圖、雷達圖的形式對雷電監測信息進行整合，并以可視化、動態化的形式將整合后的信息呈現在相應的功能界面上；另一方面，用戶可在相應功能模塊中進行雷電監測數據查詢及定向分析、監測信息輸出、預警信息生成及發布等操作。

4.3 豐富系統功能

隨著物聯網技術、智能化技術的快速發展和普及運用，在對雷電監測預警系統進行優化改進時，應從人性化設計的角度出發，加強物聯網技術、移動通信技術、智能化技術的融合運用，豐富系統在人機交互、移動端操控等方面的功能，從而進一步增強雷電監測預警系統的實用性和便捷性。例如，可開發“小程序”“微網頁”功能，使用戶能夠通過智能手機更便捷地獲取雷電信息和防災服務；在系統中融入人工智能技術，提高系統的建模分析能力、數據處理能力及人機交互能力，從而進一步增強系統操作的便利性和監控預警信息的科學性[12]。

參考文獻

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