陳春 劉波

摘要：貴州省雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)是在雷電定位系統(tǒng)提供的地閃觀測資料的基礎上，結合雷達回波和衛(wèi)星云圖等觀測資料，基于地理信息系統(tǒng)，采用多參數(shù)、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(jiān)測和預警系統(tǒng)。本文論述了雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)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(jiān)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(qū)最危集中和嚴重。據(jù)曾經(jīng)西南地區(qū)雷電集中區(qū)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(shù)超過60萬次以上。整個貴州省都算是我國西南地區(qū)雷電多發(fā)區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅自2000年以來，貴州省每年要發(fā)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?shù)卦斐傻闹苯訐p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(chǎn)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(jiān)測及預警研究。由于雷電常常伴隨著強對流災害性天氣發(fā)生，所以雷電與強對流天氣的發(fā)生、發(fā)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(jiān)測網(wǎng)于2007年5月建成并投入使用，該系統(tǒng)采用的是中國科學院與應用研究中心提供的閃電監(jiān)測定位系統(tǒng)。雷電監(jiān)測網(wǎng)的構成主要利用信息技術、網(wǎng)絡控制技術、由雷電探測系統(tǒng)、和中心站平臺信息管理系統(tǒng)等一系列的雷電預測預警系統(tǒng)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(jiān)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(wǎng)，實現(xiàn)了對全省雷電信息的實時、不間斷的監(jiān)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(shù)。該監(jiān)測網(wǎng)為雷電預警預報提供有力的探測數(shù)據(jù)。[2]貴州省雷電監(jiān)測預警服務系統(tǒng)由南京信息工程大學與貴州省防雷減災中心聯(lián)合開發(fā)。這套雷電預警系統(tǒng)的最大優(yōu)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(fā)地區(qū)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(fā)區(qū)的安全。

2 雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)功能及設計

雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)具有對雷電活動時空分布和統(tǒng)計特征的分析功能，并結合實時雷電回波、衛(wèi)星云圖等資料進行疊加處理、檢索、轉換成數(shù)據(jù)庫存儲，實現(xiàn)對各種資料分析產(chǎn)品的顯示。該系統(tǒng)選用每小時一次的衛(wèi)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(jiān)測和地面電場資料4種資料。

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

3 系統(tǒng)的主要技術方案

該系統(tǒng)擁有強大的數(shù)據(jù)顯示、處理和分析功能，能夠以多種形式發(fā)布預警產(chǎn)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(tǒng)的主要技術方案。

3.1 實時監(jiān)測模塊

該模塊在Windows XP操作系統(tǒng)下基于ArcGIS軟件的組件工具ArcEngine進行開發(fā)實現(xiàn)。系統(tǒng)中主要涉及基礎地理數(shù)據(jù)以及與地域相關的各種雷電資料數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可以采用空間數(shù)據(jù)庫引擎arcSDE結合單位原有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以GeoDataBase模型進行存儲管理，其它雷電相關數(shù)據(jù)通過預處理，形成可以被ArcGIS系統(tǒng)直接調用處理的數(shù)據(jù)格式，便于地理信息系統(tǒng)接口的存儲管理。整個模塊功能以貴州省基礎地理數(shù)據(jù)為基礎，在完成基礎地理數(shù)據(jù)的顯示、放大、縮小、漫游、數(shù)據(jù)疊加、信息查詢等基本功能的基礎上，實現(xiàn)對雷電數(shù)據(jù)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(tǒng)還提供重點保護區(qū)域的設定功能，本項目可自由進行保護區(qū)域設置（初始保護區(qū)設定為貴陽市區(qū)），在設定的保護區(qū)域中進行加強監(jiān)測，當該區(qū)域的雷電數(shù)據(jù)顯示達到預警值，系統(tǒng)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(tǒng)升級以及功能提升。為了能夠基于GIS平臺進行各種雷電數(shù)據(jù)的可視化實現(xiàn)相關分析，本系統(tǒng)對于雷監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時的數(shù)據(jù)轉換，轉換為GIS平臺所認可的柵格以及矢量數(shù)據(jù)；然后最這些數(shù)據(jù)采取統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)與雷電的密切關系，實現(xiàn)雷達的實時監(jiān)測。雷達實時監(jiān)控的優(yōu)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(xiàn)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(fā)主要可能性。雷達資料的關鍵參數(shù)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(chǎn)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(fā)生必須依靠雷暴，因此雷電預警系統(tǒng)應用的關鍵就是及時嚴謹?shù)姆治隼妆?/p>

（2）衛(wèi)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(xù)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(wèi)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(fā)展為雷電預警的發(fā)展最初了突出的貢獻，首先是建立了全國地閃定位站網(wǎng)和局部地區(qū)總閃定位系統(tǒng)，隨著地閃定位的不斷增加，為地閃定位網(wǎng)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(jiān)控和識別基礎。按照雷電預警系統(tǒng)的關鍵算法區(qū)域識別、區(qū)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(tǒng)的發(fā)展有著重要的促進意義。我國的雷電預警系統(tǒng)的定位主要參考了由美國NCAR開發(fā)的TITAN系統(tǒng)，它還有另外叫法為Hungarian 算法或者Holt，或者雙參數(shù)線性指數(shù)平滑方法，總之最大優(yōu)勢就是對雷電重發(fā)區(qū)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(qū)域的雷電預警，以此為基礎，利用組網(wǎng)觀測獲得多個局部區(qū)域的預警結果，[4]通過組合得到較大范圍內不同地區(qū)發(fā)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(jiān)測預警服務系統(tǒng)對于提高貴州地區(qū)雷電監(jiān)測和預警有著重要的意義，對于當?shù)靥岣呃纂娮匀粸暮Φ念A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(fā)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(fā)展來看，我們不難發(fā)現(xiàn)雷電的時空分布都存在一定的規(guī)律性，只要找到雷電分布的時空規(guī)律，做好雷電自然災害的監(jiān)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(tǒng)應用到實際中，貴州省放雷計劃中把發(fā)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(jiān)測預警中，短雷電技術的監(jiān)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(fā)區(qū)的貴州省還是將短雷電的監(jiān)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(jiān)測預警研究出更加先進的監(jiān)測和預警技術，為我國的雷電監(jiān)測預警再創(chuàng)輝煌。

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