黃建勛，黃 昀，曾 璐

福建省上杭縣氣象局，福建上杭 364200

雷電是發(fā)生于大氣中的一種瞬時高電壓、大電流、強電磁輻射的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。雷電常伴有閃電和雷鳴，其引發(fā)的災(zāi)害為聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴重的自然災(zāi)害之一,被中國電工委員會稱為“電子時代的一大公害”。隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雷電災(zāi)害通過直接雷擊、間接雷擊和雷電波入侵的形式產(chǎn)生危害，容易造成火災(zāi)、爆炸、人員傷亡和設(shè)備故障或被損壞等。

上杭縣所處地理位置特殊、地形地貌復(fù)雜，屬雷電活動高發(fā)區(qū)，紫金山金銅礦位于舊縣鎮(zhèn)，其擁有國際先進的技術(shù)，其黃金產(chǎn)量大，采選規(guī)模大，被中國黃金協(xié)會授予“中國第一大金礦”榮譽稱號。因目前電氣設(shè)備較多，為了避免雷電活動帶來的隱患，除了做好專業(yè)防雷安全措施，還要對可能出現(xiàn)的雷電活動提前做好預(yù)警服務(wù)，并根據(jù)預(yù)警采取有效的防護措施。

為了確保企業(yè)安全生產(chǎn)調(diào)度，實現(xiàn)短時臨近雷電預(yù)警服務(wù)顯得非常重要。通過分析閃電定位資料、雷達資料和大氣電場資料對短時臨近雷電活動的預(yù)報方法，對多元資料進行融合應(yīng)用，實現(xiàn)上杭縣舊縣鎮(zhèn)紫金山區(qū)域雷電活動的短時臨近預(yù)警服務(wù)，根據(jù)預(yù)警信息采取相應(yīng)的安全防護措施，確保企業(yè)的安全生產(chǎn)。

1 雷電臨近預(yù)報

雷暴日是指該天（前一日20:00至當日20:00為日界）發(fā)生雷暴的日子，對該天發(fā)生雷暴的次數(shù)及持續(xù)時間不做統(tǒng)計；據(jù)1991—2020年氣象資料統(tǒng)計，上杭縣年平均的雷暴日數(shù)為71 d，做好雷電預(yù)警服務(wù)可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益。通過研究閃電定位儀、雙偏振天氣雷達和大氣電場儀等設(shè)備采集的實況資料，并綜合利用在相關(guān)資料進行非線性外推，判斷出雷電發(fā)生落區(qū)、時間和強度的預(yù)報[1]。

1.1 基于閃電定位資料的預(yù)測預(yù)警

閃電定位儀是一種探測閃電發(fā)生強度、方向、頻率及其變化的儀器。雷電放電過程必然會產(chǎn)生電磁輻射脈沖，云閃產(chǎn)生的脈沖主要集中在甚高頻頻段，地閃產(chǎn)生的脈沖主要集中在甚低頻頻段。閃電定位儀通過實時接收閃電過程產(chǎn)生的電磁脈沖參數(shù)，可以全天候、長期、連續(xù)穩(wěn)定運行，結(jié)合GPS技術(shù)，可以記錄閃電發(fā)生的時間、位置、強度和極性等。通過對閃電特征進行分析，對中小尺度對流天氣發(fā)生可以起到一定的提示作用?；陂W電定位資料的臨近雷電活動預(yù)報預(yù)警目前較多的是采用IDBSCAN閃電聚類分析法，該方法依據(jù)閃電定位儀中的實時采集數(shù)據(jù)，搜索閃電密度大于閾值范圍的地閃點，建立密度可達最大值的地閃聚類簇，并找到該簇類中的核心地閃點[2]。同時，在聚類分析結(jié)果基礎(chǔ)上，對核心地閃點的移動方向進行擬合，實現(xiàn)對下一時刻核心地閃點的預(yù)報。

1.2 基于雙偏振天氣雷達資料的預(yù)報預(yù)警服務(wù)

雙偏振天氣雷達目前是強對流天氣短臨預(yù)報服務(wù)和監(jiān)測預(yù)警最重要的工具，許多氣象研究學(xué)者基于該資料提出了多種雷電預(yù)警方法，主要是分析雷達回波強度與閃電資料對應(yīng)的回波物理量產(chǎn)品，提取閃電發(fā)生的閾值參數(shù)，利用獲取的實況資料進行綜合分析，提前做好雷電預(yù)報預(yù)警服務(wù)[3]。多年數(shù)據(jù)資料研究表明：針對夏季雷暴，最好的預(yù)警指標是在-10 ℃溫度層高度上，2個連續(xù)的體掃都能達到40 dBz的反射率閾值。運用這種方法的預(yù)報準確率達到84%，虛警率達到7%，提前15 min預(yù)報出現(xiàn)地閃。如圖1所示，判別出雷暴單體后，需要對雷暴單體進行跟蹤和外推預(yù)報，以提高預(yù)報時效性。跟蹤外推預(yù)報有2種方法： SCIT（風(fēng)暴跟蹤算法）和TREC（交叉相關(guān)跟蹤算法）。

圖1 雷達反射率判斷雷暴單體

1.2.1 SCIT（風(fēng)暴跟蹤算法） 根據(jù)雷暴單體的三維結(jié)構(gòu)確立雷暴的中心，通過跟蹤中心得到移向移速，進行1 h的外推預(yù)報。

1.2.2 TREC（交叉相關(guān)跟蹤算法） 利用風(fēng)暴回波的特征對前后時次體掃進行相關(guān)，通過相關(guān)計算比較最相似的回波來判斷移向移速，并進行雷暴區(qū)1 h的外推預(yù)報（圖2～圖5）。

圖2 2022年3月17日 16:09 雷達疊加TRE

圖5 根據(jù)TREC的18:15預(yù)報位置

1.3 基于大氣電場資料的預(yù)報預(yù)警服務(wù)

大氣電場儀能夠測量大氣電場及其變化，它是通過導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理來測量電場的。主要功能為實時測量并記錄地面上的靜電場值與變化率，其作用有3種：（1）測量晴空時，大氣靜電場數(shù)值的多少和極性的連續(xù)變化；（2）測量雷暴所引起的大氣電場數(shù)值和極性的連續(xù)變化；（3）探測到有效范圍內(nèi)平均大氣電場變化，可對局地潛在雷暴和靜電事故發(fā)出警報，但無法確定雷電發(fā)生的具體位置和移動方向。

雷暴天氣云地閃電及云下方地物和植物的尖端放電過程，將不斷增加大氣和大地所帶的電荷數(shù)量，導(dǎo)致大氣電場強度不斷增強，利用大氣電場資料進行雷電預(yù)警就是基于該原理方法[4]。利用大氣電場儀進行雷電預(yù)報的方法主要有2種：（1）利用多個大氣電場儀探測到的地面大氣電場數(shù)值，估算雷暴云內(nèi)電荷分布情況，預(yù)算出雷雨云中強電荷中心的強度、極性和分布，從而確定雷雨云的空間分布位置，對雷電的發(fā)生進行預(yù)報預(yù)警；（2）在電場資料時間序列分析的基礎(chǔ)上，分析雷暴初生、形成、成熟、衰減及消亡等階段的電場頻域特性，找出諧波振幅隨頻率變化的不同特征，建立雷電發(fā)生的預(yù)報預(yù)警判別標準。

2 多元資料的融合應(yīng)用

閃電定位資料實時性強，但預(yù)報提前時間有限，且資料分布通常比較離散；大氣電場資料實時性較強，但其單站的預(yù)報區(qū)域范圍有限；雷達資料時空分辨率都比較好，但只有在降水粒子形成之后才會有較強的回波。由于單一設(shè)備資料應(yīng)用的局限性和不確定性，因此，需要將多種觀測資料融合進行雷電臨近預(yù)報預(yù)警服務(wù)[5]。

對閃電定位數(shù)據(jù)、雙偏振氣象雷達數(shù)據(jù)和大氣電場數(shù)據(jù)進行綜合分析，并結(jié)合物理量、雷達基本反射率、組合反射率、回波頂高和垂直液態(tài)水含量等閾值建立雷電短時臨近預(yù)報預(yù)警服務(wù)模型。

圖3 16:49的半小時預(yù)報位置

圖4 2022年3月17日 18:15 實況位置

根據(jù)雷暴云團的電場特征，將電場幅值閾值法和電場差分法2種方法相結(jié)合，分析研判電場閾值。大氣電場資料和雷達回波強度資料結(jié)合分析，形成一定范圍內(nèi)首次地閃的臨近預(yù)報方法，即首先判斷反映雷暴云團電荷情況的電場資料能否達到設(shè)定電場幅值閾值和電場差閾值，如果電場滿足了這兩個閾值中的任意一個閾值，然后判斷該時刻前后預(yù)警范圍內(nèi)雷達回波能否達到設(shè)定閾值，達到后即時發(fā)布預(yù)警。利用該方法對典型雷暴過程移動測區(qū)進行區(qū)域性雷電臨近預(yù)報預(yù)警，可以直觀地呈現(xiàn)出雷暴云團和閃電發(fā)展情況，也能更加精準地判斷發(fā)生閃電的潛在區(qū)域，不僅能對一個地區(qū)進行預(yù)警，還能對雷暴云團的整個發(fā)生與發(fā)展過程進行監(jiān)測。利用該預(yù)報方法和模式推演，建立基于大氣電場和雷達資料的雷電臨近預(yù)報方法，結(jié)合雷電短時臨近預(yù)報預(yù)警模型，實現(xiàn)多元資料的融合。

3 做好短時臨近雷電活動預(yù)警服務(wù)

3.1 短時臨近雷電活動預(yù)報預(yù)警方法

通過獲取數(shù)值模型預(yù)報、雙偏振天氣雷達、大氣電場儀、自動氣象站、閃電定位儀等資料，根據(jù)不同閾值信息生成相關(guān)雷電預(yù)報產(chǎn)品[6]。

雷電短時臨近預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)綜合利用閃電定位系統(tǒng)、雙偏振天氣雷達和大氣電場儀等資料的，可以提供在短時間內(nèi)探測到的閃電定位信息和未來30 min可能出現(xiàn)的閃電。其預(yù)報方法流程見圖6。最終的雷電預(yù)報效果見圖7。

圖6 綜合資料運算做好雷電預(yù)警

圖7 雷電預(yù)警效果圖

3.2 紫金山金銅礦短時臨近雷電活動預(yù)警服務(wù)

利用先進的GIS技術(shù)（三維地形圖、影像圖載入氣象地理信息）。在GIS地圖上，疊加顯示雷達數(shù)據(jù)、大氣電場數(shù)據(jù)、閃電定位數(shù)據(jù)，形成紫金山及周邊區(qū)域的10 km×10 km網(wǎng)格，以紫金山為中心，按半徑80、60 km、40、20 km分別繪制4個區(qū)域，對應(yīng)雷電預(yù)警4級、3級、2級、1級區(qū)域，分別表示未來2 h、1 h、30 min、15 min可能在紫金山區(qū)域內(nèi)發(fā)生的雷電活動。根據(jù)短時臨近雷電活動預(yù)報方法，做出相應(yīng)的雷電活動預(yù)報，并及時發(fā)布預(yù)警。具體流程如圖8。

圖8 雷電預(yù)警服務(wù)流程圖

4 預(yù)警結(jié)果檢驗

根據(jù)雷電發(fā)生，從命中率（POD）、誤警率（FAR）和成功指數(shù)（CSI）3個方面反映預(yù)警結(jié)果。詳細檢驗評分如下：將閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測到的雷電實況信息轉(zhuǎn)換為與預(yù)報相同的格式模型，即把實況劃分為 10 km×10 km的網(wǎng)格，對網(wǎng)格點內(nèi)實況與預(yù)報進行比較評定。評定范圍為覆蓋上杭縣的矩形區(qū)域。

其中，NA、NB、NC定義見表1 。

表1 質(zhì)量評定分類表

5 結(jié)論

（1）閃電資料、雷達資料、大氣電場資料能很好地反映雷電活動情況，并能根據(jù)相關(guān)算法對雷電活動情況進行外推預(yù)報預(yù)警。

（2）通過閃電資料、雷達資料、大氣電場資料及其他氣象資料和地理信息的融合，能有效預(yù)報出紫金山的短時臨近雷電活動。一年多的運行結(jié)果顯示，紫金山雷電短時臨近1級預(yù)警的成功指數(shù)(CSI)達95%以上。為紫金山金銅礦的生產(chǎn)安全、實現(xiàn)生產(chǎn)效益最大化提供了強有力的支撐，為其經(jīng)濟發(fā)展提供有力保障。

（3）該技術(shù)方法較為成熟，可以推廣應(yīng)用于其他需要進行雷電臨近預(yù)警的行業(yè)。