贵州省雷电监测预警系统的开发与应用

贵州省雷电监测预警系统的开发与应用

作者：陈春刘波

来源：《科技风》2018年第25期

摘要：贵州省雷电监测预警系统是在雷电定位系统提供的地闪观测资料的基础上，结合雷达回波和卫星云图等观测资料，基于地理信息系统，采用多参数、多算法集成方法研究雷电预警预报技术，最终建立的一套雷电监测和预警系统。本文论述了雷电监测预警系统的操作模块、主要功能及设计原理、思想和方法。

关键词：雷电监测；雷电预警；雷电灾害；集成显示

1 绪论

雷电灾害作为全球十大重要性自然灾害之一，严重威胁着人类的安全。我国由于地大物博，雷电灾害分布广泛，主要以西南地区最危集中和严重。据曾经西南地区雷电集中区贵州省气象、防雷部门的一份气象报告显示，每年贵州省的平均雷暴日要多达45到80天，年雷击次数超过60万次以上。整个贵州省都算是我国西南地区雷电多发区。据不完全统计，仅自2000年以来，贵州省每年要发生将近一千次比较严重的雷电灾害，因此造成的人員伤亡高达70%，每年给当地造成的直接损失更是高达亿元以上。由此可以看出，雷电自然灾害对于我们生产生活的影响和造成的损失是多么严重。近年来，国内外都在加强对雷电机理和灾害的监测及预警研究。由于雷电常常伴随着强对流灾害性天气发生，所以雷电与强对流天气的发生、发展过程密切相关，所以通常将雷电资料和一些气象资料结合起来，[1]通过研究雷暴云内的电过程与某些气象要素之间的关系，进而对一些灾害性天气进行预警预报。贵州省雷电监测网于2007年5月建成并投入使用，该系统采用的是中国科学院与应用研究中心提供的闪电监测定位系统。雷电监测网的构成主要利用信息技术、网络控制技术、由雷电探测系统、和中心站平台信息管理系统等一系列的雷电预测预警系统组成，其中大量应用到了闪电定位仪和中心主站设备等，对于雷电监测有很好的效果。同时在2013年8月，新建VLF/LF三维闪电定位网，实现了对全省雷电信息的实时、不间断的监测，能够给出每个闪电回击的准确位置、强度、陡度、时间、正负极性等参数。该监测网为雷电预警预报提供有力的探测数据。[2]贵州省雷电监测预警服务系统由南京信息工程大学与贵州省防雷减灾中心联合开发。这套雷电预警系统的最大优势就是能够快速和准确的报告雷电预警，其预警速到快到在1小时之内就可以完成预警。这对于像贵州这种雷电多发地区而言有着很重要的雷电预防价值。贵州省雷电检测预警服务系统中利用的雷电定位资料都是目前最具有科学参考性的价值的资料，对于每一次的雷电预警都能通过这些准确的参考数据做出反应，提供给贵州省最迅速和最准确的雷电预报，有效的降低了雷电带来的灾害，保障了雷电多发区的安全。

2 雷电监测预警系统功能及设计

雷电监测预警系统具有对雷电活动时空分布和统计特征的分析功能，并结合实时雷电回波、卫星云图等资料进行叠加处理、检索、转换成数据库存储，实现对各种资料分析产品的显示。该系统选用每小时一次的卫星资料、约每6min得到的雷达回波资料，以及闪电定位仪和地面电场仪实时得到的闪电监测和地面电场资料4种资料。

雷电监测预警系统具有服务器端和客户端，在局域网内只需安装一个服务器端就可供多台客户端使用。系统主要功能如图1所示。

3 系统的主要技术方案

该系统拥有强大的数据显示、处理和分析功能，能够以多种形式发布预警产品，并具有方便的用户接口设计，易于推广使用。下面主要从各种观测资料的实时显示和综合预警两个模块介绍本系统的主要技术方案。

3.1 实时监测模块

该模块在Windows XP操作系统下基于ArcGIS软件的组件工具ArcEngine进行开发实现。系统中主要涉及基础地理数据以及与地域相关的各种雷电资料数据的各种组织存储、操作处理以及显示分析等。其中基础地理数据可以采用空间数据库引擎arcSDE结合单位原有的数据库系统以GeoDataBase模型进行存储管理，其它雷电相关数据通过预处理，形成可以被ArcGIS系统直接调用处理的数据格式，便于地理信息系统接口的存储管理。整个模块功能以贵州省基础地理数据为基础，在完成基础地理数据的显示、放大、缩小、漫游、数据叠加、信息查询等基本功能的基础上，实现对雷电数据基于空间地域的各种表达显示、分析、预警提示以及人机交互等功能。系统还提供重点保护区域的设定功能，本项目可自由进行保护区域设置（初始保护区设定为贵阳市区），在设定的保护区域中进行加强监测，当该区域的雷电数据显示达到预警值，系统自动采用用户预先设定的方式进行预警提示（可以采用声音、闪烁等方式进行提示等）。在当前功能的基础上预留可扩展接口，便于后期的系统升级以及功能提升。为了能够基于GIS平台进行各种雷电数据的可视化实现相关分析，本系统对于雷监测数据进行实时的数据转换，转换为GIS平台所认可的栅格以及矢量数据；然后最这些数据采取统一的管理、存储，再利用雷丹预测模式进行精确计算，从而实现准确的雷电预警。

3.2 综合预警模块

（1）雷达资料应用模块。雷达资料的应用模块主要利用对流系统与雷电的密切关系，实现雷达的实时监测。雷达实时监控的优点是能够第一时间掌握雷暴结构，分析雷暴的诱导因素。从当前我国的雷达资料应用模块的现状来看，雷达的立体结构是判断雷电的主要标准和判断雷电爆发主要可能性。雷达资料的关键参数有云顶高度（CT）、3公里CAPPI反射率（REF3）、垂直最强反射率（MAX）和垂直云水积分（VIL）等，这些都是分析雷电的主要因素。雷达资料应用模块的基本算法是“交叉相关算法”，这一算法主要利用外推雷达回波的运

动检测雷暴。雷达回波会产生移动矢量，而移动矢量通过雷达回波确定未来的位置和形状，这样就达到了预警的目的。雷电的发生必须依靠雷暴，因此雷电预警系统应用的关键就是及时严谨的分析雷暴。

（2）卫星资料应用模块。利用交叉相关计算云团的移动矢量，并用Cressman客观分析法进行连续订正移动矢量，利用后向轨迹法对未来云团的移动进行预测。卫星资料应用模块的分析是利用相似的二维像素阵列分析t1时刻和t2时刻中在中心间隔距离一定的情况下雨阵列值最匹配的阵列关系。阵列对中t1时刻初始阵列的中心即为云团移动矢量的起点， t2时刻与初始阵列具有最大相关的阵列中心即为云团移动矢量的终点。t1时刻与之对应的所有初始阵列的移动矢量除以时间间隔Δt，就得到了TREC速度矢量场（以下简称TREC矢量场）。假设云团的空间分布在t1到t2时段内近似不变，则TREC矢量场可以作为回波在t1到t2时段内平均运动速度场的估测。

（3）雷电定位资料应用模块。信息技术的发展为雷电预警的发展最初了突出的贡献，首先是建立了全国地闪定位站网和局部地区总闪定位系统，随着地闪定位的不断增加，为地闪定位网站提供了准确的雷电预警定位，使得雷电预警的密度识别，跟踪和外推有了良好的监控和识别基础。按照雷电预警系统的关键算法区域识别、区域识别和跟踪和外推算法（AreaIdentification， Tracking and Extrapolating Algorithm，AITEA）等的應用可以看出，雷电定位资料应用模块对于雷电预警系统的发展有着重要的促进意义。我国的雷电预警系统的定位主要参考了由美国NCAR开发的TITAN系统，它还有另外叫法为Hungarian 算法或者Holt，或者双参数线性指数平滑方法，总之最大优势就是对雷电重发区进行雷电的识别、跟踪和外推。

（4）大气电场资料应用模块。采用单点的电场测量给出局部区域的雷电预警，以此为基础，利用组网观测获得多个局部区域的预警结果，[4]通过组合得到较大范围内不同地区发生雷电的概率，提供预警信息。

4 结论和讨论

综上所述，贵州省建设雷电监测预警服务系统对于提高贵州地区雷电监测和预警有着重要的意义，对于当地提高雷电自然灾害的预防和应急反应有着重要的指导作用。雷电作为一种自然灾害，虽然没有办法人为的控制它的发生，但是可以通过准确的预防，提高雷电灾害的应急预案，将雷电自然灾害的损失减少最小。从研究雷电预警的发展来看，我们不难发现雷电的时空分布都存在一定的规律性，只要找到雷电分布的时空规律，做好雷电自然灾害的监测和预警，就能够有效的降低雷电灾害带来的损失。为了尽快的将雷电预警系统应用到实际中，贵州省放雷计划中把发展放雷技术、拓宽防雷手段、不断完善放雷中心平台看做是雷电预警工作的重点，目前，在努力的完成雷电检测预警技术的推广应用。在雷电监测预警中，短雷电技术的监测和预警一直是气象领域的一个难点，虽然如此，作为雷电多发区的贵州省还是将短雷电的监测预警列为重点研究的工作，并且正在努力的玩啥完善相关的研究资料参考资料，有望在不