海南地區(qū)新型雷電預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警效率的評估與分析

張長秀，牟善軍，劉全楨，畢曉蕾，劉寶全，高 劍，劉 璇，姜 輝，劉 娟

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

0 引言

石化企業(yè)規(guī)模大，自動化程度高，且我國石化企業(yè)多分布在沿海沿江等閃電活動頻發(fā)地帶，易發(fā)生雷擊事故，造成巨大損失，雷電災(zāi)害嚴(yán)重危害著石化企業(yè)的安全生產(chǎn)[1]。雷電的提前預(yù)警在一定程度上可以為石化行業(yè)重點作業(yè)和防護(hù)區(qū)域提供安全指導(dǎo)。

為滿足石化行業(yè)小區(qū)域、精細(xì)化雷電監(jiān)測預(yù)警的需求，研制了新型雷電預(yù)警系統(tǒng)及信息服務(wù)平臺，全國已安裝了220多套，部分區(qū)域進(jìn)行組網(wǎng)觀測，初步組成了重點區(qū)域雷電預(yù)警網(wǎng)，為行業(yè)生產(chǎn)提供了良好的雷電預(yù)警服務(wù)[2-3]。

預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性是及其重要的，對預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)報效果進(jìn)行客觀的檢驗和評估，是一個必要的環(huán)節(jié)和流程[4]，根據(jù)評估結(jié)果，可以優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。

關(guān)于雷電預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警效率的評估，國內(nèi)外學(xué)者們已經(jīng)開展了大量相關(guān)研究工作，如Aranguren等[5]的研究表明西班牙東北部地區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警有效率約為38%；Murphy等[6]使用美國國家閃電定位網(wǎng)提供的閃電數(shù)據(jù)對佛羅里達(dá)地區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)的評估結(jié)果表明預(yù)警有效率約為34%；Ferro等[7]使用巴西閃電定位數(shù)據(jù)對巴西南部地區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警效率的評估結(jié)果表明其有效預(yù)警率約為60%。在國內(nèi)，馬穎等[4]和羅林艷等[8]基于氣象部門的閃電定位資料對氣科院開發(fā)的雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)和湖南地區(qū)的雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警效率分別進(jìn)行了評估。已有研究表明不同地區(qū)、不同系統(tǒng)的雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警效率存在較大差異。

海南島地處熱帶/亞熱帶地區(qū)，雷暴活動頻繁，是我國典型的雷擊高發(fā)區(qū)，是雷電觀測、預(yù)警等數(shù)據(jù)采集最合適的地點之一[9]。海南島已組建了新型雷電預(yù)警網(wǎng)，預(yù)警范圍可覆蓋整個海南島，本文隨機選取了海南島安裝的8個新型雷電預(yù)警站點，對這8個站點的運行情況與預(yù)警效率進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

1 數(shù)據(jù)介紹及評估方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文所使用的閃電定位資料是由全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)ADTD探測到的，該系統(tǒng)可以對閃電發(fā)生時間、位置、極性、強度等參數(shù)進(jìn)行測量，ADTD單站的探測效率是80%～90%，定位精度小于500 m，主要用于探測云地閃[10-11]。本文所使用的雷電預(yù)警數(shù)據(jù)是由新型雷電預(yù)警系統(tǒng)所探測到的。閃電定位數(shù)據(jù)為雷電預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警效率評估提供了良好的數(shù)據(jù)支持。使用2017年5-8月的閃電定位數(shù)據(jù)對海南地區(qū)8個新型雷電預(yù)警站點的預(yù)警結(jié)果進(jìn)行評估分析。

1.2 評估方法

標(biāo)準(zhǔn)IEC-62793[12]中對雷電預(yù)警評估中經(jīng)常使用的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)定義：有效覆蓋范圍(CA)：指一個預(yù)警設(shè)備能有效并準(zhǔn)確探測進(jìn)行預(yù)警的范圍；有效預(yù)警(EA)：指在預(yù)警持續(xù)時間內(nèi)有效覆蓋范圍內(nèi)有閃電事件發(fā)生；錯誤預(yù)警(FA)：指系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警目標(biāo)，但有效覆蓋范圍內(nèi)并未發(fā)生閃電事件；失敗預(yù)警(FTW)：指有效覆蓋范圍內(nèi)發(fā)生了閃電事件，但并未發(fā)出預(yù)警；提前期(LT)：指預(yù)警開始時間與有效覆蓋范圍內(nèi)首次閃電事件發(fā)生的時間間隔。

一個特定雷電預(yù)警系統(tǒng)主要檢驗指標(biāo)有以下幾個[8]：

有效警報(EA)、錯誤警報(FA)及報警失敗(FTW)的計算列聯(lián)表如表1所示。

表1 預(yù)警與觀測列聯(lián)表

使用閃電數(shù)據(jù)與預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析時，首先確定有效覆蓋范圍，考慮到新型雷電預(yù)警系統(tǒng)的探測距離，每個站點的有效覆蓋范圍定義為以每一個站點為中心，半徑為10 km的區(qū)域。

2 分析及結(jié)果

2.1 各站點的預(yù)警情況

對海南地區(qū)8個預(yù)警站點預(yù)警效率的統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示，可以看出，各預(yù)警站點的有效預(yù)警率、錯誤預(yù)警率和預(yù)警閃電比例之間存在一定差異，具體情況如下：

在8個站點的有效預(yù)警率(POD)中，海南綠玉站的最高，約為91%，海南屯昌站的最低，為72%，8個站點的整體平均有效預(yù)警率(MPOD)約為85%。平均有效預(yù)警率明顯高于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的預(yù)警結(jié)果：如Beasley的統(tǒng)計結(jié)果中有效預(yù)警率為66%[13]，F(xiàn)erro對巴西南部地區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警有效率的評估結(jié)果為60%[7]，Aranguren等[5]和Murphy等[6]的統(tǒng)計結(jié)果中有效預(yù)警率分別為37.5%和34.4%。

有效預(yù)警率的高低代表了預(yù)警系統(tǒng)發(fā)報的有效預(yù)警記錄數(shù)的比例，單憑有效預(yù)警率無法判斷預(yù)警系統(tǒng)對閃電事件的預(yù)報情況，為了探究新型雷電預(yù)警系統(tǒng)對閃電事件的預(yù)警情況，本文對各站點的預(yù)警閃電比例(PFR)進(jìn)行了統(tǒng)計。由圖1可知，在8個站點的預(yù)警閃電比例(PFR)中，海南綠玉站的最高，為97.5%，東方順達(dá)站的最低，為80%，8個站點整體平均預(yù)警閃電比例(MPFR)為95%，說明各站點的有效覆蓋范圍內(nèi)95%的閃電發(fā)生時，新型雷電預(yù)警系統(tǒng)發(fā)報了有效預(yù)警。Naccarato等[14]在其研究中指出，在其預(yù)警系統(tǒng)有效覆蓋范圍內(nèi)82.4%的放電活動發(fā)生于有效預(yù)警過程中。

基于以上分析可知，與國內(nèi)外多個預(yù)警系統(tǒng)相比，新型雷電預(yù)警系統(tǒng)的有效預(yù)警率及預(yù)警閃電比例均明顯高于其它系統(tǒng)。

在8個站點的錯誤預(yù)警率(FAR)中，藥王谷北站的最高，為88%，海南屯昌站的最低，為56%，平均錯誤預(yù)警率(MFAR)約為73%。平均錯誤預(yù)警率與Murphy等統(tǒng)計的錯誤預(yù)警率74.1%接近[6]，低于Aranguren等的統(tǒng)計結(jié)果87.0%[5]，但明顯高于Ferro的統(tǒng)計結(jié)果41%[7]。通過對比可知，海南地區(qū)新型雷電預(yù)警系統(tǒng)的錯誤預(yù)警率偏高，錯誤預(yù)警率偏高的原因還需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析來驗證。

圖1 海南地區(qū)新型雷電預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警效率評估參數(shù)分布

2.2 各站點的預(yù)警提前期

8個站點預(yù)警提前期(LT)的分布情況，如圖2所示，圖中展示了各個站點預(yù)警提前期的平均值(MeaLT)和中值(MedLT)，及整體預(yù)警提前期的平均值(MMeaLT)和中值(MMedLT)。各個站點中，藥王谷北站預(yù)警提前期的平均值和中值最大，分別為23.5 min和19.8 min，海南美華站的最小，分別為10.3 min和6.1 min。可以發(fā)現(xiàn)，海南地區(qū)這8個預(yù)警站點的預(yù)警提前期存在較明顯的差異，因此還需要進(jìn)一步調(diào)整產(chǎn)品參數(shù)，使各預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警提前期更穩(wěn)定。8個站點的整體預(yù)警提前期的平均值和中值分別為13.9 min和9.6 min，與Beasley等[13]與Ferro等[7]的研究結(jié)果較為接近，詳見表2。表2對比分析了本文的統(tǒng)計結(jié)果及已有研究的統(tǒng)計結(jié)果。

圖2 海南地區(qū)預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警提前期的分布

研究人員站點個數(shù)POD,%FAR,%LT/minBeasley(2008)3066.09.0～12.0Freeo et al.(2008)158.041.013.0Murphy et al.(2008)134.474.115.0Aranguren et al.(2008)137.587.06.5當(dāng)前研究885.573.213.9

3 結(jié)論

采用2017年5-8月的全國雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)ADTD探測到的閃電定位數(shù)據(jù)對海南地區(qū)8個新型雷電預(yù)警站點的預(yù)警效率進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出了海南地區(qū)部分雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警效率及存在的問題，具體如下：

a)海南地區(qū)新型雷電預(yù)警系統(tǒng)的平均有效預(yù)警率(MPOD)約為85%，高于大部分雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警有效率；新型雷電預(yù)警系統(tǒng)對閃電事件的預(yù)警率平均可達(dá)到95%，表明該系統(tǒng)可以對發(fā)生在站點有效覆蓋范圍內(nèi)95%的閃電提供有效預(yù)警。

b)海南地區(qū)新型雷電預(yù)警系統(tǒng)的平均錯誤預(yù)警率(MFAR)約為73%，與各類預(yù)警系統(tǒng)相比，錯誤預(yù)警率偏高。錯誤預(yù)警率偏高的原因還需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析來驗證。

c)海南地區(qū)新型雷電預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警提前期的平均值和中值分別為13.9 min和9.6 min。

基于以上分析可得，海南地區(qū)已安裝的雷電預(yù)警系統(tǒng)基本均處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，預(yù)警有效率及對閃電事件的預(yù)警能力與各類預(yù)警系統(tǒng)相比具有一定優(yōu)勢，但目前仍存在錯誤預(yù)警率偏高，預(yù)警提前期不穩(wěn)地的問題。因此新型雷電預(yù)警系統(tǒng)的探測效率和預(yù)警效率仍有進(jìn)一步的提升空間。下一步的工作重點是開展錯誤預(yù)警率偏高的原因分析，對雷電預(yù)警系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)一步提高預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警效率。