基于城市綜合觀測的雷電戒備服務系統設計與實現

羅欣 蔡然 莊紅波 蘇琳智 郭宏博 楊悅新

（作者單位：深圳市氣象服務中心）

圍繞以用戶為中心的服務理念，從過程前、過程中、過程后三個時間節點介紹了深圳市雷電戒備服務系統的功能架構。系統的設計突出以提供定點雷電戒備的個性化服務為核心理念，實現基于雷電風險的戒備警示服務，服務受眾多、應用廣，提升了氣象服務水平與效益，取得良好的服務效果。

深圳作為中國雷暴高發地區之一，近年來受全球極端天氣與氣候背景影響，雷電次數和強度均呈現出歷史高值，雷電災害的危害程度和造成的經濟損失及社會影響也越來越大。近年來，國內外也在加強對雷電監測預警方面的研究。例如，香港天文臺開發了“機場雷電預警系統”，系統利用實時閃電定位信息和天氣雷達數據，自動為香港國際機場員工發出閃電預警；中國氣象科學研究院開發了雷電臨近預警系統軟件，能夠綜合利用各類觀測資料，自動生成雷電活動潛勢預報結果和雷電臨近預警結果。我國雷電預警預報技術和方法的研發剛剛起步，然而目前仍缺少面向用戶的定點個性化服務系統。

隨著應急決策指揮和安全生產的要求越來越高，對雷電預警與災害評估工作也提出了更高的要求，建立一個基于定點雷電戒備、具有個性化服務功能的雷電戒備服務系統，為雷電防御重點用戶提供精準、及時、有效的定點雷電監測與預警服務顯得尤為必要。深圳市氣象服務中心于2016年建立了深圳市雷電戒備服務系統，目前已有效運行2年，為深圳市雷電災害防御工作提供了重要的技術支撐。

1 系統介紹

1.1 系統基本情況

雷電戒備服務系統是面向氣象災害防御重點用戶開發的專業服務系統。系統在雷電天氣多維特征分析、典型天氣物理特征研究的基礎上，總結目前我國短時雷電監測、預警、預報技術和應用，開展面向戒備主體（立足于用戶）的雷電臨近預警方法和防護策略，開發點對點的雷電戒備系統，將成果直接轉化成減災應用。系統根據短時預警技術為用戶提供全方位、個性化的定點雷電戒備服務，為雷電防御重點用戶、旅游景點、大型戶外活動場所等提供更專業、全面、便捷的氣象監測與預警信息。同時在移動終端配置了微信公眾號，實現多渠道的雷電預警戒備信息接收及實時跟蹤化預警戒備服務。

系統設計并實現了針對雷電防御重點用戶的雷電定點預報及戒備服務與雷電災害風險區劃動態評估等功能。系統在雷電預警信息發布方面，突破了傳統的大區域預警方式，結合重點用戶自身的個性化需求，實現了雷電定點預警戒備服務；同時還根據雷災歷史數據、實時天氣資料，為用戶動態發布雷電災害風險區劃提示，進一步提升雷電預警戒備服務質量與防災效果。

1.2 系統技術實施路線

1）體系結構選型

基于系統特征和使用需求，系統采用基于GIS組件的二次開發模式，地理信息系統平臺采用ArcGIS Server 9.3，項目數據庫平臺采用Oracle10G以上，WEB系統平臺采用ASP.NET或HTML5技術。

2）開發語言及實施路線

在保障系統穩定性和高效性的基礎上，依據項目模塊功能特征，系統開發語言總體采用C/C++、JAVA、C#等開發語言。網絡架構采用B/S和C/S混合體系結構，C/S結構程序（后臺程序）運行于服務端，以多線程并發的方式執行，用于數據的解析計算以及各類產品的生成、入庫等。客戶端作為B/S結構程序（前臺程序），為用戶的操作平臺，用于信息的綜合展示以及人機交互操作等。

2 系統功能

圍繞以用戶為中心的定位，系統開發建設了三大功能模塊，包括：雷暴預警預報服務模塊、雷暴監測戒備服務模塊、雷電數據智能分析模塊。三個模塊分別從過程前、過程中、過程后三個時間節點提供雷電監測與預警服務，從用戶角度出發，提供更具有針對性和專業化水平的防災減災專業專項服務。過程前，雷暴預警預報服務模塊提供定點雷擊概率預報產品和雷電災害影響評估，為用戶的應急防御預留準備時間，并為防雷減災規劃提供科學依據。過程中，雷暴監測戒備服務模塊為用戶提供多氣象要素疊加顯示，同時根據當前雷暴的預報及實況給予聲光警示并推送雷電戒備信息，結合手機移動端提供跟蹤化服務，讓用戶能夠全方面、多渠道、更便捷地掌握雷電等氣象信息，有利于用戶更及時地開展各項應急工作。過程后，利用系統的雷電信息查詢分析、雷電數據統計分析等手段，用戶能直觀了解本次過程或歷史過程的雷暴信息，評估雷電活動發生的歷史趨勢及未來趨勢，為下一步防災減災工作提供指引。系統的功能架構如圖1所示。

圖1 深圳市雷電戒備服務系統架構圖

2.1 雷暴預警預報服務模塊

1）基于雷電預測模型的定點雷擊概率預報

隨著社會和生產的發展，雷電防御重點單位對安全生產的需求日益提高，面向公眾發布的全市雷電預警甚至分區雷電預警已經不能滿足安全生產單位的需要，因此系統提供定點雷擊概率預報產品，留有一定的提前量和防御準備時間，有利于用戶做好預防措施及應急準備，最終實現防災減災的目標。

首先建立雷電預測模型如下：式中，k為誤差修正值，f1，f2，…，fn為各個預報因子對應的權重系數，x1，x2，…，xn為各個預報因子。同時結合深圳市各區域實際情況，對深圳歷史雷暴天氣過程個例進行綜合分析，最終確定誤差修正值、預報因子，以及各個預報因子對應的權重系數，形成雷電預測模型。其次通過將多普勒雷達基數據進行網格化處理、雷電短時臨近預報外推計算及訂正，同時依靠雷電預測模型綜合分析雷達回波強度（Q）、回波高度（H）和垂直積分液態含水量（VIL）與雷電發生可能性和強度之間的相關性，并結合閃電監測定位系統監測出的實況修正，構建定點雷電短時臨近預報系統，外推出戒備點未來1～3 h雷電出現的概率和雷電強度。

根據用戶個性化指定的戒備點區域（如戒備點5 km范圍內），利用定點雷電短時臨近預報系統的外推結果，點對點為用戶提供未來1～3 h定點雷電發生概率與強度逐6 min預報，效果如圖2所示。

圖2 定點雷電發生概率與強度逐6 min預報

2）雷電災害影響評估

根據深圳近10年來的地閃資料、雷電災害資料以及45年的雷暴日資料，以深圳的自然環境、人文環境、氣候環境為背景，分析雷電災害分布特征，提取多個雷災易損性評價指標， 用主成分分析方法對深圳市的雷災易損性評價指標進行綜合評估，通過聚類分析法建立深圳的雷災易損度區域劃分圖（圖3）。用戶可通過動態設置閃電密度、人員密度、危化場所、雷災等級等數據權重進行風險區劃產品制作。用戶結合單位信息，可對比分析自身風險等級在深圳市的水平，為區域防雷減災規劃提供科學依據，進一步提高雷電災害防御能力。

同時，基于雷暴天氣閃電實況數據資料、雷達外推資料、預警信號生效資料，結合深圳市雷電災害風險區劃的結果，對定點區域的雷電風險進行實時的動態評估（圖4），為用戶提供實時更新的雷擊風險值，對防災單位的防雷安全工作具有指導意義。

圖3 基于聚類分析法所得深圳雷電災害風險區劃

圖4 定點區域的雷電風險動態評估

2.2 雷暴監測戒備服務模塊

1）雷電產品綜合顯示及查詢

研究表明，雷暴中的閃電放電能夠產生強靜電場以及電磁輻射場，可見雷電活動與電場等氣象要素的變化密切相關。系統基于GIS及可視化技術，可在電子地圖上疊加顯示：雨量圖、閃電、風暴中心、雷達圖，實時顯示大氣電場（圖5）、溫度、風向、風速、閃電定位數據等產品。用戶可以個性化設置疊加的氣象要素，通過多氣象要素綜合顯示實現用戶對當前氣象實況了解需求，為防災安全工作提供多要素實況支撐。

圖5 大氣電場產品綜合顯示

2）基于觀測的雷電自動預警智能化

利用定點雷電短時臨近預報系統外推出戒備點未來1～3 h雷電出現的概率，并結合雷暴過程的實時動向，當實況和預報出現超過該用戶設定的閾值標準時，系統自動給予聲光警示，向用戶推送雷電戒備信息（圖6），并自動連接應急預案：當發布雷電預警信號時，用戶應根據自身應急預案做好相應防雷措施；如逢正上方雷擊或周邊幾千米范圍內發生閃電時，要立即停止作業并禁止人員在空曠處停留，必要時關掉控制電源，防止雷擊損壞設備。

圖6 基于觀測的雷電戒備短信推送

3）基于手機定位的雷點戒備

隨著移動互聯網的發展，人們現在可以使用智能手機通過互聯網隨時隨地地獲取最新的氣象資訊。為提高系統的便捷性，在PC端的基礎上，系統還在“深圳天氣”微信公眾號上提供雷電定點預警服務。重點用戶可根據手機定位實時獲取自己所在位置當前雷暴戒備信息，包括雷擊概率、預警級別及說明、避險預案、雷達資料、氣象要素等產品（圖7），信息獲取更加便捷化。

圖7 雷電戒備服務微信公眾號界面

2.3 雷電業務基礎數據統計分析功能

1）雷電信息個性化查詢分析

系統支持各種查詢方式，提供圖元屬性查詢（點、矩形、半徑、多邊形和區域查詢）、條件查詢（如雷電強度值或雷電發生的時間）、行政區域查詢等查詢方式，提升用戶對雷電信息的查詢與瀏覽體驗。

2）基于歷史過程的雷電數據統計分析

系統針對已經監測到的單次或多次、單時段或多時段的雷暴發生情況，可以進行獨立歷史過程的分析或多歷史過程的比較。用戶通過分析報告可了解到地閃次數統計、密度分布、參數分布等信息（圖8），通過與歷史過程的比對分析，進一步評估本次雷電活動的影響，通過歷史趨勢分析未來雷電活動的發生趨勢，為減災決策提供參考。

圖8 歷史雷電過程分布分析

3 小結

雷電監測和雷暴預警服務作為氣象服務中的新產品，具有廣泛的推廣和應用價值。系統以定點雷電戒備個性化服務為核心，服務受眾多、應用廣，有效提高了氣象服務質量，提升了氣象服務水平，取得良好的服務效果。系統服務范圍已完全覆蓋深圳市505家氣象災害防御重點單位，還涵蓋了建筑施工、港口、旅游、供水供電、石化燃氣、海事船舶、涉氨、粉塵、易燃易爆等危化行業的2000余家單位。系統提出的“預警-戒備”的思路，通過面向用戶的定點個性化服務，有效地彌補了單一預警信號指導防災減災工作的短板，得到了用戶的好評，為城市雷電災害防御工作思路提供了有效的參考，同時還在“雷、雨、大風”的綜合氣象災害防御工作的推廣與應用方面積累了寶貴的經驗，為今后該領域的工作研究提供了重要的借鑒意義。

在系統應用過程中，發現部分用戶需求未在系統功能中充分考慮，如雷電持續時間對于用戶的應急響應調度有重要參考意義，其與用戶的防災應急工作息息相關，然而系統未充分考慮雷電持續時間對用戶的影響，為進一步滿足用戶的實際需求，因此計劃下一步結合降水、雷達等氣象資料，優化預警算法，提供雷暴過程持續時間預報，同時針對氣象災害防御重點單位以及城市安全重點行業單位的風險敏感點與個性化需求，繼續深化雷電、臺風、暴雨內澇等其他城市災害的預警與戒備服務。

深入閱讀

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