雷電預警矩陣圖分析法的探討

郭軍成 麴 春 程 援 高鈺濤

（貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000）

0 引言

目前，雷電預警可以實時提供高質量和有價值的雷暴事件信息，這對協調和采取主動防雷措施提供了極大幫助。根據所采用的雷電環境探測的主要設備不同，雷電預警技術包括閃電定位技術和靜電場變化探測技術。閃電定位系統主要是對已經發生的閃電進行定位，并測量閃電參數，體現為已知和確定性，靜電場變化探測技術主要是通過探測覆蓋區域地面靜電場來實現對應區域的有效預警，體現為預見和不確定性[1]。

大氣電場儀通過探測雷暴生命周期中的4個階段“初始階段、成長階段、成熟階段和耗散階段”進行短時臨近預警。雷電預警系統建設之初通常會設定幾組通用技術參數，但在特定的區域內受周圍環境影響，所設定的覆蓋區域、雷電預警系統算法和預警閾值可能會不適用，影響雷電預警的有效性。

該文以安順市雷電預警系統為研究對象，利用矩陣圖分析法研究安順和紫云雷電監測站的雷電預警資料，判斷安順和紫云站點設備的運行情況是否異常、所設定的探測半徑是否有效、設定的雷電預警閾值是否合理。

1 雷電預警中幾個重要指標的概念

雷電預警：表明目標或區域可能受雷暴和隨著的閃電相關事件影響的信息。

覆蓋區域：給定探測設備具有足夠的檢測效率和準確度能夠監測到的范圍，單站大氣電場儀的典型值為20 km。

周邊區域：覆蓋區域外且接近覆蓋區域的地方。

有效時間：目標區域內從發布雷電預警至第一次發生閃電的時間。短時臨近預警中的典型值為5 min～30 min。

有效預警：在目標區域和有效時間內發布的雷電預警。

異常預警：在常態區域和漏警區域發布了雷電預警。

漏警：在目標區域發生了閃電但未發布雷電預警。

漏警率：關于漏警事件與相關區域發生總閃電事件的比率。

誤警：相應區域內發布了預警但未發生閃電。

誤警率：誤警次數與總預警次數的比率。

閾值：雷電預警系統發布雷電預警的起始值，一般采用擊穿空氣的大氣電場值3 000 V/m。

預警級別：當未發生預警記為“1”，表示為無雷電預警，分別用2、3和4對應黃色、橙色和紅色預警。

常態：無雷電天氣過程，探測設備值趨于穩定，一般為50 V/m。

2 安順市雷電預警系統

安順市雷電預警系統始建于2014年，全市共建設了30部大氣電場儀作為雷電監測站和終端雷電預警平臺。其原理就是通過實時監測近地面大氣靜電場強度值的變化來判斷雷云的臨近與遠離[2]，通過不同的預警等級來判斷雷電發生的不同概率，設置合理的閾值以及實測電場的連續滾動平均值的變化來判斷雷云是否靠近或遠離，是否會在本地出現雷電，讀取CMiss系統閃電定位資料，判斷大氣電場儀周圍30km內的閃電數據以及密度，來判斷外圍雷電情況，當雷電預警系統讀取到多次閃電發生時，該探頭無條件發布雷電預警。

考慮到安順地形條件，廠家設定大氣電場儀單站覆蓋區域半徑為10 km，當無雷暴天氣過程時，每個站點每分鐘向終端平臺回傳一次實時大氣靜電場信息，當有雷暴天氣過程時各站點每2 s向終端平臺回傳一次實時大氣靜電場信息。終端預警平臺經過綜合分析后進行分級預警，包括黃色、橙色和紅色三級雷電預警，三級雷電預警的閾值分別是2 000 V/m、4 000 V/m和6 000 V/m，提前時間為5 min～30 min 。

通過安順市雷電預警平臺可以獲取每個探頭周圍10km范圍內近地面的實時靜電場信息、任意半徑內的閃電定位資料和不同級別的雷電預警產品。

3 雷電預警矩陣圖分析法的建立與功能

矩陣圖分析法[3]主要用于商業中界定客戶性質的一種粗略分析方法，該文借鑒該方法，利用閃電強度、電場強度和雷電預警級別建立雷電預警矩陣分析圖，通過該方法可以粗略判斷雷電監測設備的運行情況和雷電預警系統的相關技術指標是否合理。

3.1 雷電預警矩陣圖分析法的建立

該文以安順市雷電預警系統中紫云單站和安順單站實時探測的大氣靜電場數據和覆蓋區域10 km范圍內的閃電強度數據為研究對象，使用實際發生的閃電強度值、大氣電場儀探測的靜電場強和雷電預警級別建立雷電預警矩陣分析圖。該文不討論閃電和電場的極性問題，因此所有選取的值均進行取絕對值，雷電預警矩陣圖包括有效預警、誤警、常規和漏警4個區域。

關于分界線，閃電強度軸以“0”為分界線，為了便于觀察，“0”分界線左邊的區域均記為零，當未發生閃電時，閃電強度值位于“0”區域；大氣電場強度軸以雷電預警系統閾值為分界線，預警閾值需要根據雷電預警系統的實際情況而定，該文采用安順市雷電預警系統黃色雷電預警閾值2000 v/m[4]。

關于閃電強度和大氣電場強度值的選取，為了便于討論每個區域的情況，分別對紫云站點和安順站點選擇兩組數據，每組10個數值，見表1和見表2。表1的數據是以閃電發生的時間為基準，選取大氣電場儀站點為中心10 km范圍實際發生的閃電數據，隨機選取每次雷暴天氣過程中目標區域內第一次閃電數據，此時電場數據選取閃電前有效時間30 min內的最大值，雷電預警級別選擇有效時間內發布的最高級別，該組數據主要用于體現系統的漏警情況。表2的數據以雷電預警發布的時間為基準，選取各站當天第一次發布雷電預警的電場值，此時選取發布預警后有效時間30 min內發生的第一次閃電，當無閃電發生時記為“0”值，該組數據主要用于反映系統的誤警情況。利用2組數據分別建立安順站點雷電預警矩陣圖和紫云站點雷電預警矩陣圖，如圖1和圖2所示。

表1 以閃電發生時間為基準的數據

表2 以雷電預警發布時間為基準的數據

3.2 雷電預警矩陣分析圖中各區域的現象

3.2.1 有效預警區域

當閃電強度—電場強度值位于該區域時，表明所使用的探測設備功能正常，能夠準確探測覆蓋區域內的電場數據，由于采用的是實際發生的閃電數據和對應的電場數據以及實際發生的雷電預警電場數據和對應的閃電數據，所以雷電預警系統精準的情況下，所有樣本數據都應該在該區域。

3.2.2 誤警區域

該區域的閃電強度—電場強度值表現為3個方面：1）系統發布了預警，覆蓋區域無閃電，但周邊區域有閃電發生，這可判斷為選用的探測半徑小于設備的實際探測半徑，需要考慮設置更大的探測半徑。2）系統發布預警，覆蓋區域和周邊區域均無閃電發生，這是由于雷電預警系統設置的預警閾值過小，需要設置更大的閾值。3）發布預警無閃電，且預警持續不解除，這是由于大氣電場儀的零點電位漂移[5]。

3.2.3 常態區域

因取值原因，雷電預警系統及探頭正常情況下，該區域無值，更不可能發生雷電預警，如果有則是由于雷電預警系統中設置了“當周探頭邊區域有多次閃電發生時，該探頭無條件發布雷電預警”引起，可視為應該預警規則引起的異常現象。

3.2.4 漏警區域

該區域的點可判斷出2個結論：1）覆蓋區域有閃電，系統無預警，可判斷為雷電預警系統設置的閾值過大。2）覆蓋區域有閃電，且因預警規則產生異常預警，可判斷為使用的探測半徑大于設備的實際探測半徑，需要設置較小的探測半徑。

3.3 現象論證分析和應用

圖1為安順站點雷電預警矩陣圖，根據所選用的樣本和雷電預警矩陣圖分析法，圖中有效預警區域分布了55%的樣本值，無異常現象；有25%的樣本子分部在誤警區域，通過查閱系統其他資料，這些樣本值時間段內周邊區域確實有雷暴天氣過程，可確定安順站點設定的探測半徑小于實際探測半徑；常態區域無異常現象；漏警區域分布了25%的樣本值，同時這些點無異常預警，可判定安順站點設置的預警閾值較大。圖2為紫云站點雷電預警矩陣圖，紫云站點樣本值中電場強度普遍極小，在有效預警區域和誤警區域無值，不能正常預警，為異常現象；在常態區域分布了10%的樣本值，但出現了異常預警；在漏警區域有45%的異常預警，分布了45%的漏警樣本值，可判斷紫云站點設備不能正常探測近地面的大氣靜電場。

圖1 安順站點雷電預警矩陣圖

通過對安順站點和紫云站點使用雷電預警矩陣圖分析法可以得出如下結論：1）安順站點實際探測半徑比現在使用探測半徑較大，應設置更大的探測半徑。2）安順站點設置的預警閾值過大，應減小預警閾值。3）紫云站點設備無法正常探測近地面的大氣靜電場。4）系統設置“當周探頭邊區域有多次閃電發生時，該探頭無條件發布雷電預警”的規則可以用于研究設備的實際探測半徑，但會產生異常預警且無法提升有效預警率。

現場實況是安順站點位于辦公樓頂，周圍較空曠，結論符合實際情況，而紫云站點設備各元件運行正常，但設備位于地面，且周圍灌木叢森，整個探頭處于遮擋狀態，須進行設備維護和更換安裝地點。

通過以上分析表明，在雷電預警系統調試階段，雷電預警矩陣分析圖能夠快速確定設備所設定的技術參數是否適用。當樣本值全部處于有效預警區域時，雷電預警系統采用的各項技術指標最為精確；當樣本值大多在誤警區域時，所適用的探測半徑或預警閾值過小，結合其他資料進行修正；當樣本值多數位于漏警區域時，需要設定更大的探測半徑和預警閾值。同時在設備運行維護階段，雷電預警矩陣分析圖也能發揮較好的作用。當樣本值位于常態區域時，雷電監測設備異常，可考慮設備自身功能或所處環境的變化，為設備維護提供指導性建議。

4 結論

該文利用安順市雷電預警系統中安順站點和紫云站點樣本數據建立雷電預警矩陣圖，通過雷電預警矩陣圖分析了安順站點設置的探測半徑較小和預警閾值較大，而紫云站點受周圍環境影響不能正常探測地面靜電場，同時探討了“當周探頭邊區域有多次閃電發生時，該探頭無條件發布雷電預警”規則的利弊情況。雷電預警矩陣圖分析法可用于雷電預警系統的自學模型，用于判斷探測站點設備的運行情況和研究雷電預警系統設定的技術參數的有效性。