探討雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)用

摘 要：云南省位于高海拔地區(qū)，因特殊的地理和氣候條件，屬于雷暴多發(fā)地區(qū)，受全球氣候變化的影響，近幾年省內(nèi)雷電危害的發(fā)生次數(shù)不斷增多，由此造成的經(jīng)濟損失和傷亡人數(shù)明顯增加，因此，如何科學(xué)設(shè)計和應(yīng)用雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)一步提升雷電災(zāi)害的預(yù)警能力是當(dāng)?shù)貧庀鬄?zāi)害防控工作亟須解決的問題。以云南省為例，介紹了當(dāng)?shù)匾延欣纂姳O(jiān)測預(yù)警軟件基本情況，概述了軟件的應(yīng)用情況及存在需求，并基于用戶需求角度探討雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：雷電；監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；功能應(yīng)用

中圖分類號：P429 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）02–0-03

近幾年全球氣候的極端變化，加劇了雷電災(zāi)害的風(fēng)險程度和危害程度。為更好地保護(hù)人民的生命財產(chǎn)安全，雷暴高發(fā)地區(qū)應(yīng)進(jìn)一步提高雷電災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警能力，切實做好雷電災(zāi)害的預(yù)防工作。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用已成為防范雷電災(zāi)害的新措施，其設(shè)計應(yīng)用水平也成為影響雷電災(zāi)害預(yù)防預(yù)警的主要因素。由此可見，探討雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用情況和改進(jìn)方向是十分必要的，其對雷暴多發(fā)地區(qū)雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警水平的提高具有積極的實踐意義。

1 雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)介紹

當(dāng)前，普洱雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)產(chǎn)品主要依靠云南省雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該雷電監(jiān)測網(wǎng)及智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品，基于閃電監(jiān)測、多普勒天氣雷達(dá)、探空、地面觀測等數(shù)據(jù)資料，建立了雷電風(fēng)險預(yù)警閾值指標(biāo)，可通過電腦Web端和短信發(fā)布等渠道，使用戶及時接收到雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)信息，以便用戶提前采取防雷減災(zāi)措施，減少雷電造成的損失。云南省雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能如下：

（1）雷電實時監(jiān)測功能。該功能可實現(xiàn)服務(wù)對象周圍10～50 km范圍內(nèi)閃電實時監(jiān)測產(chǎn)品的推送。用戶點擊軟件界面中的“閃電”圖標(biāo)，便可獲取閃電詳情信息，包含閃電發(fā)生位置、閃電類型、極性、強度及該閃電回?fù)酎c到服務(wù)對象中心點的距離等，以便用戶提前采取雷電防范措施。

（2）雷電預(yù)警預(yù)報功能。可提供12 h雷電潛勢預(yù)報（每3 h更新1次預(yù)報信息），可對服務(wù)對象周圍10～50 km范圍內(nèi)進(jìn)行持續(xù)性的雷電臨近預(yù)警，當(dāng)發(fā)現(xiàn)雷電臨近情況后，系統(tǒng)界面會呈紅色圓塊高亮閃爍顯示。

（3）天氣實況與預(yù)報。該功能可提供服務(wù)對象所在區(qū)域1 km×1 km的智能網(wǎng)格逐小時氣溫、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等要素預(yù)報和未來3 d的天氣預(yù)報。

（4）信息反饋功能。基于該功能，監(jiān)測技術(shù)人員可在雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障時，通過軟件界面中的“信息反饋”按鈕，進(jìn)行故障上報和在線咨詢，以便更好地保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。與此同時，用戶端可通過軟件界面中的“一鍵雷電災(zāi)情上傳”按鈕，直接完成災(zāi)情上報，以此增強雷電監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性和及時性。

2 基于云南省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測下的普洱閃電情況概述

云南省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測顯示，2007—2020年，雷擊次數(shù)為943 430次，其中，正地閃52 449次，負(fù)地閃890 981次，最大地閃強度為200 kA。地閃最多年份為2013年，發(fā)生地閃102 180次，其中，負(fù)地閃98 142次；地閃最少年份為2020年，發(fā)生地閃39 897次，其中，負(fù)地閃36 430次（圖1）。

基于對監(jiān)測期間各年地閃情況的分析：全年地閃最多月份為8月，年平均地閃次數(shù)為22 185次/年，其中，年平均負(fù)地閃次數(shù)為21 530次/年。地閃最少月份為12月，年平均地閃次數(shù)為114次/年，其中，負(fù)地閃次數(shù)為79次/年（圖2）。

全年平均負(fù)地閃強度最大月份為10月，平均負(fù)地閃強度為-41 kA。平均正地閃強度最大月份為2月，平均正地閃強度為60 kA（圖3）。總體來說，各月平均正地閃強度高于負(fù)地閃強度。

基于對全天地閃監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析：全天地閃高發(fā)時段為13：00～翌日07：00，平均地閃次數(shù)為64 772次/年，占全天地閃次數(shù)的96%；地閃最少時段為07：00～12：00，平均地閃次數(shù)為2 616次/年，占全天地閃次數(shù)的4%（圖4）。

全天平均地閃強度最大時段為08：00～13：00，平

均地閃強度為44.2 kA。地閃強度最小時段為14：00

～18：00，平均地閃強度為41.3 kA。全天平均負(fù)地閃強度在-33～-39 kA之間，22：00～23：00負(fù)地閃強度最大；平均正地閃強度在46～56 kA，08：00～13：00正地閃強度最大（圖5）。

圖5" 地閃強度的日變化3 雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的存在需求

通過雷電監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)可以看出，普洱市為雷暴多發(fā)區(qū)，存在較高的雷電災(zāi)害發(fā)生概率。而山地面積占全市的98.3%，具有群山起伏、森林廣袤的地理環(huán)境特征。一旦發(fā)生雷電災(zāi)害，不僅會造成電力設(shè)施的破壞，地面人員的傷亡，還容易引發(fā)森林山火，造成更為嚴(yán)重的危害。同時，存在很多依山而建的村落，一旦出現(xiàn)強對流性暴雨天氣和較大的降雨量，容易發(fā)生山體滑坡、山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對山腳村落居民的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。而相關(guān)研究結(jié)論表明，雷電活動與強對流性暴雨之間具有密切的內(nèi)在聯(lián)系，通常當(dāng)負(fù)閃電活動增多、日閃頻數(shù)增大時，容易出現(xiàn)雷暴天氣和強對流性暴雨。由此可見，在做好雷電監(jiān)測預(yù)警工作至關(guān)重要，是保障全市居民生命財產(chǎn)安全的重要舉措。

而雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建成和應(yīng)用，既能夠?qū)纂姙?zāi)害進(jìn)行更直觀、更精確、更及時的監(jiān)測和預(yù)警，大幅度提高雷電災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警能力，還能夠為區(qū)域雷電監(jiān)測服務(wù)業(yè)務(wù)體系的優(yōu)化完善提供資料支撐。由此可見，對于雷電危害發(fā)生概率較高的地區(qū)，建立和運用雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是極有必要的，是區(qū)域雷電危害防控工作信息化、高質(zhì)量化發(fā)展的迫切需求，具有重要的現(xiàn)實意義。

4 用戶需求視角下雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用的改進(jìn)方向

4.1 明確并細(xì)化系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

為進(jìn)一步增強雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測過程的科學(xué)性、監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性及預(yù)警信息的權(quán)威性，需要與時俱進(jìn)，以現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和實際功能需求為導(dǎo)向，明確并細(xì)化系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。具體改進(jìn)措施包括如下。

4.1.1 明確標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

在對已有雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和功能升級時，應(yīng)保證系統(tǒng)的開發(fā)過程和參數(shù)設(shè)計符合《氣象災(zāi)害預(yù)警信號圖標(biāo)》《雷電防護(hù) 雷暴預(yù)警系統(tǒng)》《基于雷電定位系統(tǒng)的雷電臨近預(yù)警技術(shù)規(guī)范》《雷電預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》《爆炸和火災(zāi)危險場所雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)要求》《雷電臨近預(yù)警技術(shù)指南》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1]。

4.1.2 優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)

為保證系統(tǒng)功能的實用效果，在進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時，應(yīng)確保設(shè)計指標(biāo)滿足以下要求：大氣電場探測半徑≥10 km、閃電定位探測半徑≥50 km、雷達(dá)回波信息≥100 km；閃電定位信息延時≤60 s、大氣電場信息延時≤10 s、雷達(dá)回波信息延時≤10 min；現(xiàn)場安裝的大氣電場儀，其探測精度誤差應(yīng)在±5%以內(nèi)且防護(hù)等級不低于IP65；系統(tǒng)雷電探測模塊的使用壽命應(yīng)≥3年；雷電預(yù)警提前時間對應(yīng)≥30min；雷電預(yù)警的虛警率應(yīng)≤30%且漏報率≤5%[2-5]。

4.1.3 優(yōu)化預(yù)警分級

為進(jìn)一步增強雷電預(yù)警的精準(zhǔn)性，在對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時，可將預(yù)警信息分為三級標(biāo)準(zhǔn)。“一級標(biāo)準(zhǔn)”表示服務(wù)對象所在區(qū)域1 h內(nèi)可能會出現(xiàn)雷電活動，其對應(yīng)的雷電特征為：服務(wù)對象附近30～50 km區(qū)域監(jiān)測到閃電回?fù)酎c且大氣電場持續(xù)增強并出現(xiàn)波動，服務(wù)對象周邊多普勒雷達(dá)回波強度≥30 dBz并表現(xiàn)出雷暴中心向服務(wù)對象方向移動的趨勢。收到雷電一級預(yù)警信息后，服務(wù)對象應(yīng)做好雷電預(yù)防相關(guān)的準(zhǔn)備和檢查工作并推遲尚未開始的雷電敏感作業(yè)，但無需暫停或終止正在執(zhí)行的重要作業(yè)。

“二級標(biāo)準(zhǔn)”表示服務(wù)對象所在區(qū)域30 min內(nèi)有較大概率出現(xiàn)較活躍的雷電活動[6]。其對應(yīng)的雷電特征為：服務(wù)對象附近10～30 km區(qū)域監(jiān)測到閃電回?fù)酎c且大氣電場持續(xù)增強并出現(xiàn)波動，服務(wù)對象上空多普勒雷達(dá)回波強度≥30 dBz并表現(xiàn)出雷暴中心向服務(wù)對象持續(xù)接近。收到雷電二級預(yù)警信息后，服務(wù)對象需要做出暫停、終止、疏散或戒備類雷電防御動作，可基于對雷電密度、雷電抵近速度、預(yù)估持續(xù)時間等信息的分析，在確保安全的情況下，減少非必要的停工。

“三級標(biāo)準(zhǔn)”表示服務(wù)對象或邊界區(qū)域已經(jīng)發(fā)生雷擊現(xiàn)象。其對應(yīng)的雷電特征為：服務(wù)對象10 km范圍內(nèi)監(jiān)測到閃電回?fù)酎c且大氣電場出現(xiàn)劇烈波動。發(fā)出雷電三級預(yù)警信息后，相關(guān)部門應(yīng)立即做出應(yīng)急類、防護(hù)類和救援類動作，在最短的時間發(fā)現(xiàn)和鎖定落雷點，以便最大限度地減輕雷電災(zāi)害的危害[7-8]。

4.2 優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于對雷電特征和雷電監(jiān)測預(yù)警工作需求的綜合考慮，其雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)宜采用B/S模式，以Web GIS框架體系為基礎(chǔ)進(jìn)行整體框架的規(guī)劃設(shè)計，通過各種自定義組件在服務(wù)器端的信息交互實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。在系統(tǒng)架構(gòu)方面可圍繞數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層3個層級進(jìn)行設(shè)計。

數(shù)據(jù)層的核心任務(wù)是大氣電場數(shù)據(jù)、閃電定位數(shù)據(jù)、雷災(zāi)數(shù)據(jù)、多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)、GIS地理信息數(shù)據(jù)等與雷電監(jiān)測預(yù)警有關(guān)的各類數(shù)據(jù)信息的采集、處理和儲存。同時，依托CIMISS接口、Oracle數(shù)據(jù)庫接口等形式實現(xiàn)與其他層級的數(shù)據(jù)信息交互[9]。

服務(wù)層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)業(yè)務(wù)層面的數(shù)據(jù)分析和功能實現(xiàn)。即提取數(shù)據(jù)層采集整理的數(shù)據(jù)信息，依托大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對提取數(shù)據(jù)進(jìn)行集成化處理和深度分析，并完成關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出、圖表繪制等工作，以此得到科學(xué)準(zhǔn)確的雷電監(jiān)測預(yù)警信息并以預(yù)警產(chǎn)品形式儲存于Oracle數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)用層是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的載體。一方面，系統(tǒng)會基于Web GIS技術(shù)，通過格點圖、雷達(dá)圖的形式對雷電監(jiān)測信息進(jìn)行整合，并以可視化、動態(tài)化的形式將整合后的信息呈現(xiàn)在相應(yīng)的功能界面上；另一方面，用戶可在相應(yīng)功能模塊中進(jìn)行雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢及定向分析、監(jiān)測信息輸出、預(yù)警信息生成及發(fā)布等操作。

4.3 豐富系統(tǒng)功能

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能化技術(shù)的快速發(fā)展和普及運用，在對雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時，應(yīng)從人性化設(shè)計的角度出發(fā)，加強物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)、智能化技術(shù)的融合運用，豐富系統(tǒng)在人機交互、移動端操控等方面的功能，從而進(jìn)一步增強雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實用性和便捷性。例如，可開發(fā)“小程序”“微網(wǎng)頁”功能，使用戶能夠通過智能手機更便捷地獲取雷電信息和防災(zāi)服務(wù)；在系統(tǒng)中融入人工智能技術(shù)，提高系統(tǒng)的建模分析能力、數(shù)據(jù)處理能力及人機交互能力，從而進(jìn)一步增強系統(tǒng)操作的便利性和監(jiān)控預(yù)警信息的科學(xué)性[12]。

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