精細化雷電預警服務系統實現方法

2021-11-20 · 閱讀363

引言

在高速發展的現代社會,雷電災害對公眾的影響越來越大,造成的損失也越來越嚴重,因此對雷電預警預報的需求越來越迫切。林松良等指出在建立區域性閃電定位、監測系統的基礎上實現高精度雷電預警,是進--步完善城市氣象服務體系和雷電災害綜合防御體系的有效手段。目前，美國、加拿大、巴西、法國、英國、新加坡、日本等均建立了雷電監測定位網2-4。同時美國于20世紀七八十年代就建設了雷電預警系統，我國閃電定位技術從20世紀80年代末得到了迅速發展,氣象部門于2003年開始建設全國閃電監測網59,青海省于2015年底完成了全省閃電監測網的建設。中國氣象科學研究院近幾年也積極開展了雷電臨近預警方法的研究,并開發出了雷電臨近預警系統，該系統采用多資料、多參數和多算法集成的雷電臨近預警方法,能夠綜合利用雷達、衛星、閃電監測系統、地面電場儀和探空儀等觀測資料以及天氣形勢預報產品和雷暴云起電、放電模式,結合區域識別、跟蹤和外推算法與決策樹算法,能自動生成雷電活動潛勢預報以及雷電發生概率、雷電活動區域移動趨勢和重點區域雷電發生概率等臨近預警產品閘，并在全國氣象部門進行業務推廣和運行試驗,在多個省市氣象臺投人業務運行。

梁巧倩林良勛在2008年根據雷電發生的天氣學分型和完全預報方法研究出了一種廣州地區雷電短期潛勢預報方案，對于雷電潛勢預報具有一-定參考價值;馬月枝等叫利用常規和區域自動站觀測資料、衛星和多普勒雷達監測產品及NCEP再分析資料,對2014年7月14 日新鄉強對流過程進行了綜合分析;趙定池等利用2004~2009年常規地面觀測資料和探空資料，對拉薩地區夏季夜間雷暴的時間分布特征和背景場特征進行了分析;方標等呵利用貴州省銅仁市新一代多普勒天氣雷達資料和貴州省氣象局閃電定位儀資料，對黔東北2013~2015年5~8月對流性降雨過程中的雷電活動與雷達回波單體之間的相關性進行了統計分析;張其林等結合2008年北京奧運科技項目研發出了一套智能防雷雷電監測預警系統,該系統除了對雷電預警信息進行發布以外,對與雷電相關的各種數據均進行了質量控制和模塊化處理,系統功能從局域網升級為寬帶網安裝,大大方便了不同用戶的需求;李向津等7針對農村防雷減災管理研發出了基于B/S架構的農村雷電災害預警系統;楊仲江、唐曉峰8利用大氣電場儀、閃電定位儀、雷達資料等開展了雷電預警系統，并在該系統的基礎上開發出了移動端雷電預警系統;王金蓮等[19結合黃山風景區旅游氣象災害的特點，構建了景區旅游氣象災害防御系統，并開展了黃山景區雷電預警

1系統實現方法

為了滿足功能多樣性和系統復雜性要求,系統采用CIS架構、組件技術、插件機制進行系統的研發。各個功能部分使用COM技術,將應用封裝在一個或幾個COM組件中,通過表現層向外提供服務。從而使代碼實現了很大程度的復用,保證了系統廣泛的自適應性和良好的可擴展性;系統在功能表現.上實現了最大的靈活性和穩定性。只要遵循插件的接口,系統可以加載新插件,升級組件的功能。系統選用NET.Framework和C++平臺開發,開發遵循相應框架及標準;支持當前主流數據庫接口ADO.Net 等，支持MySQL、SQLServer等主流數據庫;支持Web Service 、XML等通用技術標準;支持當前主流的MeteoGIS、ArcGIS軟件，支持OpenGL圖形庫。嚴格遵循國家及氣象部門信息化建設標準，嚴格按照中國氣象局頒布的數據庫標準和數據庫建設規范以及相關技術規范。數據格式完全兼容MICAPS已有格式。數據傳輸和存儲部分設計需滿足《全國氣象信息網絡系統總體設計》的相關要求。

1.1系統數據架構

數據采集存儲管理負責數據收集和統一管理，為西寧精細化雷電預警服務系統提供數據支撐。數據內容主要包括:基礎觀測數據(地面觀測數據、探.空數據、雷達數據等);雷電監測數據(閃電、電場儀等)。

1.2主要實現功能

西寧雷電精細化預警系統主要包括:數據采集存儲管理、監測數據產品顯示、綜合交互分析、雷電監測、雷電預警和產品制作6個模塊,其總體功能結構如圖1所示。

(1)數據采集存儲管理

數據采集存儲管理對雷達、探空、雨量、閃電、電場儀等各類數據資料信息進行數據收集、處理與存儲管理，為西寧精細化雷電預警服務系統提供數據支撐。同時,完成對原始數據的質量檢查、數據預處理(數據裁剪、數據拼接等)和數據收集監控,將合格的數據存儲到在線數據庫和歷史數據庫。數據采集分自動采集和手工采集兩種方式。

(2)監測數據產品顯示

系統可實現雷達資料、L波段探空數據、地面雨量數據、閃電定位數據和電場儀數據的實時顯示功能。雷達資料顯示主要包括SA/SB/SC/CB/CC/CD等多種多普勒雷達的體掃基數據(上傳壓縮bz2、原始05V/36A、原始壓縮rar/zip、 原始bin等文件格式)，同時可方便瀏覽不同仰角的回波強度和回波速度,實現了PPI、CAPPI、VIL、CR、ET、任意截面的VCR計算顯示;L波段探空數據顯示，包括了采樣時間、氣溫、氣壓、濕度、仰角、方位、距離、經度偏差和緯度偏差等內容;地面雨量數據顯示主要為micaps格式的實時雨量數據和區域自動站CIMISS提供的實時雨量數據;閃電定位數據顯示主要包括閃電的信息(定位、時間、經度、緯度、電流強度);電場儀數據顯示主要為電場儀分布以及電場儀的5km、10km、15km、20km有效距離圈等信息,同時可使用電場儀時間一強度分析工具，顯示電場儀時間一強度曲線圖。

(3)綜合交互分析

綜合交互分析主要包括雷達、雨量和L波段探空資料的空間和時序分析,閃電區域統計分析。雷達空間剖面分析主要實現雷達產品的垂直剖面圖顯示，顯示出各方位的RHI圖像信息,實現雨量的垂直剖面,找到目標區最近的雨量信息;雷達時間序列分析主要使用雷達基數據和時間序列分析工具,分析指定時間段內的雷達垂直剖面時間序列信息得以實現;雨量空間剖面分析主要使用雨量數據主空間剖面分析工具,在劃定剖面基線位置分析顯示雨量數據的空間垂直剖面信息,獲得雨量站點雨量統計信息,輔助雷電預警;雨量時間序列分析是使用雨量數據和時間序列分析工具,分析指定時間段內的雨量時間序列信息;L波段探空空間分析是通過計算不同L波段探空站點的特項層高度(0度、-10度、-20度、-40度)、云頂高度、云底高度和云量,計算繪制溫度、露點溫度、冰面相對濕度、水面相對濕度值與高度曲線圖等,按照L波段探空資料不同站點分別繪制各相關參數的空間分析圖,將分析結果輸出為圖片文件;L波段探空時間序列分析是根據用戶指定位置和時間范圍的L波段探空資料時間序列分析，計算不同時間點的特頂層高度(0度、-10度、-20度、-40度)、云項高度、云底高度和云量,計算繪制溫度、露點溫度、冰面相對濕度、水面相對濕.度值與高度曲線圖,將分析結果輸出為圖片文件;閃電區域統計分析是統計交互繪制區域的時間一閃電頻次、空間分布圖等,便于從宏觀的角度分析閃電分布特征。

(4)雷電監測

雷電監測主要通過結合大氣電場變化和閃電定位兩種手段進行閃電的發生、發展和消亡過程監測。電場儀監測應用主要通過多臺大氣電場儀聯網監測，其主要原因是單站大氣電場儀的探測范圍只有20km,所以對20km以外發生的閃電,電場儀不會有大幅度的快變抖動。因此,針對單臺大氣電場儀在閃電監測方面的不足,將大氣電場測量進行聯網,大范圍監測地面電場變化,形成監測區域內地面電場的分布以及變化趨勢。并且隨著雷暴云的發生、發展和移動,不同的大氣電場儀監測到的電場變化時間也是不相同的。根據不同大氣電場儀監測到的電場變化的時間先后,可以估計出雷暴云移動位置的變化和移動路徑。閃電定位資料應用是通過交互繪制分析區域(或選擇指定行政區)內閃電時間- -頻數分析圖,可以統計分析選定區域內的閃電頻數,從而判斷閃電的發生、發展和消亡等過程。

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