精细化雷电预警服务系统实现方法

2021-11-20 · 阅读233

引言

在高速发展的现代社会,雷电灾害对公众的影响越来越大,造成的损失也越来越严重,因此对雷电预警预报的需求越来越迫切。林松良等指出在建立区域性闪电定位、监测系统的基础上实现高精度雷电预警,是进--步完善城市气象服务体系和雷电灾害综合防御体系的有效手段。目前，美国、加拿大、巴西、法国、英国、新加坡、日本等均建立了雷电监测定位网2-4。同时美国于20世纪七八十年代就建设了雷电预警系统，我国闪电定位技术从20世纪80年代末得到了迅速发展,气象部门于2003年开始建设全国闪电监测网59,青海省于2015年底完成了全省闪电监测网的建设。中国气象科学研究院近几年也积极开展了雷电临近预警方法的研究,并开发出了雷电临近预警系统，该系统采用多资料、多参数和多算法集成的雷电临近预警方法,能够综合利用雷达、卫星、闪电监测系统、地面电场仪和探空仪等观测资料以及天气形势预报产品和雷暴云起电、放电模式,结合区域识别、跟踪和外推算法与决策树算法,能自动生成雷电活动潜势预报以及雷电发生概率、雷电活动区域移动趋势和重点区域雷电发生概率等临近预警产品闸，并在全国气象部门进行业务推广和运行试验,在多个省市气象台投人业务运行。

梁巧倩林良勋在2008年根据雷电发生的天气学分型和完全预报方法研究出了一种广州地区雷电短期潜势预报方案，对于雷电潜势预报具有一-定参考价值;马月枝等叫利用常规和区域自动站观测资料、卫星和多普勒雷达监测产品及NCEP再分析资料,对2014年7月14 日新乡强对流过程进行了综合分析;赵定池等利用2004~2009年常规地面观测资料和探空资料，对拉萨地区夏季夜间雷暴的时间分布特征和背景场特征进行了分析;方标等呵利用贵州省铜仁市新一代多普勒天气雷达资料和贵州省气象局闪电定位仪资料，对黔东北2013~2015年5~8月对流性降雨过程中的雷电活动与雷达回波单体之间的相关性进行了统计分析;张其林等结合2008年北京奥运科技项目研发出了一套智能防雷雷电监测预警系统,该系统除了对雷电预警信息进行发布以外,对与雷电相关的各种数据均进行了质量控制和模块化处理,系统功能从局域网升级为宽带网安装,大大方便了不同用户的需求;李向津等7针对农村防雷减灾管理研发出了基于B/S架构的农村雷电灾害预警系统;杨仲江、唐晓峰8利用大气电场仪、闪电定位仪、雷达资料等开展了雷电预警系统，并在该系统的基础上开发出了移动端雷电预警系统;王金莲等[19结合黄山风景区旅游气象灾害的特点，构建了景区旅游气象灾害防御系统，并开展了黄山景区雷电预警

1系统实现方法

为了满足功能多样性和系统复杂性要求,系统采用CIS架构、组件技术、插件机制进行系统的研发。各个功能部分使用COM技术,将应用封装在一个或几个COM组件中,通过表现层向外提供服务。从而使代码实现了很大程度的复用,保证了系统广泛的自适应性和良好的可扩展性;系统在功能表现.上实现了最大的灵活性和稳定性。只要遵循插件的接口,系统可以加载新插件,升级组件的功能。系统选用NET.Framework和C++平台开发,开发遵循相应框架及标准;支持当前主流数据库接口ADO.Net 等，支持MySQL、SQLServer等主流数据库;支持Web Service 、XML等通用技术标准;支持当前主流的MeteoGIS、ArcGIS软件，支持OpenGL图形库。严格遵循国家及气象部门信息化建设标准，严格按照中国气象局颁布的数据库标准和数据库建设规范以及相关技术规范。数据格式完全兼容MICAPS已有格式。数据传输和存储部分设计需满足《全国气象信息网络系统总体设计》的相关要求。

1.1系统数据架构

数据采集存储管理负责数据收集和统一管理，为西宁精细化雷电预警服务系统提供数据支撑。数据内容主要包括:基础观测数据(地面观测数据、探.空数据、雷达数据等);雷电监测数据(闪电、电场仪等)。

1.2主要实现功能

西宁雷电精细化预警系统主要包括:数据采集存储管理、监测数据产品显示、综合交互分析、雷电监测、雷电预警和产品制作6个模块,其总体功能结构如图1所示。

(1)数据采集存储管理

数据采集存储管理对雷达、探空、雨量、闪电、电场仪等各类数据资料信息进行数据收集、处理与存储管理，为西宁精细化雷电预警服务系统提供数据支撑。同时,完成对原始数据的质量检查、数据预处理(数据裁剪、数据拼接等)和数据收集监控,将合格的数据存储到在线数据库和历史数据库。数据采集分自动采集和手工采集两种方式。

(2)监测数据产品显示

系统可实现雷达资料、L波段探空数据、地面雨量数据、闪电定位数据和电场仪数据的实时显示功能。雷达资料显示主要包括SA/SB/SC/CB/CC/CD等多种多普勒雷达的体扫基数据(上传压缩bz2、原始05V/36A、原始压缩rar/zip、 原始bin等文件格式)，同时可方便浏览不同仰角的回波强度和回波速度,实现了PPI、CAPPI、VIL、CR、ET、任意截面的VCR计算显示;L波段探空数据显示，包括了采样时间、气温、气压、湿度、仰角、方位、距离、经度偏差和纬度偏差等内容;地面雨量数据显示主要为micaps格式的实时雨量数据和区域自动站CIMISS提供的实时雨量数据;闪电定位数据显示主要包括闪电的信息(定位、时间、经度、纬度、电流强度);电场仪数据显示主要为电场仪分布以及电场仪的5km、10km、15km、20km有效距离圈等信息,同时可使用电场仪时间一强度分析工具，显示电场仪时间一强度曲线图。

(3)综合交互分析

综合交互分析主要包括雷达、雨量和L波段探空资料的空间和时序分析,闪电区域统计分析。雷达空间剖面分析主要实现雷达产品的垂直剖面图显示，显示出各方位的RHI图像信息,实现雨量的垂直剖面,找到目标区最近的雨量信息;雷达时间序列分析主要使用雷达基数据和时间序列分析工具,分析指定时间段内的雷达垂直剖面时间序列信息得以实现;雨量空间剖面分析主要使用雨量数据主空间剖面分析工具,在划定剖面基线位置分析显示雨量数据的空间垂直剖面信息,获得雨量站点雨量统计信息,辅助雷电预警;雨量时间序列分析是使用雨量数据和时间序列分析工具,分析指定时间段内的雨量时间序列信息;L波段探空空间分析是通过计算不同L波段探空站点的特项层高度(0度、-10度、-20度、-40度)、云顶高度、云底高度和云量,计算绘制温度、露点温度、冰面相对湿度、水面相对湿度值与高度曲线图等,按照L波段探空资料不同站点分别绘制各相关参数的空间分析图,将分析结果输出为图片文件;L波段探空时间序列分析是根据用户指定位置和时间范围的L波段探空资料时间序列分析，计算不同时间点的特顶层高度(0度、-10度、-20度、-40度)、云项高度、云底高度和云量,计算绘制温度、露点温度、冰面相对湿度、水面相对湿.度值与高度曲线图,将分析结果输出为图片文件;闪电区域统计分析是统计交互绘制区域的时间一闪电频次、空间分布图等,便于从宏观的角度分析闪电分布特征。

(4)雷电监测

雷电监测主要通过结合大气电场变化和闪电定位两种手段进行闪电的发生、发展和消亡过程监测。电场仪监测应用主要通过多台大气电场仪联网监测，其主要原因是单站大气电场仪的探测范围只有20km,所以对20km以外发生的闪电,电场仪不会有大幅度的快变抖动。因此,针对单台大气电场仪在闪电监测方面的不足,将大气电场测量进行联网,大范围监测地面电场变化,形成监测区域内地面电场的分布以及变化趋势。并且随着雷暴云的发生、发展和移动,不同的大气电场仪监测到的电场变化时间也是不相同的。根据不同大气电场仪监测到的电场变化的时间先后,可以估计出雷暴云移动位置的变化和移动路径。闪电定位资料应用是通过交互绘制分析区域(或选择指定行政区)内闪电时间- -频数分析图,可以统计分析选定区域内的闪电频数,从而判断闪电的发生、发展和消亡等过程。

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