基于多源观测技术的贺州雷电综合预警研究

【摘 要】本文提出了区域雷电预警系统概念，具有明显的创新性。通过结合天气雷达、闪电定位和探空等资料对测区大气电场时空演变特征、电荷结构进行分析，对单独及综合利用这些数据进行雷电预警的方法以及预警效果进行分析，有助于对雷暴云的起电放电以及电荷分布情况的了解，有助于从理论上建立云闪、地闪发生、发展的具有微物理基础的模型，更深入了解灾害性天气过程发生发展的机理以及规律，发挥雷电监测信息在灾害性天气监测和预警预报中的作用，对于防灾减灾、国家公共安全具有重要意义。

【关键词】雷电预警 雷达 闪电定位 大气电场

1 前言

雷电是一种伴有声、光、电等多物理现象的自然灾害。研究有效的预报方法并建立可靠的雷电监测预警系统，对减少雷电灾害带来的损失有着重要的意义。由于雷暴生命周期短、范围小，而业务数值预报模式时空扩展性小以及水平和垂直分辨率较低，所以雷暴预警预报是天气预报中较困难的工作之一，也是气象部门所面临的难点和挑战。由于强对流天气的发生、发展具有突发性和局地性，因此雷电预警更多地借助于实时监测手段。因此综合各种探测手段的应用，如结合多参数雷达、闪电探测等高分辨率探测仪器，是雷电预警今后的发展方向。

对国内部分地区虽然已经安装了多普勒天气雷达、闪电定位仪、地面大气电场仪等探测设备，但这些实时观测资料的特征特别是大气电场雷暴特征以及这些数据在雷电临近预警方面的应用研究工作还欠缺，如何有效地利用这些探测资料进行这些研究是迫切需要开展的。目前天气雷达数据为雷电预警最常用的数据，其相关的文献较多；大气电场、闪电定位资料的利用大多数为对不同天气过程以及其时空特征分析，但是利用这些资料进行雷电预警的研究较少，综合利用多种数据和充分发挥各种资料相互补充的优势进行雷电预警，为今后的雷电预警的发展趋势。因此如何更加有效地利用雷达等遥感和雷电探测等资料，发挥雷电监测信息在灾害性天气监测和预警预报中的作用，对于防灾减灾、国家公共安全具有重要意义。

2 雷电综合预警的理论基础

雷暴短时的空间和时间预警，在现今是尤为重要的，做到准确预警就需要利用气象学、大气物理学以及空间技术等。

许多研究已对闪电的特征、现象及其影响进行评价，并分析出各种闪电性质，如雷电先导及其模式、雷电电磁场传播、雷电感应电压和雷电流特性，对应开发出检测和定位技术。

然而，大多数雷电的特性仿真模型有自己的局限缺点，建立的这些模型只适用于特定的领域而太有限。一个重要的建模方面是关于使用各种传感技术的雷击监测和定位，各方法适于在特定条件下，在一定的应用程序来实现测量系统的结合。

分析天气雷达、闪电定位仪和大气电场仪各自的优劣势，利用多站大气电场仪组成网络，对整个区域内的雷暴和其发展过程进行的综合监测，在此基础上对雷暴云结构和位置进行反演，研究雷暴从发生到消亡的整体过程，并分析雷暴过站时的电场变化特点，为构建区域雷电预警系统奠定理论基础和实际指导报告。

2.1 雷暴云多普勒天气雷达观测

雷达回波可以直观的反映雷暴过站时的路径及过程，雷达操作者可依靠反射率因子产品确定回波的强度，确定风暴的强弱和结构以及强降雨（雪）带，还可根据反射率因子随时间的变化确定降水回波的移动以及未来的趋势等。平均径向速度表示整个360°方位扫描径向速度数据，径向速度即物体运动速度平行与雷达径向的分量。径向速度有许多直接的应用，可以导出大气结构，风暴结构，可以帮助产生、调整和更新高空分析图等。

从图1四副雷达回波图中，可以看出大气反射越强烈颜色会越深，图（a）天空云量极少，雷达反射基本没有。图（b）天空云量增多，大面积范围没有强对流雷暴，只在局部地区有单体雷暴蜂巢A初步形成。反射强度在45-50dBz。图（c）两个初步形成的单体蜂巢A、B合并，雷达回波图中发射形成的深红色明显扩大，反射强度到达50-55dBz，预示已有强对流雷暴正在发生。图（d）中，在一个小范围内形成了两个强雷暴蜂巢A和B发生区域，且反射率均在55dBz，称为双单体雷暴。

多普勒雷达反射回波可以实时监控大气的活动状况，但又区域范围广、局地预报不精确的缺点。

2.2 闪电定位仪对雷电数据统计

闪电定位系统传感器的数量可以是三个以上，这实际上取决于雷击源的尺寸和强度，以及检测结果的期望精度。传感器设置的位置也取决于源位置。监测的精度在很大程度上取决于该源是否是在该覆盖区域的中心或在其周边。三天线结构将给出的信号源（基于三角原理）的方位角和仰角。这些角度是至关重要的，因为在雷电源坐标的测定计算上直接使用，短基线天线配置时测定先导之间的距离和先导的位置，所涉及的方位角和仰角，计算中产生的错误可直接影响方位角和仰角的准确性。

闪电定位仪可为雷暴发生次数提供数据基础。因此，在天气雷达和闪电定位资料的辅助下，对不同强度雷暴过站时的电场变化情况进行分析。已有的研究表明，雷暴过程属于复杂的非线性混沌系统，导致所测电场具有很强的非线性振荡特性。因而本研究引入经验模态分解算法，以IMF分量能量变化的角度，研究雷暴过站时电场的变化特征，为雷电预警提供一种新方法。

闪电信号是由闪电定位传感器探测，建模使用三个宽带天线定位方法，基于成熟的模型，探测并建立出闪电的几何参数模型，包括闪电位置，强度，闪电路径形状，先导距离，并对该模型的准确性影响进行评估。

图2中是一次贺州市的闪电强度与密度分布图，雷暴符号颜色冲蓝、黄、红逐级递增，表示雷电流强度。一个雷暴日的落雷次数、强度与密度均可以使用闪电定位系统进行记录。从日常的闪电数据统计得出，大部分的闪电放电中，一小部分能量约100C传导至大地表面形成先导，随后再发生闪击和回闪。在大部分负向闪击如地-云闪击中，放电峰值一般达到30kA，并且持续0.1ms以上。在正向闪击如云-地闪击中，放电峰值大多也为30kA，但伴有10ms左右，幅值1kA的后续雷击。

2.3 雷暴云过站大气电场数据与多站资料组网

大气电场仪根据导体在电场中产生感应电荷的原理，能够长时间连续地测量大气电场的强度和极性，完整记录雷暴从形成到消亡的整个过程，而大气电场资料质量往往受到安装环境、安装位置、观测时间、观测方法等非气象因素的影响而大打折扣。只有对大气电场资料的质量控制，确保资料的可靠性进行研究，才能保证将该资料更好地应用于各种天气分析之中，为雷暴以及灾害性天气监测和预警提供条件，具有重要的科学意义和现实意义。由于单站电场仪的探测范围有限，所以地面电场仪的组网观测能够对雷暴云发生、发展整个过程进行观测，可以扩大预报范围以及提前闪电预警时间。然而由于大气电场仪测量受环境的影响较大，本课题的研究内容在于统一这些站点数据以及进行电场联网观测，进而分析电场联网后电场特征。

经研究统计发现，雷暴发生时的大气电场的变化一般达到50%以上，并且剧烈波动，如图3所示。通过大量的检测数据，可以将大气电场仪的预警阈值设定为10kV/m、20kV/m，两个雷暴强度。单站地面电场仪的预警指向性非常明确，一般为电场仪上空2km直径范围，从而在一定程度上实现对雷电的预警。但单站电场无法从全局或者整体对雷暴电荷特征进行观测，也无法了解雷暴的移动方向和发生位置。如果能将电场进行联网，则可以增强大气电场仪的功能和扩大电场的监测范围，提高雷电的预警能力。

3 雷电综合预警三要素融合技术

对于每一种方法，该类传感器站的数目是关键，因为它直接影响所产生预警结果的准确性，精度可通过进一步增加站点传感器的数量，统计结果消除偏差。一般预警区域要有几个单站围绕。

基于贺州市大气电场、闪电定位以及雷达三种数据融合预警方法，对移过测区的典型雷暴过程进行区域性雷电临近预报，区域雷电预警可以直观呈现雷暴云和闪电发生发展特征，对发生闪电潜在区域也能直观判断。同时区域预警可以增强大气电场仪的功能和扩大电场仪的监测范围，不但能实现对一个地区进行预警，而且能对雷暴云的整个过程进行监测预警，具有单站电场所没有的优势。研究结合之前四个实验的特性，对区域雷电分布、变化等特征进行统计分析，应用多种探测资料融合技术，自动进行闪电资料的处理和定时定位，同时利用一定的算法判断大气电场分布，最终以图形界面和图表等方式显示闪电发生的时间、方位、强度等信息，并预警预报雷电区域。

改进多源信息技术，将小波分析、支持向量机、主成份分析等算法应用到大气电场、闪电定位仪、雷达的观测数据中，资料同化。提出雷暴云运动的趋势，建立其预警模型。

各站地面电场仪与闪电定位仪的安装环境不同，如高度、周围建筑等因素会影响探测的精度，而天气雷达在强对流天气下经过雷雨云后受到很强的衰减，否则难以识别雷暴云位置。如果对数据质量不加控制，多源资料的融合效果将大打折扣，因而本课题的研究重点是结合各种设备的特点，对多源资料进行预处理，进而采用数据融合的方法将多源资料结合起来，组建区域综合观测网。

4 结语

通过本文的研究，可以统计出贺州地区内的地面电场等值线、云团电荷分布，可直观地看出监测区域电场强度的分布及雷暴的移动路径。相信经过长时间电场数据的收集和对数据的更系统分析，能得到该地区雷暴特征和规律，为提高贺州市的雷电监测能力和雷暴天气分析预报中的应用积累更多基础资料。同时，电场联网因其优越性，对于综合了解贺州市雷暴云发展过程、电荷分布等许多方面打下了基础。同时，课题研究的成果可做成一套软件系统，推广到其他雷暴高发地区，为将来的研究提供资金基础。

建立有效的预警机制后，可将算法编写软件，推广应用，减小雷击灾害。软件系统的编写和数据库的建立将进一步促进软件行业的发展。同时，完善雷电探测数据系统。为雷电的深入研究和相关产品的开发打下坚实的基础。

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作者简介：古意瑾（1981―），男，汉族，广西贺州人，2010年获清华大学电机系工程硕士学位，从事雷电监测预警、避雷器设计与测试工作。