吳宏 吳建欣

(浙江蘭溪市氣象局,浙江蘭溪 321100)

高速公路雷電監(jiān)測與預(yù)警應(yīng)用技術(shù)的構(gòu)思

吳宏 吳建欣

(浙江蘭溪市氣象局,浙江蘭溪 321100)

我國高速公路正處于快速發(fā)展的時期,但高速公路沿線的雷電災(zāi)害防御系統(tǒng)建設(shè)相對滯后,使現(xiàn)代交通運輸追求的快速、高效和安全目標(biāo),受到影響和制約。本文針對滬昆高速杭金衢段沿線存在的雷電防御能力中的短板,引入雷電監(jiān)測與預(yù)警技術(shù),提出建設(shè)雷電實時監(jiān)測系統(tǒng)、雷電預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)和雷電災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)的構(gòu)思,并通過采取以非工程性或非工程性和工程性組合的雷電防御技術(shù),有效改變目前高速公路僅依賴工程性防雷技術(shù)的現(xiàn)狀及被動防御局面,提升主動防御和災(zāi)后應(yīng)急能力,減少因雷電造成的直接或間接損失。

高速公路 雷電 監(jiān)測與預(yù)警 應(yīng)用技術(shù)

1　引言

雷電的危害具有很強的破壞性，主要危害途徑有直擊雷、雷電感應(yīng)、雷電波侵入和地電壓反擊等形式。從我國第一條高速公路投運至今，高速公路沿線(含收費所、隧道機電設(shè)施、服務(wù)區(qū)、養(yǎng)路工區(qū)等區(qū)域)的弱電系統(tǒng)都不同程度地遭受雷電侵害。輕者部分設(shè)備被雷電擊壞，系統(tǒng)喪失部分功能，重者全系統(tǒng)癱瘓，全部系統(tǒng)功能盡失，造成駕駛員猝不及防，釀成重大交通事故，給交通安全帶來極大隱患。同時雷災(zāi)也給高速公路沿線的眾多施工、服務(wù)人員和駕乘人員的人身及行車安全帶來威脅。雷電氣候下的通行能力下降，不僅影響自身的經(jīng)濟效益，也產(chǎn)生不良的社會影響。現(xiàn)代交通運輸追求的快速、高效和安全目標(biāo)，往往受到的影響和制約。

高速公路雷電防御具有點多、面廣、線長，既有強電設(shè)備，又有大量的監(jiān)控、通信、傳感等弱電設(shè)備，曠野區(qū)域往往有突出的設(shè)備點，電力線路往往要翻山越嶺，傳輸和控制線路往往經(jīng)常穿越復(fù)雜的地質(zhì)層面的特點，這些都是易遭雷擊或雷電感應(yīng)的薄弱點。對此，僅依靠傳統(tǒng)的工程性和被動式防御措施難以做到經(jīng)濟、有效的防御目的。面對以上的問題和難點，通過建設(shè)雷電實時監(jiān)測平臺、雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、雷災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)管理系統(tǒng)等應(yīng)用型系統(tǒng)，適時引入非工程性措施，以期達到提升高速公路雷電防御的能力。目前，國外的研究人員在利用雷達和衛(wèi)星等探測資料進行雷電臨近預(yù)報方面做了大量深入的研究工作。例如:美國空軍第45天氣中隊給出了以雷達為工具的雷電臨近預(yù)報經(jīng)驗規(guī)則，主要用到了最大回波強度及其出現(xiàn)高度、強回波體積、頂高等參數(shù)，對單體雷暴、砧狀云、碎云等的云閃、地閃的預(yù)報提供了不同的規(guī)則[1]。Smith采用同步衛(wèi)星紅外云圖和美國國家閃電監(jiān)測網(wǎng)的地閃定位結(jié)果，對兩次雷暴過程進行了分析，對比了云頂冷卻率超過0.5℃/min的時間和首次地閃出現(xiàn)的時間，結(jié)果表明前者比后者提前了半小時或更長時間[2]。國內(nèi)雷電監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報技術(shù)的研究工作也已起步，氣象、科研院校、專業(yè)防雷機構(gòu)等部門，在雷達、衛(wèi)星、雷電定位儀和大氣電場儀等監(jiān)測基礎(chǔ)上，基于地理信息系統(tǒng)，采用多參數(shù)、多算法集成方法研究雷電預(yù)警預(yù)報技術(shù)，建立雷電監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。滬昆高速杭金衢段沿線已建立了覆蓋全部的閃電定位探測網(wǎng)和大氣電場監(jiān)測與預(yù)警覆蓋面達80%以上。2008年依托科技部奧運攻關(guān)主題“奧運會雷電監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”，為奧帆賽場等重點區(qū)域提供雷電的區(qū)域、概率和雷電頻數(shù)等預(yù)警服務(wù)，并取得明顯效果。

2　杭金衢高速公路雷電防御存在的主要問題

圖1　

(1)高速公路沿線各區(qū)域在建設(shè)時，各設(shè)施、設(shè)備的招投標(biāo)分不同專業(yè)、單位分別依據(jù)各自的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范設(shè)計和施工，相互之間對整體設(shè)計確乏溝通、配合。(2)已有的防雷設(shè)施是在建設(shè)后期以整改形式進行，采取針對性、局部性的工程性整改方式。存在對整改后再增加的其他設(shè)施無法進行防御、或整改代價大的問題，也即防御的統(tǒng)一性、可擴展性弱等問題。(3)主動防御和災(zāi)后應(yīng)急能力弱。雷電防御需要工程性措施，但同時做好非工程性防御措施將會起到事半功倍的作用。目前此項工作尚未有效實施。(4)工程性措施保護范圍以外區(qū)域的人員、設(shè)施、交通安全等無法進行有效的防御。

圖2　預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)路線圖

圖3　應(yīng)急響應(yīng)管理技術(shù)路線圖

3　雷電監(jiān)測與預(yù)警應(yīng)用技術(shù)的主要內(nèi)容及技術(shù)路線

本文以杭金衢高速公路沿線(含收費所、隧道機電設(shè)施、服務(wù)區(qū)、養(yǎng)路工區(qū)等區(qū)域)的雷電主動防御和提升雷災(zāi)后應(yīng)急能力為主要內(nèi)容，改變目前防雷工程性技術(shù)不足的現(xiàn)狀及被動局面，減少因雷電造成的直接或間接損失。

(1)建立雷電實時監(jiān)測平臺。利用雷達、衛(wèi)星、雷電定位儀和大氣電場儀等設(shè)施，監(jiān)測和收集實時雷電信息，整合歷年人工觀測信息和災(zāi)情調(diào)查信息，開展沿線重點區(qū)域人員、設(shè)施、運行及防雷裝置分布和整改情況等基本信息調(diào)查，基于地理信息系統(tǒng)，建立杭金衢高速公路沿線雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)庫;開發(fā)數(shù)字化采集、組織、存儲、管理、分析、應(yīng)用和服務(wù)軟件，進行雷電監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用方法的研究;運用雷電災(zāi)害區(qū)劃技術(shù)，初步繪制杭金衢高速公路沿線閃電主要電學(xué)特征分布圖、雷暴主要移動路徑圖等。為高速公路建設(shè)的設(shè)計、改、擴建及提高營運效率等提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。找出高速公路沿線及重點區(qū)域雷電監(jiān)測與雷電發(fā)生之間的對應(yīng)關(guān)系。并在此基礎(chǔ)上完成雷電空間信息的數(shù)字化采集、組織、存儲、管理、分析、應(yīng)用和服務(wù)等技術(shù)(如圖1)。

(2)通過建立雷電監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，為指定的重點區(qū)域提供雷電的區(qū)域、概率和雷電頻數(shù)等預(yù)警示范服務(wù)。雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以GIS為基礎(chǔ)，采用多資料、多參數(shù)和多算法集成的雷電臨近預(yù)警方法，結(jié)合三維空間雷暴識別、跟蹤和外推算法與決策樹算法，提供多種形式的雷電臨近預(yù)警產(chǎn)品。重點解決以下關(guān)鍵技術(shù):1)針對實時監(jiān)測的技術(shù)。對于雷監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為GIS平臺所認(rèn)可的柵格以及矢量數(shù)據(jù);然后與地理信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的組織存儲與管理。在此基礎(chǔ)上整合雷電預(yù)測模式，實現(xiàn)高性能的計算，實現(xiàn)雷電發(fā)生落區(qū)、頻數(shù)以及幾率的臨近預(yù)測。2)針對外推雷達回波運動的技術(shù)。利用“交叉相關(guān)算法”外推雷達回波的運動，獲得的雷達回波在過去的移動矢量，來外推確定回波未來的位置和形狀，從而達到預(yù)報的目的。3)針對雷電定位資料算法的技術(shù)。采用雙參數(shù)線性指數(shù)平滑方法對電場平均值進行預(yù)測，結(jié)合由電場瞬間變化得到的近距離是否已有閃電發(fā)生及其距離范圍的估計結(jié)果，給出距離該站0～5km和5～10km范圍內(nèi)發(fā)生閃電的概率分級(如圖2)。

(3)運用雷電防御非工程性防御措施理念和技術(shù)，尋找非工程性防御措施和工程性防御措施的結(jié)合點，重點解決監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等三大技術(shù)支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，研究適應(yīng)高速公路沿線非工程性防御措施相關(guān)技術(shù)、方法、管理系統(tǒng)。

(4)建立杭金衢高速公路雷電災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)，提升雷災(zāi)后應(yīng)急處理能力。依據(jù)杭金衢高速公路運行、服務(wù)、管理的特性，以及人員密集程度、設(shè)備設(shè)施集中程度和重要性，對不同區(qū)域雷電災(zāi)害危害性進行分析區(qū)分，建立雷電應(yīng)急響應(yīng)管理系統(tǒng);按雷電預(yù)警信號的強弱、持續(xù)時間等不同進行分類定級，并依據(jù)杭金衢高速運行、服務(wù)需求，該區(qū)域雷電災(zāi)害規(guī)律、危害性、重要性研究分析，制定具體的等級指標(biāo)體系;為確保雷電預(yù)警信號準(zhǔn)確、快捷、高效發(fā)布，分析杭金衢高速現(xiàn)有應(yīng)急預(yù)警發(fā)布模式的基礎(chǔ)上，通過點對點、顯示屏等多渠道發(fā)布形式，研究建立雷電預(yù)警信號自動、高效發(fā)布平臺;結(jié)合杭金衢高速公路各職能部門的職責(zé)分解，以及高速公路運行、服務(wù)的社會需求，研究建立杭金衢高速公路雷電災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案。以期達到雷電災(zāi)害發(fā)生前，采取各種應(yīng)對預(yù)防措施，各種預(yù)動作有效啟動。雷電災(zāi)害發(fā)生時，采取合適的應(yīng)急救援措施，使人員、財產(chǎn)損失減少到最小，各設(shè)施、設(shè)備最短時間內(nèi)恢復(fù)原狀，交通恢復(fù)正常狀態(tài)(如圖3)。

4　雷電監(jiān)測與預(yù)警應(yīng)用技術(shù)操作流程(圖4)

圖4　

5　結(jié)語

(1)高速公路雷電監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)由雷電監(jiān)測平臺、大氣電場監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、雷災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)緊密，可實現(xiàn)從信息采集，雷電的發(fā)展和移動趨勢判別，發(fā)布預(yù)警信息，實現(xiàn)雷災(zāi)應(yīng)急的組織與實施等形成完整統(tǒng)一體系。(2)引入非工程性雷電防御措施的理念，有效解決僅依靠傳統(tǒng)的工程性防御措施難以做到經(jīng)濟、有效的防御目的，可實現(xiàn)經(jīng)濟、社會效益的提升。(3)建成后的杭金衢高速公路雷電監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，可實現(xiàn)與氣象、專業(yè)防雷機構(gòu)并網(wǎng)運行。監(jiān)測與預(yù)警不僅可涵蓋金衢高速公路沿線及重點區(qū)域，還可擴展其上、下游的廣大地區(qū)，有效提升預(yù)警的時效和準(zhǔn)確率。(4)該應(yīng)用技術(shù)在有效降低高速公路改、擴建中防雷裝置的設(shè)計安裝成本，保障交通安全和運營能力的同時，還可派生出涉及運輸安全、營運管理、高速公路雷電災(zāi)害區(qū)劃等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

[1]Roeder W P, and Pinder C S. Lightning Forecasting Empirical Techniques for Central Florida in Support of America, s Space Program[C].In 16th Conference on Weather Analysis and Forecasting, 1998, 475-477.

[2]Smith S B. How Soon Can a Thunderst orm be Identified A Comparison of Satellite Observed Cloud-Top Cooling and the Onset of Cloud-to-Ground Lightning[C].In 18th Conference on Severe Local Storms,1996, 479-482.

[3]呂偉軍,張義軍,等.雷電臨近預(yù)警方法和系統(tǒng)研發(fā)[J].氣象,2009, 35(5):10-17.

[4]孟青.地面電場資料在雷電預(yù)警技術(shù)中的應(yīng)用[J].氣象,2005,31 (9):30-33.

[5]張其林,邵程遠,等.雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在青島地區(qū)試驗結(jié)果分析(國家自然科學(xué)基金項目40975002)[J].氣象科技,2010,38(5):594-598.

[6]高太長,黃子洋,張鵬,等.大氣電場資料與雷達回報融合的一種方法.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,7(3):302-306.

[7]鄭棟,張義軍,呂偉濤,等.大氣不穩(wěn)定度參數(shù)與閃電活動的預(yù)報[J].高原氣象,2005,24(2):198-203.