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(jì)損失和傷亡人數(shù)明顯增加，因此，如何科學(xué)設(shè)計(jì)和應(yīng)用雷電監(jiān)測(cè)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(wèn)題。以云南省為例，介紹了當(dāng)?shù)匾延欣纂姳O(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)的改進(jìn)方向。

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

中圖分類號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：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(xiǎn)程度和危害程度。為更好地保護(hù)人民的生命財(cái)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(cè)和預(yù)警能力，切實(shí)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用已成為防范雷電災(zāi)害的新措施，其設(shè)計(jì)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(jiàn)，探討雷電監(jiān)測(cè)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(duì)雷暴多發(fā)地區(qū)雷電災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警水平的提高具有積極的實(shí)踐意義。

1 雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)介紹

當(dāng)前，普洱雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)產(chǎn)品主要依靠云南省雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)及智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品，基于閃電監(jiān)測(cè)、多普勒天氣雷達(dá)、探空、地面觀測(cè)等數(shù)據(jù)資料，建立了雷電風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警閾值指標(biāo)，可通過(guò)電腦Web端和短信發(fā)布等渠道，使用戶及時(shí)接收到雷電監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能如下：

（1）雷電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。該功能可實(shí)現(xiàn)服務(wù)對(duì)象周圍10～50 km范圍內(nèi)閃電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的推送。用戶點(diǎn)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(qiáng)度及該閃電回?fù)酎c(diǎn)到服務(wù)對(duì)象中心點(diǎn)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(bào)功能?？商峁?2 h雷電潛勢(shì)預(yù)報(bào)（每3 h更新1次預(yù)報(bào)信息），可對(duì)服務(wù)對(duì)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(huì)呈紅色圓塊高亮閃爍顯示。

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

（4）信息反饋功能?；谠摴δ?，監(jiān)測(cè)技術(shù)人員可在雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，通過(guò)軟件界面中的“信息反饋”按鈕，進(jìn)行故障上報(bào)和在線咨詢，以便更好地保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。與此同時(shí)，用戶端可通過(guò)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(bào)，以此增強(qiáng)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

2 基于云南省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)下的普洱閃電情況概述

云南省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(qiáng)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(duì)監(jiān)測(cè)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(qiáng)度最大月份為10月，平均負(fù)地閃強(qiáng)度為-41 kA。平均正地閃強(qiáng)度最大月份為2月，平均正地閃強(qiáng)度為60 kA（圖3）?？傮w來(lái)說(shuō)，各月平均正地閃強(qiáng)度高于負(fù)地閃強(qiáng)度。

基于對(duì)全天地閃監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析：全天地閃高發(fā)時(shí)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(shí)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(qiáng)度最大時(shí)段為08：00～13：00，平

均地閃強(qiáng)度為44.2 kA。地閃強(qiáng)度最小時(shí)段為14：00

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

圖5" 地閃強(qiáng)度的日變化3 雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的存在需求

通過(guò)雷電監(jiān)測(cè)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(huì)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(shí)，存在很多依山而建的村落，一旦出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)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(duì)山腳村落居民的生命財(cái)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(dòng)與強(qiáng)對(duì)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(dòng)增多、日閃頻數(shù)增大時(shí)，容易出現(xiàn)雷暴天氣和強(qiáng)對(duì)流性暴雨。由此可見(jiàn)，在做好雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警工作至關(guān)重要，是保障全市居民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要舉措。

而雷電監(jiān)測(cè)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(shí)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，大幅度提高雷電災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，還能夠?yàn)閰^(qū)域雷電監(jiān)測(cè)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(jiàn)，對(duì)于雷電危害發(fā)生概率較高的地區(qū)，建立和運(yùn)用雷電監(jiān)測(cè)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(shí)意義。

4 用戶需求視角下雷電監(jiān)測(cè)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(qiáng)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程的科學(xué)性、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性及預(yù)警信息的權(quán)威性，需要與時(shí)俱進(jìn)，以現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)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(duì)已有雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和功能升級(jí)時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和參數(shù)設(shè)計(jì)符合《氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)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(xiǎn)場(chǎng)所雷電監(jiān)測(cè)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(shí)用效果，在進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，應(yīng)確保設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足以下要求：大氣電場(chǎng)探測(cè)半徑≥10 km、閃電定位探測(cè)半徑≥50 km、雷達(dá)回波信息≥100 km；閃電定位信息延時(shí)≤60 s、大氣電場(chǎng)信息延時(shí)≤10 s、雷達(dá)回波信息延時(shí)≤10 min；現(xiàn)場(chǎng)安裝的大氣電場(chǎng)儀，其探測(cè)精度誤差應(yīng)在±5%以內(nèi)且防護(hù)等級(jí)不低于IP65；系統(tǒng)雷電探測(cè)模塊的使用壽命應(yīng)≥3年；雷電預(yù)警提前時(shí)間對(duì)應(yīng)≥30min；雷電預(yù)警的虛警率應(yīng)≤30%且漏報(bào)率≤5%[2-5]。

4.1.3 優(yōu)化預(yù)警分級(jí)

為進(jìn)一步增強(qiáng)雷電預(yù)警的精準(zhǔn)性，在對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，可將預(yù)警信息分為三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。“一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”表示服務(wù)對(duì)象所在區(qū)域1 h內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)雷電活動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的雷電特征為：服務(wù)對(duì)象附近30～50 km區(qū)域監(jiān)測(cè)到閃電回?fù)酎c(diǎn)且大氣電場(chǎng)持續(xù)增強(qiáng)并出現(xiàn)波動(dòng)，服務(wù)對(duì)象周邊多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度≥30 dBz并表現(xiàn)出雷暴中心向服務(wù)對(duì)象方向移動(dòng)的趨勢(shì)。收到雷電一級(jí)預(yù)警信息后，服務(wù)對(duì)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(kāi)始的雷電敏感作業(yè)，但無(wú)需暫停或終止正在執(zhí)行的重要作業(yè)。

“二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”表示服務(wù)對(duì)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(dòng)[6]。其對(duì)應(yīng)的雷電特征為：服務(wù)對(duì)象附近10～30 km區(qū)域監(jiān)測(cè)到閃電回?fù)酎c(diǎn)且大氣電場(chǎng)持續(xù)增強(qiáng)并出現(xiàn)波動(dòng)，服務(wù)對(duì)象上空多普勒雷達(dá)回波強(qiáng)度≥30 dBz并表現(xiàn)出雷暴中心向服務(wù)對(duì)象持續(xù)接近。收到雷電二級(jí)預(yù)警信息后，服務(wù)對(duì)象需要做出暫停、終止、疏散或戒備類雷電防御動(dòng)作，可基于對(duì)雷電密度、雷電抵近速度、預(yù)估持續(xù)時(shí)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)”表示服務(wù)對(duì)象或邊界區(qū)域已經(jīng)發(fā)生雷擊現(xiàn)象。其對(duì)應(yīng)的雷電特征為：服務(wù)對(duì)象10 km范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)到閃電回?fù)酎c(diǎn)且大氣電場(chǎng)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。發(fā)出雷電三級(jí)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(dòng)作，在最短的時(shí)間發(fā)現(xiàn)和鎖定落雷點(diǎn)，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(jì)

基于對(duì)雷電特征和雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警工作需求的綜合考慮，其雷電監(jiān)測(cè)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(jì)，通過(guò)各種自定義組件在服務(wù)器端的信息交互實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)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(gè)層級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)層的核心任務(wù)是大氣電場(chǎng)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(cè)預(yù)警有關(guān)的各類數(shù)據(jù)信息的采集、處理和儲(chǔ)存。同時(shí)，依托CIMISS接口、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)接口等形式實(shí)現(xiàn)與其他層級(jí)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(shí)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(duì)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(cè)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(cè)預(yù)警信息并以預(yù)警產(chǎn)品形式儲(chǔ)存于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。

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(huì)基于Web GIS技術(shù)，通過(guò)格點(diǎn)圖、雷達(dá)圖的形式對(duì)雷電監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行整合，并以可視化、動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)查詢及定向分析、監(jiān)測(cè)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(yùn)用，在對(duì)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，應(yīng)從人性化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、智能化技術(shù)的融合運(yùn)用，豐富系統(tǒng)在人機(jī)交互、移動(dòng)端操控等方面的功能，從而進(jìn)一步增強(qiáng)雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)用性和便捷性。例如，可開(kāi)發(fā)“小程序”“微網(wǎng)頁(yè)”功能，使用戶能夠通過(guò)智能手機(jī)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(jī)交互能力，從而進(jìn)一步增強(qiáng)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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