國(guó)內(nèi)外雷電預(yù)警系統(tǒng)研究狀況
摘自：《提高雷電預(yù)警準(zhǔn)確性的方法研究》
作者:李博琛、胡耀祖、黃建加、李柏林
摘要：
大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代雷電監(jiān)測(cè)中很重要的一部分。通過(guò)用大氣電場(chǎng)儀來(lái)測(cè)量大氣電場(chǎng)及其變化是現(xiàn)在主要的監(jiān)測(cè)手段，根據(jù)測(cè)量得到的大氣電場(chǎng)變化曲線可以監(jiān)測(cè)幾公里范圍內(nèi)的雷暴活動(dòng)，可以對(duì)局部地區(qū)潛在的雷暴活動(dòng)及靜電電擊的危險(xiǎn)性做出短期預(yù)報(bào)，發(fā)出雷電預(yù)警信息?，F(xiàn)有的磨機(jī)式大氣電場(chǎng)輻值預(yù)警方式也有較大的局限性，需長(zhǎng)期維護(hù)、其預(yù)警時(shí)間短、誤報(bào)率較高。近年來(lái)，有少數(shù)單位嘗試采用多站大氣電場(chǎng)儀聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行雷電預(yù)警，但數(shù)據(jù)一致性難題一直無(wú)法解決，同時(shí)還存在信息僅能在同一網(wǎng)段局域網(wǎng)內(nèi)使用，數(shù)據(jù)不能及時(shí)共享，使得預(yù)警信息的發(fā)布不及時(shí)。
為此本文主要將提高固態(tài)大氣電場(chǎng)儀雷電預(yù)警準(zhǔn)確性作為主要研究目標(biāo)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、分離大氣靜電場(chǎng)和躍變電場(chǎng)、多點(diǎn)大氣電場(chǎng)儀群組、計(jì)算雷云運(yùn)動(dòng)軌跡、外部傳感器擬合數(shù)據(jù)等手段提高大氣電場(chǎng)儀在雷電預(yù)警功能上的準(zhǔn)確性。通過(guò)以上手段結(jié)合兩年的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集和分析取得了一定的效果，為今后雷電預(yù)警的廣泛應(yīng)用提供了有力的研究數(shù)據(jù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。
1雷電預(yù)警系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
目前，廣泛使用的雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警方式主要有雷電定位、大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星閃電監(jiān)測(cè)、氣象雷達(dá)雷暴監(jiān)測(cè)等。雷電定位就其定位原理可分為磁定向法、達(dá)到時(shí)間差法、時(shí)差定向混合法等，一般在幾百公里至上千公里的范圍內(nèi)布設(shè)多個(gè)雷電定位儀組成雷電定位系統(tǒng)，適應(yīng)于大范圍的雷電監(jiān)測(cè)，在氣象和電力部門(mén)應(yīng)用較廣，這類雷電定位系統(tǒng)適合大范圍雷電監(jiān)測(cè)。大氣電場(chǎng)是一個(gè)非常重要的雷電參數(shù)，雷電的發(fā)生總是與大氣電場(chǎng)密切相關(guān)的，要發(fā)生雷電，大氣中電位梯度需達(dá)到大氣擊穿電位梯度。據(jù)研究，近地面層干空氣的擊穿電位梯度約3×106V/m。在霧中，空氣擊穿電位梯度約106V/m。當(dāng)大氣電位梯度達(dá)到大氣的擊穿電位梯度時(shí)，將會(huì)有雷電的發(fā)生。因此，大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代雷電監(jiān)測(cè)中很重要的一部分。
目前，主要發(fā)達(dá)國(guó)家已基本上建立了雷電自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，用于大區(qū)域雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)，同時(shí)為雷電的防護(hù)及科學(xué)研究提供有用的信息。如美國(guó)、加拿大、法國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家都相繼建成了閃電定位網(wǎng)，累積了豐富的雷電參量觀測(cè)資料，促進(jìn)了這些國(guó)家在雷電防護(hù)、短時(shí)天氣預(yù)報(bào)與服務(wù)、云物理和化學(xué)研究等領(lǐng)域的發(fā)展。
北美（美國(guó)、加拿大）約有187個(gè)測(cè)站組成的雷電監(jiān)測(cè)站網(wǎng)。該雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)還可以采用廣域網(wǎng)的定位工作方式，聯(lián)合法國(guó)、日本、巴西等國(guó)家和地區(qū)的雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)，在互聯(lián)網(wǎng)上提供實(shí)時(shí)的全球雷電定位數(shù)據(jù)。
日本氣象協(xié)會(huì)從1995年開(kāi)始在關(guān)東地區(qū)啟動(dòng)了雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供雷電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及雷電信息服務(wù)。日本氣象協(xié)會(huì)利用法國(guó)公司生產(chǎn)的大氣電場(chǎng)儀進(jìn)行兩種雷電活動(dòng)適時(shí)預(yù)報(bào)：地閃預(yù)報(bào)和地閃的移動(dòng)、發(fā)展預(yù)報(bào)。
1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)雷電定位技術(shù)是從上世紀(jì)80年代末開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，目前有幾百個(gè)雷電定位系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)站，主要由氣象、電力、民航和軍隊(duì)建設(shè)和使用，這些系統(tǒng)在雷電災(zāi)害天氣監(jiān)測(cè)、雷電防護(hù)等多方面得到廣泛應(yīng)用。
中科院空間中心在美國(guó)閃電定位產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了基于閃電監(jiān)測(cè)定位的雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，它以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電場(chǎng)數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、閃電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)分析可知，目前氣象、民航、軍隊(duì)建立的雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，主要是通過(guò)多普勒雷達(dá)和衛(wèi)星等實(shí)現(xiàn)雷電監(jiān)測(cè)，這類系統(tǒng)適合大區(qū)域、大范圍的雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警。局部雷暴來(lái)得快、突發(fā)性強(qiáng)、危害大。現(xiàn)在還沒(méi)有什么手段對(duì)短時(shí)雷暴在什么地點(diǎn)、什么時(shí)間發(fā)生進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。這種局部雷暴對(duì)人員密集地區(qū)，特殊行業(yè)具有很大的危害，特別是易燃易爆場(chǎng)所更是十分危險(xiǎn)。大范圍雷電、雷暴云預(yù)警由多普勒雷達(dá)和衛(wèi)星進(jìn)行，對(duì)于局部的雷電、雷暴云預(yù)警、預(yù)報(bào)處于空白階段。目前的局部雷暴預(yù)警是單點(diǎn)進(jìn)行，即獨(dú)立雷電預(yù)警裝置。以裝置為中心構(gòu)成的測(cè)量半徑，測(cè)量雷暴云的電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，能夠給出本地測(cè)量半徑內(nèi)是否發(fā)生雷電、雷暴預(yù)警，但不能給出雷暴將發(fā)生在測(cè)量半徑內(nèi)的具體位置以及雷暴云的走向，預(yù)報(bào)精度受到限制。
此外，在地勢(shì)位于開(kāi)闊區(qū)域，重要設(shè)施暴露在外部，目前市場(chǎng)上的機(jī)械式雷暴預(yù)警裝置造價(jià)高，防水防塵、防腐等級(jí)較低，每年需要數(shù)次檢修，不能適應(yīng)開(kāi)闊地及戶外長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)使用。
2固態(tài)大氣電場(chǎng)儀互聯(lián)網(wǎng)群組布局增強(qiáng)預(yù)警準(zhǔn)確性
2.1互聯(lián)網(wǎng)群組布局增強(qiáng)預(yù)警準(zhǔn)確性的意義
固態(tài)大氣電場(chǎng)儀將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線方式發(fā)送到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心，與局域網(wǎng)或單點(diǎn)大氣電場(chǎng)儀不同的是，互聯(lián)網(wǎng)群組的固態(tài)大氣電場(chǎng)儀會(huì)將各預(yù)警點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)建立離散分析、場(chǎng)值勻態(tài)分布分析、類流體場(chǎng)值分析等多種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精密分析。從分析結(jié)果上就可以客觀的判斷一定范圍內(nèi)部署的固態(tài)大氣電場(chǎng)儀是否存在干擾、設(shè)備一致性差異等失效因素，是整體的預(yù)警判斷更加精準(zhǔn)。為了防止個(gè)別設(shè)備被干擾時(shí)，影響系統(tǒng)對(duì)雷電預(yù)警信息的準(zhǔn)確性。創(chuàng)建設(shè)備集群的數(shù)量越多，對(duì)預(yù)警的準(zhǔn)確性也就越高互聯(lián)網(wǎng)群組的固態(tài)大氣電場(chǎng)儀集群通過(guò)運(yùn)算分析還可以將雷電發(fā)生推進(jìn)的方向通過(guò)趨勢(shì)演變進(jìn)行判斷，對(duì)雷云發(fā)生雷閃下一階段發(fā)生的可能性進(jìn)行概率和補(bǔ)償運(yùn)算。預(yù)算結(jié)果參與到下一集群的預(yù)警預(yù)報(bào)當(dāng)中，從而能大大增強(qiáng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。
《提高雷電預(yù)警準(zhǔn)確性的方法研究》全文深入分析研究了以下內(nèi)容，在此省略：
預(yù)警探頭群組布局模型分析
基于蜂窩網(wǎng)格的傳感器節(jié)點(diǎn)定義
基于蜂窩網(wǎng)格的傳感器節(jié)點(diǎn)部署
大氣穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)與動(dòng)態(tài)電場(chǎng)的分離
雷云大氣靜電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型
電場(chǎng)強(qiáng)度的確定
靜電場(chǎng)的邊界條件
通過(guò)雷云運(yùn)動(dòng)軌跡增強(qiáng)預(yù)警的準(zhǔn)確性
雷云運(yùn)動(dòng)軌跡模型分析
輔助傳感器配合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)判斷雷云軌跡的應(yīng)用
空氣的濕度
風(fēng)速與風(fēng)向
雷電場(chǎng)三維傳感器模型
T30A固態(tài)群組式大氣電場(chǎng)儀運(yùn)行效果
系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，通過(guò)報(bào)警信息和氣象資料的對(duì)比分析來(lái)看，無(wú)線傳輸蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)可以對(duì)雷電活動(dòng)進(jìn)行有效預(yù)警，報(bào)警準(zhǔn)確率高，從預(yù)警到閃電發(fā)生時(shí)間間隔較短，避免了企業(yè)在閃電未發(fā)生前停止作業(yè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，為企業(yè)的安全生產(chǎn)換取了寶貴時(shí)間，有利于提高企業(yè)安全生產(chǎn)效率。
本文在第十三屆防雷減災(zāi)論壇——雷電物理和防雷新技術(shù)交流。
