國內外雷電預警系統研究狀況
摘自：《提高雷電預警準確性的方法研究》
作者:李博琛、胡耀祖、黃建加、李柏林
摘要：
大氣電場(chǎng)監測是現代雷電監測中很重要的一部分。通過(guò)用大氣電場(chǎng)儀來(lái)測量大氣電場(chǎng)及其變化是現在主要的監測手段，根據測量得到的大氣電場(chǎng)變化曲線(xiàn)可以監測幾公里范圍內的雷暴活動(dòng)，可以對局部地區潛在的雷暴活動(dòng)及靜電電擊的危險性做出短期預報，發(fā)出雷電預警信息?，F有的磨機式大氣電場(chǎng)輻值預警方式也有較大的局限性，需長(cháng)期維護、其預警時(shí)間短、誤報率較高。近年來(lái)，有少數單位嘗試采用多站大氣電場(chǎng)儀聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行雷電預警，但數據一致性難題一直無(wú)法解決，同時(shí)還存在信息僅能在同一網(wǎng)段局域網(wǎng)內使用，數據不能及時(shí)共享，使得預警信息的發(fā)布不及時(shí)。
為此本文主要將提高固態(tài)大氣電場(chǎng)儀雷電預警準確性作為主要研究目標，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應用、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、計算雷云運動(dòng)軌跡、外部傳感器擬合數據等手段提高大氣電場(chǎng)儀在雷電預警功能上的準確性。通過(guò)以上手段結合兩年的實(shí)地數據采集和分析取得了一定的效果，為今后雷電預警的廣泛應用提供了有力的研究數據和應用基礎。
1雷電預警系統研究現狀
1.1國外研究現狀
目前，廣泛使用的雷電監測預警方式主要有雷電定位、大氣電場(chǎng)監測、衛星閃電監測、氣象雷達雷暴監測等。雷電定位就其定位原理可分為磁定向法、達到時(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布設多個(gè)雷電定位儀組成雷電定位系統，適應于大范圍的雷電監測，在氣象和電力部門(mén)應用較廣，這類(lèi)雷電定位系統適合大范圍雷電監測。大氣電場(chǎng)是一個(gè)非常重要的雷電參數，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到大氣擊穿電位梯度。據研究，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。當大氣電位梯度達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)監測是現代雷電監測中很重要的一部分。
目前，主要發(fā)達國家已基本上建立了雷電自動(dòng)監測網(wǎng)，用于大區域雷電監測預警業(yè)務(wù)，同時(shí)為雷電的防護及科學(xué)研究提供有用的信息。如美國、加拿大、法國、英國、日本等國家都相繼建成了閃電定位網(wǎng)，累積了豐富的雷電參量觀(guān)測資料，促進(jìn)了這些國家在雷電防護、短時(shí)天氣預報與服務(wù)、云物理和化學(xué)研究等領(lǐng)域的發(fā)展。
北美（美國、加拿大）約有187個(gè)測站組成的雷電監測站網(wǎng)。該雷電監測網(wǎng)還可以采用廣域網(wǎng)的定位工作方式，聯(lián)合法國、日本、巴西等國家和地區的雷電監測網(wǎng)，在互聯(lián)網(wǎng)上提供實(shí)時(shí)的全球雷電定位數據。
日本氣象協(xié)會(huì )從1995年開(kāi)始在關(guān)東地區啟動(dòng)了雷電監測系統，提供雷電實(shí)時(shí)監測及雷電信息服務(wù)。日本氣象協(xié)會(huì )利用法國公司生產(chǎn)的大氣電場(chǎng)儀進(jìn)行兩種雷電活動(dòng)適時(shí)預報：地閃預報和地閃的移動(dòng)、發(fā)展預報。
1.2國內研究現狀
我國雷電定位技術(shù)是從上世紀80年代末開(kāi)始發(fā)展起來(lái)，目前有幾百個(gè)雷電定位系統的監測站，主要由氣象、電力、民航和軍隊建設和使用，這些系統在雷電災害天氣監測、雷電防護等多方面得到廣泛應用。
中科院空間中心在美國閃電定位產(chǎn)品的基礎之上，設計了基于閃電監測定位的雷電監測預警系統，它以網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和電場(chǎng)數字化技術(shù)為基礎，實(shí)現了實(shí)時(shí)監測、閃電數據存儲等功能。
通過(guò)對國內外相關(guān)技術(shù)分析可知，目前氣象、民航、軍隊建立的雷電監測預警系統，主要是通過(guò)多普勒雷達和衛星等實(shí)現雷電監測，這類(lèi)系統適合大區域、大范圍的雷電監測預警。局部雷暴來(lái)得快、突發(fā)性強、危害大?，F在還沒(méi)有什么手段對短時(shí)雷暴在什么地點(diǎn)、什么時(shí)間發(fā)生進(jìn)行準確預報。這種局部雷暴對人員密集地區，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。大范圍雷電、雷暴云預警由多普勒雷達和衛星進(jìn)行，對于局部的雷電、雷暴云預警、預報處于空白階段。目前的局部雷暴預警是單點(diǎn)進(jìn)行，即獨立雷電預警裝置。以裝置為中心構成的測量半徑，測量雷暴云的電場(chǎng)強度信號，能夠給出本地測量半徑內是否發(fā)生雷電、雷暴預警，但不能給出雷暴將發(fā)生在測量半徑內的具體位置以及雷暴云的走向，預報精度受到限制。
此外，在地勢位于開(kāi)闊區域，重要設施暴露在外部，目前市場(chǎng)上的機械式雷暴預警裝置造價(jià)高，防水防塵、防腐等級較低，每年需要數次檢修，不能適應開(kāi)闊地及戶(hù)外長(cháng)期監測使用。
2固態(tài)大氣電場(chǎng)儀互聯(lián)網(wǎng)群組布局增強預警準確性
2.1互聯(lián)網(wǎng)群組布局增強預警準確性的意義
固態(tài)大氣電場(chǎng)儀將實(shí)時(shí)數據通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送到云平臺的數據中心，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 )將各預警點(diǎn)收集的數據建立離散分析、場(chǎng)值勻態(tài)分布分析、類(lèi)流體場(chǎng)值分析等多種數學(xué)模型進(jìn)行精密分析。從分析結果上就可以客觀(guān)的判斷一定范圍內部署的固態(tài)大氣電場(chǎng)儀是否存在干擾、設備一致性差異等失效因素，是整體的預警判斷更加精準。為了防止個(gè)別設備被干擾時(shí)，影響系統對雷電預警信息的準確性。創(chuàng )建設備集群的數量越多，對預警的準確性也就越高互聯(lián)網(wǎng)群組的固態(tài)大氣電場(chǎng)儀集群通過(guò)運算分析還可以將雷電發(fā)生推進(jìn)的方向通過(guò)趨勢演變進(jìn)行判斷，對雷云發(fā)生雷閃下一階段發(fā)生的可能性進(jìn)行概率和補償運算。預算結果參與到下一集群的預警預報當中，從而能大大增強預報的準確性。
《提高雷電預警準確性的方法研究》全文深入分析研究了以下內容，在此省略：
預警探頭群組布局模型分析
基于蜂窩網(wǎng)格的傳感器節點(diǎn)定義
基于蜂窩網(wǎng)格的傳感器節點(diǎn)部署
大氣穩態(tài)電場(chǎng)與動(dòng)態(tài)電場(chǎng)的分離
雷云大氣靜電場(chǎng)數學(xué)模型
電場(chǎng)強度的確定
靜電場(chǎng)的邊界條件
通過(guò)雷云運動(dòng)軌跡增強預警的準確性
雷云運動(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)儀運行效果
系統實(shí)際運行結果表明，通過(guò)報警信息和氣象資料的對比分析來(lái)看，無(wú)線(xiàn)傳輸蜂窩布局雷電預警系統可以對雷電活動(dòng)進(jìn)行有效預警，報警準確率高，從預警到閃電發(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(cháng)，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論壇——雷電物理和防雷新技術(shù)交流。
