精細化雷電預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)方法

2021-11-20 · 閱讀347

引言

在高速發(fā)展的現(xiàn)代社會,雷電災(zāi)害對公眾的影響越來越大,造成的損失也越來越嚴重,因此對雷電預(yù)警預(yù)報的需求越來越迫切。林松良等指出在建立區(qū)域性閃電定位、監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高精度雷電預(yù)警,是進--步完善城市氣象服務(wù)體系和雷電災(zāi)害綜合防御體系的有效手段。目前，美國、加拿大、巴西、法國、英國、新加坡、日本等均建立了雷電監(jiān)測定位網(wǎng)2-4。同時美國于20世紀七八十年代就建設(shè)了雷電預(yù)警系統(tǒng)，我國閃電定位技術(shù)從20世紀80年代末得到了迅速發(fā)展,氣象部門于2003年開始建設(shè)全國閃電監(jiān)測網(wǎng)59,青海省于2015年底完成了全省閃電監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)。中國氣象科學研究院近幾年也積極開展了雷電臨近預(yù)警方法的研究,并開發(fā)出了雷電臨近預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)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,能夠綜合利用雷達、衛(wèi)星、閃電監(jiān)測系統(tǒng)、地面電場儀和探空儀等觀測資料以及天氣形勢預(yù)報產(chǎn)品和雷暴云起電、放電模式,結(jié)合區(qū)域識別、跟蹤和外推算法與決策樹算法,能自動生成雷電活動潛勢預(yù)報以及雷電發(fā)生概率、雷電活動區(qū)域移動趨勢和重點區(qū)域雷電發(fā)生概率等臨近預(yù)警產(chǎn)品閘，并在全國氣象部門進行業(yè)務(wù)推廣和運行試驗,在多個省市氣象臺投人業(yè)務(wù)運行。

梁巧倩林良勛在2008年根據(jù)雷電發(fā)生的天氣學分型和完全預(yù)報方法研究出了一種廣州地區(qū)雷電短期潛勢預(yù)報方案，對于雷電潛勢預(yù)報具有一-定參考價值;馬月枝等叫利用常規(guī)和區(qū)域自動站觀測資料、衛(wèi)星和多普勒雷達監(jiān)測產(chǎn)品及NCEP再分析資料,對2014年7月14 日新鄉(xiāng)強對流過程進行了綜合分析;趙定池等利用2004~2009年常規(guī)地面觀測資料和探空資料，對拉薩地區(qū)夏季夜間雷暴的時間分布特征和背景場特征進行了分析;方標等呵利用貴州省銅仁市新一代多普勒天氣雷達資料和貴州省氣象局閃電定位儀資料，對黔東北2013~2015年5~8月對流性降雨過程中的雷電活動與雷達回波單體之間的相關(guān)性進行了統(tǒng)計分析;張其林等結(jié)合2008年北京奧運科技項目研發(fā)出了一套智能防雷雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)除了對雷電預(yù)警信息進行發(fā)布以外,對與雷電相關(guān)的各種數(shù)據(jù)均進行了質(zhì)量控制和模塊化處理,系統(tǒng)功能從局域網(wǎng)升級為寬帶網(wǎng)安裝,大大方便了不同用戶的需求;李向津等7針對農(nóng)村防雷減災(zāi)管理研發(fā)出了基于B/S架構(gòu)的農(nóng)村雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng);楊仲江、唐曉峰8利用大氣電場儀、閃電定位儀、雷達資料等開展了雷電預(yù)警系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了移動端雷電預(yù)警系統(tǒng);王金蓮等[19結(jié)合黃山風景區(qū)旅游氣象災(zāi)害的特點，構(gòu)建了景區(qū)旅游氣象災(zāi)害防御系統(tǒng)，并開展了黃山景區(qū)雷電預(yù)警

1系統(tǒng)實現(xiàn)方法

為了滿足功能多樣性和系統(tǒng)復(fù)雜性要求,系統(tǒng)采用CIS架構(gòu)、組件技術(shù)、插件機制進行系統(tǒng)的研發(fā)。各個功能部分使用COM技術(shù),將應(yīng)用封裝在一個或幾個COM組件中,通過表現(xiàn)層向外提供服務(wù)。從而使代碼實現(xiàn)了很大程度的復(fù)用,保證了系統(tǒng)廣泛的自適應(yīng)性和良好的可擴展性;系統(tǒng)在功能表現(xiàn).上實現(xiàn)了最大的靈活性和穩(wěn)定性。只要遵循插件的接口,系統(tǒng)可以加載新插件,升級組件的功能。系統(tǒng)選用NET.Framework和C++平臺開發(fā),開發(fā)遵循相應(yīng)框架及標準;支持當前主流數(shù)據(jù)庫接口ADO.Net 等，支持MySQL、SQLServer等主流數(shù)據(jù)庫;支持Web Service 、XML等通用技術(shù)標準;支持當前主流的MeteoGIS、ArcGIS軟件，支持OpenGL圖形庫。嚴格遵循國家及氣象部門信息化建設(shè)標準，嚴格按照中國氣象局頒布的數(shù)據(jù)庫標準和數(shù)據(jù)庫建設(shè)規(guī)范以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范。數(shù)據(jù)格式完全兼容MICAPS已有格式。數(shù)據(jù)傳輸和存儲部分設(shè)計需滿足《全國氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計》的相關(guān)要求。

1.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集存儲管理負責數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)一管理，為西寧精細化雷電預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括:基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)(地面觀測數(shù)據(jù)、探.空數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)等);雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)(閃電、電場儀等)。

1.2主要實現(xiàn)功能

西寧雷電精細化預(yù)警系統(tǒng)主要包括:數(shù)據(jù)采集存儲管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品顯示、綜合交互分析、雷電監(jiān)測、雷電預(yù)警和產(chǎn)品制作6個模塊,其總體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)數(shù)據(jù)采集存儲管理

數(shù)據(jù)采集存儲管理對雷達、探空、雨量、閃電、電場儀等各類數(shù)據(jù)資料信息進行數(shù)據(jù)收集、處理與存儲管理，為西寧精細化雷電預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。同時,完成對原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理(數(shù)據(jù)裁剪、數(shù)據(jù)拼接等)和數(shù)據(jù)收集監(jiān)控,將合格的數(shù)據(jù)存儲到在線數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集分自動采集和手工采集兩種方式。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品顯示

系統(tǒng)可實現(xiàn)雷達資料、L波段探空數(shù)據(jù)、地面雨量數(shù)據(jù)、閃電定位數(shù)據(jù)和電場儀數(shù)據(jù)的實時顯示功能。雷達資料顯示主要包括SA/SB/SC/CB/CC/CD等多種多普勒雷達的體掃基數(shù)據(jù)(上傳壓縮bz2、原始05V/36A、原始壓縮rar/zip、 原始bin等文件格式)，同時可方便瀏覽不同仰角的回波強度和回波速度,實現(xiàn)了PPI、CAPPI、VIL、CR、ET、任意截面的VCR計算顯示;L波段探空數(shù)據(jù)顯示，包括了采樣時間、氣溫、氣壓、濕度、仰角、方位、距離、經(jīng)度偏差和緯度偏差等內(nèi)容;地面雨量數(shù)據(jù)顯示主要為micaps格式的實時雨量數(shù)據(jù)和區(qū)域自動站CIMISS提供的實時雨量數(shù)據(jù);閃電定位數(shù)據(jù)顯示主要包括閃電的信息(定位、時間、經(jīng)度、緯度、電流強度);電場儀數(shù)據(jù)顯示主要為電場儀分布以及電場儀的5km、10km、15km、20km有效距離圈等信息,同時可使用電場儀時間一強度分析工具，顯示電場儀時間一強度曲線圖。

(3)綜合交互分析

綜合交互分析主要包括雷達、雨量和L波段探空資料的空間和時序分析,閃電區(qū)域統(tǒng)計分析。雷達空間剖面分析主要實現(xiàn)雷達產(chǎn)品的垂直剖面圖顯示，顯示出各方位的RHI圖像信息,實現(xiàn)雨量的垂直剖面,找到目標區(qū)最近的雨量信息;雷達時間序列分析主要使用雷達基數(shù)據(jù)和時間序列分析工具,分析指定時間段內(nèi)的雷達垂直剖面時間序列信息得以實現(xiàn);雨量空間剖面分析主要使用雨量數(shù)據(jù)主空間剖面分析工具,在劃定剖面基線位置分析顯示雨量數(shù)據(jù)的空間垂直剖面信息,獲得雨量站點雨量統(tǒng)計信息,輔助雷電預(yù)警;雨量時間序列分析是使用雨量數(shù)據(jù)和時間序列分析工具,分析指定時間段內(nèi)的雨量時間序列信息;L波段探空空間分析是通過計算不同L波段探空站點的特項層高度(0度、-10度、-20度、-40度)、云頂高度、云底高度和云量,計算繪制溫度、露點溫度、冰面相對濕度、水面相對濕度值與高度曲線圖等,按照L波段探空資料不同站點分別繪制各相關(guān)參數(shù)的空間分析圖,將分析結(jié)果輸出為圖片文件;L波段探空時間序列分析是根據(jù)用戶指定位置和時間范圍的L波段探空資料時間序列分析，計算不同時間點的特頂層高度(0度、-10度、-20度、-40度)、云項高度、云底高度和云量,計算繪制溫度、露點溫度、冰面相對濕度、水面相對濕.度值與高度曲線圖,將分析結(jié)果輸出為圖片文件;閃電區(qū)域統(tǒng)計分析是統(tǒng)計交互繪制區(qū)域的時間一閃電頻次、空間分布圖等,便于從宏觀的角度分析閃電分布特征。

(4)雷電監(jiān)測

雷電監(jiān)測主要通過結(jié)合大氣電場變化和閃電定位兩種手段進行閃電的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程監(jiān)測。電場儀監(jiān)測應(yīng)用主要通過多臺大氣電場儀聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，其主要原因是單站大氣電場儀的探測范圍只有20km,所以對20km以外發(fā)生的閃電,電場儀不會有大幅度的快變抖動。因此,針對單臺大氣電場儀在閃電監(jiān)測方面的不足,將大氣電場測量進行聯(lián)網(wǎng),大范圍監(jiān)測地面電場變化,形成監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地面電場的分布以及變化趨勢。并且隨著雷暴云的發(fā)生、發(fā)展和移動,不同的大氣電場儀監(jiān)測到的電場變化時間也是不相同的。根據(jù)不同大氣電場儀監(jiān)測到的電場變化的時間先后,可以估計出雷暴云移動位置的變化和移動路徑。閃電定位資料應(yīng)用是通過交互繪制分析區(qū)域(或選擇指定行政區(qū))內(nèi)閃電時間- -頻數(shù)分析圖,可以統(tǒng)計分析選定區(qū)域內(nèi)的閃電頻數(shù),從而判斷閃電的發(fā)生、發(fā)展和消亡等過程。

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