精細(xì)化雷電預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

2021-11-20 · 閱讀329

引言

在高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì),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(yán)重,因此對雷電預(yù)警預(yù)報(bào)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(shí)現(xiàn)高精度雷電預(yù)警,是進(jìn)--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(shí)美國于20世紀(jì)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(jì)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(xué)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(dá)、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(bào)產(chǎn)品和雷暴云起電、放電模式,結(jié)合區(qū)域識(shí)別、跟蹤和外推算法與決策樹算法,能自動(dòng)生成雷電活動(dòng)潛勢預(yù)報(bào)以及雷電發(fā)生概率、雷電活動(dòng)區(qū)域移動(dòng)趨勢和重點(diǎn)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(jìn)行業(yè)務(wù)推廣和運(yùn)行試驗(yàn),在多個(gè)省市氣象臺(tái)投人業(yè)務(wù)運(yùn)行。

梁巧倩林良勛在2008年根據(jù)雷電發(fā)生的天氣學(xué)分型和完全預(yù)報(bào)方法研究出了一種廣州地區(qū)雷電短期潛勢預(yù)報(bào)方案，對于雷電潛勢預(yù)報(bào)具有一-定參考價(jià)值;馬月枝等叫利用常規(guī)和區(qū)域自動(dòng)站觀測資料、衛(wèi)星和多普勒雷達(dá)監(jiān)測產(chǎn)品及NCEP再分析資料,對2014年7月14 日新鄉(xiāng)強(qiáng)對流過程進(jìn)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(shí)間分布特征和背景場特征進(jìn)行了分析;方標(biāo)等呵利用貴州省銅仁市新一代多普勒天氣雷達(dá)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(dòng)與雷達(dá)回波單體之間的相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;張其林等結(jié)合2008年北京奧運(yùn)科技項(xiàng)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(jìn)行發(fā)布以外,對與雷電相關(guān)的各種數(shù)據(jù)均進(jìn)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(jí)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(dá)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(dòng)端雷電預(yù)警系統(tǒng);王金蓮等[19結(jié)合黃山風(fēng)景區(qū)旅游氣象災(zāi)害的特點(diǎn)，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(shí)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(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)的研發(fā)。各個(gè)功能部分使用COM技術(shù),將應(yīng)用封裝在一個(gè)或幾個(gè)COM組件中,通過表現(xiàn)層向外提供服務(wù)。從而使代碼實(shí)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(kuò)展性;系統(tǒng)在功能表現(xiàn).上實(shí)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(jí)組件的功能。系統(tǒng)選用NET.Framework和C++平臺(tái)開發(fā),開發(fā)遵循相應(yīng)框架及標(biāo)準(zhǔn);支持當(dāng)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(biāo)準(zhǔn);支持當(dāng)前主流的MeteoGIS、ArcGIS軟件，支持OpenGL圖形庫。嚴(yán)格遵循國家及氣象部門信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照中國氣象局頒布的數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)部分設(shè)計(jì)需滿足《全國氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)》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(chǔ)管理負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)一管理，為西寧精細(xì)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(dá)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(shí)現(xiàn)功能

西寧雷電精細(xì)化預(yù)警系統(tǒng)主要包括:數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)管理

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)管理對雷達(dá)、探空、雨量、閃電、電場儀等各類數(shù)據(jù)資料信息進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理與存儲(chǔ)管理，為西寧精細(xì)化雷電預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),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(chǔ)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(dòng)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(shí)現(xiàn)雷達(dá)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(shí)時(shí)顯示功能。雷達(dá)資料顯示主要包括SA/SB/SC/CB/CC/CD等多種多普勒雷達(dá)的體掃基數(shù)據(jù)(上傳壓縮bz2、原始05V/36A、原始?jí)嚎srar/zip、 原始bin等文件格式)，同時(shí)可方便瀏覽不同仰角的回波強(qiáng)度和回波速度,實(shí)現(xiàn)了PPI、CAPPI、VIL、CR、ET、任意截面的VCR計(jì)算顯示;L波段探空數(shù)據(jù)顯示，包括了采樣時(shí)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(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)和區(qū)域自動(dòng)站CIMISS提供的實(shí)時(shí)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(shí)間、經(jīng)度、緯度、電流強(qiáng)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(shí)可使用電場儀時(shí)間一強(qiáng)度分析工具，顯示電場儀時(shí)間一強(qiáng)度曲線圖。

(3)綜合交互分析

綜合交互分析主要包括雷達(dá)、雨量和L波段探空資料的空間和時(shí)序分析,閃電區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析。雷達(dá)空間剖面分析主要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品的垂直剖面圖顯示，顯示出各方位的RHI圖像信息,實(shí)現(xiàn)雨量的垂直剖面,找到目標(biāo)區(qū)最近的雨量信息;雷達(dá)時(shí)間序列分析主要使用雷達(dá)基數(shù)據(jù)和時(shí)間序列分析工具,分析指定時(shí)間段內(nèi)的雷達(dá)垂直剖面時(shí)間序列信息得以實(shí)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(diǎn)雨量統(tǒng)計(jì)信息,輔助雷電預(yù)警;雨量時(shí)間序列分析是使用雨量數(shù)據(jù)和時(shí)間序列分析工具,分析指定時(shí)間段內(nèi)的雨量時(shí)間序列信息;L波段探空空間分析是通過計(jì)算不同L波段探空站點(diǎn)的特項(xiàng)層高度(0度、-10度、-20度、-40度)、云頂高度、云底高度和云量,計(jì)算繪制溫度、露點(diǎn)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(diǎn)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(shí)間序列分析是根據(jù)用戶指定位置和時(shí)間范圍的L波段探空資料時(shí)間序列分析，計(jì)算不同時(shí)間點(diǎn)的特頂層高度(0度、-10度、-20度、-40度)、云項(xiàng)高度、云底高度和云量,計(jì)算繪制溫度、露點(diǎn)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(jì)分析是統(tǒng)計(jì)交互繪制區(qū)域的時(shí)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(jìn)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(tái)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(huì)有大幅度的快變抖動(dòng)。因此,針對單臺(tái)大氣電場儀在閃電監(jiān)測方面的不足,將大氣電場測量進(jìn)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(dòng),不同的大氣電場儀監(jiān)測到的電場變化時(shí)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(shí)間先后,可以估計(jì)出雷暴云移動(dòng)位置的變化和移動(dòng)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(shí)間- -頻數(shù)分析圖,可以統(tǒng)計(jì)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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