雷电灾害数据可视化分析系统研制

随着社会和经济的发展,雷电灾害造成的经济损失和社会影响越来越大.为了研究雷电灾害发生、发展规律和分布特征,实现相关数据可视化分析,通过基于GIS和ActiveX自动化技术的等值线绘制技术、基于数据库的闪电密度图和极性图绘制策略、基于自绘图层的多普勒雷达图快速绘制方法和基于GIS的闪电数据与雷达回波数据叠加等多种技术手段,研制了雷电灾害数据可视化分析系统VASLDD(Visualized Analysis System of Lightning Disaster Data).该系统使用图表、GIS专题图、等值线、密度图等多种方式,实现雷灾调查数据、雷暴日数据、雷达数据、闪电定位数据的可视化分析,为防雷部门业务和科研工作提供有力的技术支撑.     

多普勒天气雷达与雷电预警关系研究

选取湖南省长沙站的多普勒雷达资料,根据闪电定位仪数据对发生闪电和未发生闪电的雷暴单体的雷达回波资料进行对比分析验证,给出雷达回波顶高和VIL的雷电预警指标,并结合雷暴单体的速度场信息,提前0-30 min做出雷电预警,对该地区的雷电预警提供一定的技术支持。     

一次夏季雷暴天气过程中闪电活动特征分析

利用探空资料、多普勒天气雷达和闪电定位仪数据,分析了2009年7月30日发生在南京地区一次雷暴天气过程的雷达及闪电数据时空演变特征。结果表明：对流有效位能Ecap比起K指数（IK）等对于对流潜势预报具有更明显的指示作用,0 ℃层和-10 ℃层高度的降低有利于雷暴云的雷电活动;整个过程以负闪为主导,闪电强度越大,闪电频数也越高,每次闪电峰值后,都对应一次谷值;闪电数据与多普勒天气雷达回波叠加后分析发现,回波的生消演变对应着闪电频数和强度的生消演变,负闪主要落在强回波中心区域,正闪零星分布于回波强度梯度较大的区域;雷达径向速度图像特征变化更能揭示闪电发生发展的机制,逆风区对应雷暴中心区域,不仅是强降水的中心区也是闪电的中心区,对逆风区的识别监测能够更好的指导雷暴预警报工作;利用雷达数据计算的云底动能施力参量,能够很好的描述支持闪电起电的热动力特征,云底动能施力对雷电增长的贡献有一段持续传输过程,该参量峰值比频闪峰值和强度峰值都约有0.5 h的提前量。     

雷电信息处理及产品制作与发布系统

雷电信息资料在科研和实际应用中具有非常重要的作用,如雷电灾害的区域划分、雷电灾害评估和雷电的预警预报等.各地方对相关的雷电信息资料使用还处于起步阶段,从使用情况看离实际业务需要还有明显的距离.为了充分利用大量雷电业务相关数据为防雷科技服务,使用Delphi 7.0作为开发工具,Firebird作为后台数据库,研制了基于TatukGIS和Google map的雷电信息处理及产品制作与发布系统.该系统采用图表、密度图、GIS专题图等多种方式,实现了闪电定位数据的实时显示、历史数据查询以及闪电密度[图绘制;根据人工观测雷暴日资料更新雷暴日数据库,可分析雷暴时空分布特征、气候倾向率等;实时接收大气电场仪数据,并可实现图形显示和详细数据列表查看;实现雷灾数据实时上报并同时入库,可对雷灾数据按行业、损失等进行专题图制作,并叠加于GIS地图之上;地图显示各防雷检测单位,可查看详细信息和检测报告;同时实现了基于雷电信息统计分析结果的雷电业务产品的制作与发布,为防雷业务和科研工作提供可靠的技术支撑.     

一次致灾雷暴过程的闪电雷达回波特征分析

利用雷电监测预警网、多普勒雷达、区域自动站降水同步资料,对2009年7月6日发生在秦皇岛市的一次大面积致灾雷电、暴雨天气,进行了详细分析.结果表明:本次致灾雷电过程以负地闪为主,闪电出现频率最大为712次/h.闪电放电轨迹分布特征呈西北—东南分布,由北向南移动,闪电出现频率最大时,每小时降水量超过100 mm,闪电发生...     

闪电定位数据替代雷暴日人工观测初探

以深圳市为例,对近10 a闪电定位、人工观测雷暴日、天气雷达及探空资料进行分析,探讨闪电定位数据替代雷暴日人工观测的合理性和可行性。结果表明:(1)闪电定位数据与雷达回波具有较好的一致性,可用于替代雷暴日的人工观测。(2)基于最小二乘法,得到闪电定位数据与人工观测雷暴日最优匹配的半径范围为9. 24 km,在该半径范围内,闪电定位得到的雷电日与人工观测雷暴日的年平均误差2. 8 d,平均误差率4. 3%。通过雷暴日和闪电定位数据之间的比例关系分析,发现两种观测数据的一致性较好。(3)雷暴日和雷电日的环流形势和天气系统基本相同,两种天气条件下温、湿廓线的相关系数均为0. 99,且具有基本一致的环境物理条件。人工观测雷暴日和基于闪电定位得到的雷电日随闪电定位取值半径的变化特征及其二者关系的分析表明,闪电定位数据替代人工观测雷暴日的方法和结果具有较好的合理性。     

雷电探测网资料的应用与管理维护

运用雷电定位资料,结合雷达、卫星、探空和中尺度数值预报、对流参数等模式,研究闪电定位探测数据的综合应用技术与管理维护.     

一次暖云强降水主导的对流单体闪电活动特征

利用中国气象局雷电野外科学试验基地(CMA_FEBLS)三维闪电观测数据,结合广州双偏振雷达观测数据,分析了2017年5月7日广东一次暖云强降水对流单体的闪电活动及其与云降水结构的关系。该单体在4 h内产生1250个闪电,地闪比例约24%。绝大多数闪电出现在4~12 km高度,对应温度层为0℃至-40℃;闪电放电活动的峰值高度出现在8.5 km,对应环境温度约-19℃。分析的强降水单体宏观上呈现上正、中负、下正的三极性电荷结构,中部负电荷核心区约为-8℃至-15℃。在闪电活动区域中,由干雪粒子主导区域占比约82%,霰粒子主导区域占比约11%,且大部分与闪电活动关联的霰粒子主要位于4~8 km高度。总闪频数与30 dBZ雷达回波顶高、-20℃温度层上大于20 dBZ的回波体积具有较好的相关性。闪电活动的平均位置高度与20 dBZ雷达回波顶高和-20℃温度层上大于30 dBZ的回波体积具有较好的相关关系。闪电活动与最大降水强度之间具有较好的时序对应关系,单个闪电表征降水量的值为107 kg/fl量级。     

闪电定位密度数据泰森多边形优化方法

从识别、修订闪电定位监测数据异常值、提高闪电定位监测产品准确度的目的出发,以闪电定位栅格密度图为研究对象,结合人工观测雷电日数据及国内外对小电流幅值闪电数据剔除的研究成果,引入泰森多边形、数据分布假设检验、异常值(五数概括)处理算法等模型,建立了可用于判别和优化闪电定位监测数据栅格密度异常值的方法,以福建省为例,对该方法进行了实例应用。结果表明,在福建省西、北部区域,闪电定位监测数据存在一定探测误差或数据丢失的情况,并使用人工观测雷电日数据对这些异常值所在的区域进行了修订,该方法适用于闪电定位仪覆盖数量较少区域的闪电定位监测数据异常值识别与优化应用。     

闪电位置图形处理系统

本系统与LLP公司出品的闪电位置分析仪连为一体,可以实现闪电资料实时处理、显示地闪位置和自动整理、记录闪电数据,定时或实时向用户传送闪电数据,并能以不同的地理图为背景及时反映闪电活动演变规律及移动路径,显示雷电图直观形象。也可实现闪电资料的格式化处理及向用户提供接口,为研究、统计、分析雷电资料提供了方便。新研制的系统与原系统一起组成了一个完整的雷电观测网络,扩大了其应用功能,提高了应用效益。     

一次强雷暴天气与大气环境场的关系分析

雷电是电荷聚集到一定程度的放电现象,当雷暴云中电荷累积,在地面附近大气就会有相应的感应电场,因此通过大气电场脉冲波形变化,结合雷达回波资料,可以判断雷暴云的发展阶段。本文分析了2010年8月11~12日陕西省有闪电定位监测网络以来最强的一次雷电天气过程。该过程全省范围内共发生闪电23 570次,8月11日单日闪电14 470次,整个过程以负闪为主,闪电频数高,同时伴随强降水发生。分析发现,此次强雷电天气过程与大气环境场具有以下对应关系:强雷电的发生与西太平洋副热带高压强盛控制陕西大部分地区且呈东西带状分布、西风槽东移南压关系密切;另外还与潜在对流性稳定度指数、抬升指数、能量场和位势稳定度具有较好的相关性;高雷电密度区域与区域性暴雨的强降水落区有一定的对应关系,但强雷电往往先于强降水出现,雨量最大区域与雷电强度最大区域并不对应。     

大气电场仪在雷电预警中的应用

为了提高雷电预警和雷电防护技术服务,有效地探测雷电的发生、发展,利用大气电场仪,实时获取雷电的发生、发展观测数据,结合雷达、闪电定位、卫星等其他观测资料,追踪出雷电的移动轨迹和电场强度变化,按指数趋势对未来趋势进行系统分析,形成特定区域的雷电短时预警,避免和减轻雷电可能造成的灾害和损失。      

跨座式单轨交通沿线雷电活动规律与易闪性分析

采用线路走廊法,利用重庆市2006～2008年ADTD地闪监测资料,通过对重庆市跨座式单轨交通2号线的雷电活动规律(闪电次数、雷电日、地闪密度、雷电流幅值分布和闪电落区分布)统计分析,进行了相应的易闪性分析.结果发现跨座式单轨交通2号线临江门至佛图关车站区间段是发生临界危险雷电流概率、雷击大地年平均密度较大和雷电落区距离各站点及区间平均距离较小的重叠区域,该线易受雷击,是雷电防护重点区域.该区间段处于沿江位置,地形较为陡峭,易导致局地强对流性天气,理论分析与实际情况一致.     

珠澳气象雷达机房雷击电磁屏蔽设计刍议

通过广东闪电定位网1999-2012数据库,统计得到矫顶山雷达站3 km范围内的平均地闪密度和雷电流强度分布情况.以统计得到的雷电参数作为设计技术参数,对珠海气象雷达站遭受雷击时,所产生的电磁场强度进行了计算和危害分析.根据计算结果,提出解决雷达机房雷电屏蔽防护的方法：设计具体的雷达机房的屏蔽网格和安全距离,气象雷达在恶劣闪电天气下正常运作,为珠海市的天气探测能力建设做出贡献.     

雷电预警中的风暴参数研究

目前,国内大多城市陆续建设了大气电场仪,旨在提前开展雷电预警,但基于大气电场仪开展雷电预警的虚警率始终较高。该文基于闪电定位仪和雷达风暴产品,提取了雷电发生时的风暴参数,即发生闪电的雷电预警指标需同时满足风暴中心强度在40d Bz以上、中心高度在3 km以上、回波顶高在4.5 km以上,在此基础上再与大气电场仪预警阈值结合,在降低雷电预警虚警率的基础上,实现了雷电预警时间的提前,为闪电定位、雷达、大气电场仪数据在雷电预警中的研究提供一定的应用参考。     

广西雷电监测预警服务系统的设计与应用

基于B/S架构设计开发了广西雷电监测预警服务系统,系统将大气电场、闪电、雷达产品和雷灾等气象数据存储在自建的雷电信息数据库,具有雷电信息查询统计、雷暴过程实时监测、预警产品制作展示、预警信息发布、雷灾分析、雷电报文制作等功能,实现了广西雷电监测预警服务一体化的目标。     

多普勒天气雷达雷电预警的软件开发

利用网络共享资料库,直接读取雷达回波T扫资料并自动分析判别。计算出可能出现雷电的区域,由GSM短信自动实施雷电预警。运用面向对象的方法进行软件开发,根据易于计算机自动化程序设计的需要,共筛选出12个因子来判别雷达回波的性质。实现了雷电预警的自动化,可用于没有闪电定位仪、大气电场仪等情况下的雷电预警服务。     

雷电资料分析处理系统的设计与应用

为了充分发挥雷电资料的作用,解决资料的质量问题,建立雷电综合数据库及其资料分析处理加工平台。基于JavaScript的WebGIS框架和CIMISS数据库,设计开发了具有数据处理和质量控制、分析和应用功能的雷电资料分析处理系统,建立了以闪电、大气电场、雷暴日和雷击灾害数据为主要内容的雷电信息数据库。该系统能够实时监测卫星、雷达、闪电、大气电场等多种探测信息,开展雷电数据的质量控制,回演、动态播放历史信息,具有信息查询统计、分析绘制曲线、制作雷电报告等多项功能,为防雷业务、科研和服务工作提供方便、高效的应用工具和技术平台。以2015年6月1—2日湖北监利县的一次强雷电天气过程为例,通过对这次雷电过程的应用实践表明:雷电资料分析处理系统闪电监测准确,图表绘制快速,统计分析结果适用,能够满足防雷业务及科研工作的需要,为高效开展雷电灾害防御和服务提供了高效的基础性平台。     

利用快电场变化脉冲定位进行云闪初始放电过程的研究

利用高时间精度GPS同步的雷电快天线电场变化测量仪等设备,在2004年夏季对甘肃中川地区雷暴的闪电放电特征进行了7站同步观测.在此基础上,发展了一种基于到达时间差的快天线电场变化脉冲定位方法,对8月20日一次强雷暴过程的5次云闪初始阶段产牛的快天线电场变化脉冲进行了三维定佗分析.结果表明:基于辐射源到达不同测站的时间差,能够对云闪产生的辐射源进行较好的定位,闪电的放电区域与雷暴的不同发展阶段密切相关.在雷暴发展的比较旺盛阶段,闪电的放电区域相对较高,对应的离地高度为3.3-6.4 km(此时对应的雷达回波顶高约9 km,回波强度在35 dBz以卜的回波顶高约7 km);在雷暴处于减弱和消敞阶段,闪电的放电高度降低,所分析的该阶段的其中1个云闪对应的离地高度为1.1-3.0 km(此时对应的雷达回波顶高约6 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约3 km).与雷达同波的对比分析发现,云闪初始阶段的辐射脉冲源位置与强回波区具有较好的空间一致性,辐射脉冲源位置分别与25-50 dBz的回波区域相对成.这不仅在一定程度上表明了定化结果的可靠性,而且说明利用快天线电场变化测量仪组网观测对闪电进行定位跟踪有可能反映雷暴强中心的发展变化过程,同时也表明了利用快天线电场变化测量仪组网观测在强对流的监测和预臀中有一定的应用潜力.另外,定位误差的模拟试验表明,当雷电距观测网络较近时,定位误差较小,雷电距观测网络中心越远,定位误差越大.5次云闪的实际定他误差对比表明,模拟试验的定位结果在很大程度上能够有效地反映实际定位误差.这说明了该定位系统对位于探测网络上空或附近的雷电可以进行云内放电过程的较好的三维定位.     

基于卷积神经网络的雷电临近预警模型

从研究人工智能雷电临近预警模型的目的出发,以卷积神经网络模型为基础,结合多个时间序列的雷达产品(组合反射率、液态水含量、回波顶高)与闪电数据,对雷电临近预报方法进行基于卷积神经网络结构的应用,以福建省2017—2018年雷达、闪电数据为样本完成了模型的训练与预测研究。训练结果显示,15~30 min模型训练样本测试集准确率为0.7985;选取福建省2019年20个雷电过程验证分析表明,15~30 min模型对动力抬升型雷电过程预警TS评分为0.716,夏季局地热雷暴预警TS评分为0.694,与常规采用雷达、闪电阈值控制的雷电预警算法相比,准确率有一定的提高,具有一定的实践意义。