贵州雷电精细化预警服务系统

贵州雷电精细化预警服务系统

张弛1  吴安坤1  刘轩铭2  李迪1

1.贵州省气象灾害防御技术中心  贵州贵阳  550081

2.贵州省生态与农业气象中心  贵州贵阳 550000

摘要：贵州雷电精细化预警系统利用贵州雷电监测网络的大气电场和闪电定位资料，结合雷达资料、卫星云图资料，利用最新科学技术手段，研发基于多源资料融合分析雷电预报预警技术，形成网格为1km*1km，提前量1h、逐时6min的精细化雷电预警产品，对服务对象发布雷暴发生区域预警。基于网格化的二维、三维闪电定位数据实现对雷暴系统的识别、追踪，探索以雷电数据为基础的多源数据短临、潜势精细化定量预报应用及网格产品应用。智能化雷电预警服务平台根据建设要求实现预警校验功能，设置系统管理、决策用户（省级、市州级、县级）以及专业用户，提供面向对象——专业用户场景（点、线、面）雷电临近告警定制化服务。经检验，系统预警效果好，较大程度降低了雷电对企业运行、生命财产安全造成的潜在危害。

关键词：多元资料；雷电预警；定制化服务

中图分类号：P429

引言

贵州属典型的山区省份，特殊的地理环境和地形地貌，造成冷暖空气交汇活动频繁，天气复杂多变，频繁出现强雷暴单体和雷暴群，极易引发雷电天气过程[1]。随着贵州省经济的快速发展，对雷电业务服务的需求日趋丰富化、形式多元化，服务专业化，用户对雷电产品的需求不再是进行雷电实况的监测。因而，运用多种资料进行雷电的综合预警符合社会对雷电预警产品的需求。为实现对各类专业用户的精细化服务，满足各类行业用户的个性化需求，本研究基于现有雷达、卫星、大气电场、闪电监测资料等气象数据开展雷暴活动趋势预判，同时面向对象（OOT——Object Oriented Technology）的思路方法[2]实现精细化、个性化的雷电告警服务系统设计方案，为系统开发实现及开展专业化雷电监测预警服务奠定基础。

1.系统设计及技术关键

1.1数据资源整合及共享

数据接入模块主要是接入贵州多部C波段、S波段多普勒雷达网的业务化数据，天擎系统、贵州相关业务系统等里面的产品数据，包括雷达、大气电场、闪电定位数据、风云四号气象卫星数据等（表1），向预警算法提供数据输入源。基于Hadoop框架的大数据应用环境，通过配置方式的实现数据接入，并对雷电相关的数据进行资源整合和优化，实现雷电预警相关数据和产品的自动化采集和手动导入。

表1 天擎系统收集数据清单

1.2项目构建部署

贵州省智能精细化雷电预警服务平台实现雷电的数据管理实现数据的采集，包括贵州省雷达数据、大气电场数据和闪电数据等数据，加工和存储，以支撑算法中心和系统展示的数据来源；采用大数据、机器深度学习等技术，建立雷电预警模型，实现对雷暴系统的识别和预测，生成客观雷电预警产品，为客观雷电预警产品的稳定性提供保障，为项目雷电预警服务建设提供实时、准确的数据支撑；搭建算法中心，实现雷电相关模型算法的建立，实现雷电预警产品效果达到最优；系统展示以综合全面的展示手段方式，提供多种展示形式，总体构架如图1所示。

图1 智能精细化雷电预警服务平台系统总体架构图

2.预警模型介绍

2.1单一预警模型

构建多源资料的单一预警模型[3]，包括基于雷达资料的预警模型、基于大气电场资料的预警模型以及基于闪电资料的预警模型，通过输入不同的数据，并对数据进行预处理，用80%的数据作为训练集、20%的数据作为测试集，对各类模型进行训练和验证，最终实现利用不同资料进行单一雷电预警。

2.2综合预警模型

综合预警模型基于卷积convSLTM建立[4]，在模型建立过程中，使用雷达数据、大气电场数据、闪电数据、气象卫星等数据。综合预警模型的建立主要分为：CNN侦测模型数据预处理和convLSTM模型的计算，这一过程包括对综合预警模型的训练优化。最终可通过综合预警模型实现雷电预警及预警产品的生成。

3.系统实现

贵州省雷电精细化预警系统主要包括：实时观测、雷电预报、雷电追溯、用户管理等功能模块，系统功能如下图2：

图2 雷电精细化预警系统主要功能构架图

3.1实况观测

该模块展示包括实时闪电定位、大气电场、雷达产品、卫星云图产品、基础地面气象数据。以闪电定位为例，主要功能有：1.实时显示贵州省内发生闪电时间、定位、强度。2.保留一小时内的闪电发生情况，做基础统计并实时显示。3.可叠加雷达产品判断闪电发生是否合理。

3.2雷电预警

雷电预报主要是对不同种类的要素（雷达、闪电、大气电场）使用外推算法进行线性外推，得出落区和趋势[5]。能预测未来一小时内的雷暴运动趋势。雷电预报主要有：1.基于雷达、闪电、大气电场综合预测模型。2.基于雷达资料的观测模型。3.基于闪电资料的观测模型。4.基于大气电场资料的观测模型。

3.3用户管理

面向用户对象，采用点、线、面三种方式提供定制化预警服务配置，包括系统名称、logo等系统显示，用户类型，服务时间，预警模型选取等。

定制了三圈预警模式，同时，配以八象限的监测方式，将预警区分为24块区域，精准定位预警的落区配置定制化系统展示，落区最小分辨率为1km*1km。提供声光报警，报警提前量1h。逐时6min的精细化雷电预警产品，对服务对象发布雷暴发生区域预警，提供短信预警服务。

4预警效果检验

雷电监测预警检验主要实现单点预警检验、一次雷电过程检验以及系统整体预警检验，检验方法包括TS评分[6-7]（有效报警率）、有效预警率（命中率）、漏报率（失败率）、空报率（错误率）、雷电预警综合算法有效报警率、雷电预警服务产品发出警报时效百分比。

对《贵州省雷电精细化监测预警系统》中的单点场景进行全员收集自2022年3月14日18时至2022年6月30日23时发出短信预警信息共608条以及收集闪电发生地到距离单点30公里内三维闪电信息共4526条。选取2023年以来经纬度E 107.504，N 26.289、E109.2605556、N27.72361111，E107.969722、N 26.616944三个点进行有效报警率检验。结果如下：

单点1：共预警69次过程（包括二级预警34次、一级预警15次），首次预警发出后在0到60分钟内出现闪电48次，没出现21次，有效报警率为:69.57%；首次预警发出后在0到90分钟内出现闪电53次，没出现16次。有效报警率为:76.81%；首次预警发出后在60分钟到24小时内出现闪电68次，没出现1次，有效报警率为:98.55%。

单点2：共预警108次过程（包括二级预警44次、一级预警22次），首次预警发出后在0到60分钟内出现闪电79次，没出现29次，有效报警率为:73.15%；首次预警发出后在0到90分钟内出现闪电85次，没出现23次，有效报警率为:78.70%；首次预警发出后在60分钟到24小时出现闪电105次，没出现3次，有效报警率为:97.22%。

单点3：共预警55次过程（包括二级预警20次、一级预警8次），首次预警发出后在0到60分钟内出现闪电38次，没出现17次，有效报警率为:69.09%；首次预警发出后在0到90分钟内出现闪电40次，没出现15次，有效报警率为:72.73%；首次预警发出后在60分钟到24小时内出现闪电49次，没出现6次，有效报警率为:89.09%。

《贵州省雷电精细化监测预警系统》雷电预警提前时间达到了60分钟。雷电平均有效报警率不低于80%。通过对单点预警电话1360***5546发出的短信预警信息进行检验得出雷电平均有效报警率为81.25%。

三个点分三种组合检验，总体结果如下：预警后0-60分钟出现闪电，只有单点2为有效报警率73.15%，预警后0-90分钟出现闪电，有效报警率均满足大于70%；预警后60分钟到24小时出现闪电，有效报警率均为94.95%。

5结论

该系统目前已上线运行，服务煤矿、景区、危化企业等百家单位。根据企业特征，制定针对性的预警模型，通过客户端、手机短信方式快速发送精准预警信息，较大程度降低了雷电对企业运行、生命财产安全造成的潜在危害。

参考文献

[1]吴安坤,吴仕军,丁旻等.基于LSTM循环神经网络的雷电潜势预测[J].中国安全科学学报,2023,33(08):117-124.DOI:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2023.08.1529.

[2]曹志建,邵莉丽,甘文强等.贵州省雷电活动规律初步分析[J].贵州气象,2010,34(S1):120-121.

[3]刘智,董世都,张金荣等.结构化与面向对象分析设计方法研究[J].现代信息科技,2021,5(15):1-4.DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.15.001.

[4]吴子珉. 雷电临近预警系统的设计与实现[D].南京信息工程大学,2023.DOI:10.27248/d.cnki.gnjqc.2023.001729.

[5]庞华基,张源源,宋琳.融合多种实时监测数据的雷电预警模型[J].中国安全科学学报,2019,29(6):165-170.

[6]符传博,林建兴,唐家翔等.海口市臭氧浓度统计预报模型的构建与效果评估[J/OL].环境科学:1-14[2023-12-06].https://doi.org/10.13227/j.hjkx.202306035.

[7]徐志,翟然,谭伟丽等. 长江流域再分析降水数据的精度评估[C]//河海大学,珠江水利委员会珠江水利科学研究院,中国疏浚协会,广东省水利水电科学研究院,广东省水利学会.2023（第十一届）中国水生态大会论文集.

作者简介：张弛（1990—），男，彝族，硕士，工程师，从事雷电科学与防护技术研究工作。