国内外雷电预警系统研究状况

摘自：《提高雷电预警准确性的方法研究》

作者:李博琛、胡耀祖、黄建加、李柏林

摘要：

大气电场监测是现代雷电监测中很重要的一部分。通过用大气电场仪来测量大气电场及其变化是现在主要的监测手段，根据测量得到的大气电场变化曲线可以监测几公里范围内的雷暴活动，可以对局部地区潜在的雷暴活动及静电电击的危险性做出短期预报，发出雷电预警信息。现有的磨机式大气电场辐值预警方式也有较大的局限性，需长期维护、其预警时间短、误报率较高。近年来，有少数单位尝试采用多站大气电场仪联网进行雷电预警，但数据一致性难题一直无法解决，同时还存在信息仅能在同一网段局域网内使用，数据不能及时共享，使得预警信息的发布不及时。

为此本文主要将提高固态大气电场仪雷电预警准确性作为主要研究目标，通过互联网和物联网应用、分离大气静电场和跃变电场、多点大气电场仪群组、计算雷云运动轨迹、外部传感器拟合数据等手段提高大气电场仪在雷电预警功能上的准确性。通过以上手段结合两年的实地数据采集和分析取得了一定的效果，为今后雷电预警的广泛应用提供了有力的研究数据和应用基础。

1雷电预警系统研究现状

1.1国外研究现状

目前，广泛使用的雷电监测预警方式主要有雷电定位、大气电场监测、卫星闪电监测、气象雷达雷暴监测等。雷电定位就其定位原理可分为磁定向法、达到时间差法、时差定向混合法等，一般在几百公里至上千公里的范围内布设多个雷电定位仪组成雷电定位系统，适应于大范围的雷电监测，在气象和电力部门应用较广，这类雷电定位系统适合大范围雷电监测。大气电场是一个非常重要的雷电参数，雷电的发生总是与大气电场密切相关的，要发生雷电，大气中电位梯度需达到大气击穿电位梯度。据研究，近地面层干空气的击穿电位梯度约3×106V/m。在雾中，空气击穿电位梯度约106V/m。当大气电位梯度达到大气的击穿电位梯度时，将会有雷电的发生。因此，大气电场监测是现代雷电监测中很重要的一部分。

目前，主要发达国家已基本上建立了雷电自动监测网，用于大区域雷电监测预警业务，同时为雷电的防护及科学研究提供有用的信息。如美国、加拿大、法国、英国、日本等国家都相继建成了闪电定位网，累积了丰富的雷电参量观测资料，促进了这些国家在雷电防护、短时天气预报与服务、云物理和化学研究等领域的发展。

北美（美国、加拿大）约有187个测站组成的雷电监测站网。该雷电监测网还可以采用广域网的定位工作方式，联合法国、日本、巴西等国家和地区的雷电监测网，在互联网上提供实时的全球雷电定位数据。

日本气象协会从1995年开始在关东地区启动了雷电监测系统，提供雷电实时监测及雷电信息服务。日本气象协会利用法国公司生产的大气电场仪进行两种雷电活动适时预报：地闪预报和地闪的移动、发展预报。

1.2国内研究现状

我国雷电定位技术是从上世纪80年代末开始发展起来，目前有几百个雷电定位系统的监测站，主要由气象、电力、民航和军队建设和使用，这些系统在雷电灾害天气监测、雷电防护等多方面得到广泛应用。

中科院空间中心在美国闪电定位产品的基础之上，设计了基于闪电监测定位的雷电监测预警系统，它以网络技术和电场数字化技术为基础，实现了实时监测、闪电数据存储等功能。

通过对国内外相关技术分析可知，目前气象、民航、军队建立的雷电监测预警系统，主要是通过多普勒雷达和卫星等实现雷电监测，这类系统适合大区域、大范围的雷电监测预警。局部雷暴来得快、突发性强、危害大。现在还没有什么手段对短时雷暴在什么地点、什么时间发生进行准确预报。这种局部雷暴对人员密集地区，特殊行业具有很大的危害，特别是易燃易爆场所更是十分危险。大范围雷电、雷暴云预警由多普勒雷达和卫星进行，对于局部的雷电、雷暴云预警、预报处于空白阶段。目前的局部雷暴预警是单点进行，即独立雷电预警装置。以装置为中心构成的测量半径，测量雷暴云的电场强度信号，能够给出本地测量半径内是否发生雷电、雷暴预警，但不能给出雷暴将发生在测量半径内的具体位置以及雷暴云的走向，预报精度受到限制。

此外，在地势位于开阔区域，重要设施暴露在外部，目前市场上的机械式雷暴预警装置造价高，防水防尘、防腐等级较低，每年需要数次检修，不能适应开阔地及户外长期监测使用。

2固态大气电场仪互联网群组布局增强预警准确性

2.1互联网群组布局增强预警准确性的意义

固态大气电场仪将实时数据通过GPRS无线方式发送到云平台的数据中心，与局域网或单点大气电场仪不同的是，互联网群组的固态大气电场仪会将各预警点收集的数据建立离散分析、场值匀态分布分析、类流体场值分析等多种数学模型进行精密分析。从分析结果上就可以客观的判断一定范围内部署的固态大气电场仪是否存在干扰、设备一致性差异等失效因素，是整体的预警判断更加精准。为了防止个别设备被干扰时，影响系统对雷电预警信息的准确性。创建设备集群的数量越多，对预警的准确性也就越高互联网群组的固态大气电场仪集群通过运算分析还可以将雷电发生推进的方向通过趋势演变进行判断，对雷云发生雷闪下一阶段发生的可能性进行概率和补偿运算。预算结果参与到下一集群的预警预报当中，从而能大大增强预报的准确性。

《提高雷电预警准确性的方法研究》全文深入分析研究了以下内容，在此省略：

预警探头群组布局模型分析

基于蜂窝网格的传感器节点定义

基于蜂窝网格的传感器节点部署

大气稳态电场与动态电场的分离

雷云大气静电场数学模型

电场强度的确定

静电场的边界条件

通过雷云运动轨迹增强预警的准确性

雷云运动轨迹模型分析

辅助传感器配合物联网、互联网判断雷云轨迹的应用

空气的湿度

风速与风向

雷电场三维传感器模型

T30A固态群组式大气电场仪运行效果

系统实际运行结果表明，通过报警信息和气象资料的对比分析来看，无线传输蜂窝布局雷电预警系统可以对雷电活动进行有效预警，报警准确率高，从预警到闪电发生时间间隔较短，避免了企业在闪电未发生前停止作业时间过长，为企业的安全生产换取了宝贵时间，有利于提高企业安全生产效率。

本文在第十三届防雷减灾论坛——雷电物理和防雷新技术交流。