廣州雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙琴，郝笑，錢嘉星，吳少峰

（1.廣州市氣象公共服務(wù)中心，廣東廣州 511430；2.廣州市氣象臺，廣東廣州 511430）

雷電是發(fā)生在自然大氣中的瞬間放電過程，會對人們的生命財(cái)產(chǎn)和自然環(huán)境造成重大影響。無論從造成的傷亡人數(shù)，還是財(cái)產(chǎn)損失來看，雷電災(zāi)害都已成為我國的主要自然災(zāi)害之一。廣東地處副熱帶地區(qū)，太陽輻射強(qiáng)，且常常出現(xiàn)旺盛的對流活動，因而產(chǎn)生的強(qiáng)烈雷擊事件會給廣東帶來更為巨大的經(jīng)濟(jì)損失和更嚴(yán)重的人員傷亡。廣州作為珠三角城市群的中心城市，城市化的發(fā)展導(dǎo)致雷電發(fā)生明顯增多，勢必帶來更大的經(jīng)濟(jì)、人員損失和社會危害。提高雷電的監(jiān)測和預(yù)報(bào)能力成為保護(hù)人民生命、財(cái)產(chǎn)安全的迫切需要［1-9］。因此，廣州市氣象局研究開發(fā)了雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺，旨在為預(yù)報(bào)員在雷電預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)方面提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 平臺介紹

廣州雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺以滿足社會公眾對雷電預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)需求為目的，以現(xiàn)有氣象數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ)，吸納其它相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資源，通過整合集成和圖形化處理，實(shí)現(xiàn)雷電監(jiān)測、預(yù)報(bào)分析和預(yù)警服務(wù)的功能，進(jìn)一步提升廣州的防災(zāi)減災(zāi)水平，平臺界面如圖1所示。

圖1 廣州雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺界面

平臺依托現(xiàn)有廣州市氣象局骨干網(wǎng)絡(luò)、高性能存儲系統(tǒng)和氣象大數(shù)據(jù)存儲平臺，以及廣州市政務(wù)云，根據(jù)數(shù)據(jù)處理-數(shù)據(jù)存儲-預(yù)報(bào)技術(shù)支撐-預(yù)報(bào)預(yù)警分析的技術(shù)路線進(jìn)行建設(shè)，包括雷電數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)技術(shù)支撐子系統(tǒng)、雷電監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)和雷電氣象服務(wù)子系統(tǒng)3部分。平臺采用C／S和B／S的混合架構(gòu)，其中雷電數(shù)據(jù)處理與預(yù)報(bào)技術(shù)支撐子系統(tǒng)采用C／S架構(gòu)，雷電監(jiān)測預(yù)警子系統(tǒng)和雷電氣象服務(wù)子系統(tǒng)采用B／S架構(gòu)，平臺整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 廣州雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要功能

1）閃電產(chǎn)品顯示。

WebGIS地圖上疊加顯示粵港澳、EN、電力局3套閃電的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)，鼠標(biāo)移入閃電位置，顯示該閃電的位置和電流信息，疊加顯示實(shí)況和預(yù)報(bào)的閃電密度和強(qiáng)度產(chǎn)品，以及外推閃電產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)動畫播放效果。

2）雷電預(yù)警監(jiān)測。

平臺首頁界面顯示廣州行政區(qū)域WebGIS地圖，并在廣州邊界50 km處畫出全市警戒廓線。左側(cè)工具欄，雷電實(shí)況監(jiān)測可實(shí)時(shí)顯示粵港澳、EN和電力局3套數(shù)據(jù)資料，雷達(dá)回波產(chǎn)品，基于3套雷電數(shù)據(jù)的歷史個(gè)例等。界面下方時(shí)間軸上顯示全市過去1 h的雷電實(shí)況和未來1 h的雷電預(yù)警狀態(tài)。

3）單位預(yù)警提醒。

地圖上標(biāo)示雷電服務(wù)單位的位置，后臺程序預(yù)測到雷暴將于未來1 h內(nèi)影響到服務(wù)單位預(yù)警圈范圍，服務(wù)單位以告警顏色閃爍標(biāo)示。在服務(wù)單位預(yù)報(bào)時(shí)間軸上，受影響時(shí)次相應(yīng)按預(yù)警等級以黃色和紅色標(biāo)示出來，同時(shí)通過預(yù)警短信方式通知受雷電影響的服務(wù)單位。

4）強(qiáng)對流個(gè)例分析。

平臺通過數(shù)據(jù)庫檢索出雷電天氣過程，自動生成歷史個(gè)例，并可在WebGIS地圖上綜合顯示對應(yīng)實(shí)況的雷電、雷達(dá)回波、云頂高度和雷暴等產(chǎn)品，以及雷電強(qiáng)度、密度和敏感區(qū)等預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

5）雷電統(tǒng)計(jì)。

雷電統(tǒng)計(jì)主要包括：閃電次數(shù)、正閃次數(shù)、負(fù)閃次數(shù)、平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度，以及各個(gè)閃電的詳細(xì)信息，以統(tǒng)計(jì)報(bào)表、色斑圖、原點(diǎn)圖和直方圖等形式展示，統(tǒng)計(jì)報(bào)表可供下載。

歷史統(tǒng)計(jì)：按年份統(tǒng)計(jì)出全年或者每個(gè)月份全市及各區(qū)不同觀測網(wǎng)的閃電數(shù)據(jù)，生成閃電分布圖、原點(diǎn)圖、直方圖和表格；按起止時(shí)間統(tǒng)計(jì)出全年不同觀測網(wǎng)的閃電數(shù)據(jù)，生成閃電分布圖、原點(diǎn)圖、直方圖和表格；按年份、季度或者月份生成柱狀圖和閃電分布郵票圖。

范圍統(tǒng)計(jì)：在廣州區(qū)域范圍內(nèi)選擇任意點(diǎn)，設(shè)置起始時(shí)間、截止時(shí)間、內(nèi)圈半徑和外圈半徑，統(tǒng)計(jì)出閃電次數(shù)、正閃次數(shù)、負(fù)閃次數(shù)、平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度，以及各個(gè)閃電的詳細(xì)信息。

地閃強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)出起止時(shí)間內(nèi)不同閃電觀測網(wǎng)的地閃次數(shù)、正閃次數(shù)、負(fù)閃次數(shù)、平均強(qiáng)度和最大強(qiáng)度，并分段統(tǒng)計(jì)出不同強(qiáng)度段的地閃次數(shù)，生成直方圖。

地閃時(shí)間統(tǒng)計(jì)：按日、時(shí)、分統(tǒng)計(jì)出起止時(shí)間內(nèi)不同閃電觀測網(wǎng)的地閃次數(shù)，生成直方圖和表格。

區(qū)域統(tǒng)計(jì)：分為行政區(qū)域統(tǒng)計(jì)和任意區(qū)域統(tǒng)計(jì)。行政區(qū)域統(tǒng)計(jì)，按照全市及分區(qū)，設(shè)置起始時(shí)間、截止時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；任意區(qū)域統(tǒng)計(jì)，通過鼠標(biāo)在廣州行政區(qū)域內(nèi)任意繪制一個(gè)區(qū)域，對該區(qū)域內(nèi)的閃電信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，畫色斑圖。

2 雷電預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 聚類分析

首先，將閃電定位儀監(jiān)測到的雷電基于密度的聚類算法（DBSCAN）聚合成雷電單體，DBSCAN是基于一組鄰域來描述樣本集的緊密程度，參數(shù)（ε，MinPts）用來描述鄰域的樣本分布緊密程度。其中，ε描述了某一樣本的鄰域距離閾值，MinPts描述了某一樣本的距離為ε的鄰域中樣本個(gè)數(shù)的閾值，實(shí)時(shí)閃電作為樣本集：D＝（x1，x2，...，xm）。通過 DBSCAN聚類算法，將離散的閃電定位聚合成雷電單體，如圖3所示。

圖3 雷電單體示意圖

其次，計(jì)算每個(gè)雷電單體的中心位置，單體中每個(gè)閃電的經(jīng)緯度坐標(biāo)為（xi，yi），則雷電單體的中心位置為

最后，根據(jù)雷電單體的中心位置（x，y），從TITAN雷暴追蹤產(chǎn)品中匹配出距離最近的雷暴移動路徑，作為雷電單體未來1 h的預(yù)報(bào)路徑，實(shí)現(xiàn)雷電單體的外推。

2.2 TITAN外推

平臺從廣東省氣象臺引進(jìn)TITAN風(fēng)暴追蹤算法和產(chǎn)品。從TITAN風(fēng)暴追蹤產(chǎn)品中解碼出廣州范圍內(nèi)雷暴單體的實(shí)況位置和未來1 h逐6 min的預(yù)報(bào)位置，根據(jù)等值線追蹤算法，從雷電敏感區(qū)產(chǎn)品中識別出敏感區(qū)中心，通過中心位置關(guān)聯(lián)，找出離敏感區(qū)中心最近的TITAN風(fēng)暴單體，算出風(fēng)暴單體的加權(quán)平均移動距離，作為雷電的移動路徑，生成未來1 h逐6 min的雷電密度、強(qiáng)度和敏感區(qū)的預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品，保存到雷電監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)庫中。

1）基于TITAN風(fēng)暴追蹤產(chǎn)品的雷電預(yù)警方法。

TITAN風(fēng)暴追蹤產(chǎn)品是廣東省氣象臺SWAN系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)回波外推生成的未來0～1 h的風(fēng)暴移動路徑產(chǎn)品，借助其風(fēng)暴的移動路徑，結(jié)合實(shí)況的閃電觀測數(shù)據(jù)，對當(dāng)前閃電進(jìn)行外推，生成未來1 h的閃電預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品。

2）TITAN風(fēng)暴產(chǎn)品的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

廣東省氣象臺SWAN系統(tǒng)的TITAN產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括了一個(gè)文件頭信息，過去1 h逐6 min的風(fēng)暴單體信息，以及未來1 h逐6 min的風(fēng)暴單體預(yù)報(bào)信息，完整的數(shù)據(jù)描述如下：

文件頭標(biāo)志：8個(gè)字節(jié)，“NMCTITAN”；

版本號：整型，目前為1；

保留字：16字節(jié)，以后備用，目前為空；

當(dāng)前追蹤風(fēng)暴時(shí)間信息（世界時(shí)）：共10個(gè)字節(jié)，依次為年月日時(shí)分，各占用2個(gè)字節(jié)：如，

unsigned short Year；

unsigned short Month；

unsigned short Day；

unsigned short Hour；

unsigned short Minute； ／／／當(dāng)前時(shí)間，世界時(shí)

過去時(shí)次與當(dāng)前時(shí)次追蹤風(fēng)暴的時(shí)次數(shù)：整型，4個(gè)字節(jié)，表示 nTrackTimeCount；（目前追蹤過去1 h，6 min一次，共11時(shí)次）。

nTrackTimeCount個(gè)風(fēng)暴單體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，變長，需要從第11～14個(gè)字節(jié)中解碼出該時(shí)刻的風(fēng)暴單體個(gè)數(shù)，風(fēng)暴單體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct｛

unsigned short Year；

unsigned short Month；

unsigned short Day；

unsigned short Hour；

unsigned short Minute； ／／／當(dāng)前時(shí)間，世界時(shí)

int nStormCount；／／4個(gè)字節(jié)，整型數(shù)，表示風(fēng)暴的個(gè)數(shù)；

TITAN_STORM storm［nStormCount］；／／風(fēng)暴信息

storm_props props［nStormCount］；／／風(fēng)暴屬性

｝TitanStormTrack；

預(yù)報(bào)風(fēng)暴的時(shí)次數(shù)：整型，4個(gè)字節(jié)，表示nForecastCount；（目前預(yù)報(bào)1 h，6 min一次，共 10時(shí)次）。

nForecastCount個(gè)風(fēng)暴單體預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)，變長，需要從第3～6個(gè)字節(jié)中解碼出該時(shí)刻的風(fēng)暴單體個(gè)數(shù)，風(fēng)暴單體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct｛

unsigned short nForecastMinute； ／／／預(yù)報(bào)時(shí)間，單位分鐘

int nStormCount；／／4個(gè)字節(jié)，整型數(shù)，表示風(fēng)暴的個(gè)數(shù)；

TITAN_STORM storm［nStormCount］；／／風(fēng)暴信息

｝TitanStormForecast；

實(shí)況和預(yù)報(bào)的風(fēng)暴單體信息結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct

｛

double proj_area_centroid_x；／／風(fēng)暴投影中心經(jīng)度

double proj_area_centroid_y；／／風(fēng)暴投影中心緯度

double vol_centroid_z； ／／風(fēng)暴中心高度

double refl_centroid_z； ／／風(fēng)暴反射率因子中心高度

double top； ／／風(fēng)暴頂高度

double dbz_max； ／／最大反射率因子

double volume； ／／風(fēng)暴體積

doublemass； ／／風(fēng)暴質(zhì)量

double proj_area； ／／風(fēng)暴面積

double smoothed_speed；／／風(fēng)暴移動速度

double smoothed_direction；／／風(fēng)暴移動方向，正北為0

double vil； ／／風(fēng)暴 VIL值｝storm_props；／／風(fēng)暴屬性

風(fēng)暴單體的邊界信息

typedef struct｛

int nStormBoundaryPointNum；／／風(fēng)暴邊界點(diǎn)個(gè)數(shù)

FPOINT lonlat［nStormBoundaryPoint-Num］； ／／風(fēng)暴邊界點(diǎn)

｝TITAN_STORM；

typedef struct｛

float lon； ／／經(jīng)度

float lat； ／／緯度

｝FPOINT；

2.3 雷電外推預(yù)報(bào)

由于TITAN產(chǎn)品包含了當(dāng)前時(shí)刻以及未來1 h逐6 min的風(fēng)暴單體信息，可以計(jì)算出風(fēng)暴單體逐10 min的移動距離，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前閃電的外推，生成雷電預(yù)報(bào)產(chǎn)品，具體過程如下：

（1）讀取當(dāng)前時(shí)刻閃電觀測網(wǎng)的閃電數(shù)據(jù)；

（2）從TITAN產(chǎn)品中解碼出當(dāng)前時(shí)刻和未來1 h逐10 min的風(fēng)暴單體信息；

（3）根據(jù)廣州市的地理邊界信息，篩選出當(dāng)前時(shí)刻和未來1 h逐10 min廣州范圍內(nèi)的風(fēng)暴單體；

（4）計(jì)算出未來 10、20、30、40、50和 60 min廣州范圍內(nèi)所有預(yù)報(bào)風(fēng)暴單體與當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)暴單體的平均位移量；

（5）以聚類分析確定的核心地閃點(diǎn)為雷暴起始位置，將逐10 min的預(yù)報(bào)風(fēng)暴平均位移量作為閃電外推因子，得到未來1 h逐10 min的閃電位置，并進(jìn)行網(wǎng)格化，生成未來1 h逐10 min的閃電位置、密度、強(qiáng)度和敏感區(qū)等雷電預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

廣州雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺能有效監(jiān)測閃電發(fā)生的時(shí)間、位置、強(qiáng)度、極性等信息，是應(yīng)對突發(fā)雷電災(zāi)害天氣的重要監(jiān)測工具，并能提供未來1 h的雷電預(yù)報(bào)產(chǎn)品和雷電預(yù)警信息，可為開展雷電預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)、防雷減災(zāi)和雷電災(zāi)害調(diào)查等提供系統(tǒng)支持。