高速公路雷电监测与预警应用技术的构思

吴宏 吴建欣

(浙江兰溪市气象局,浙江兰溪 321100)

高速公路雷电监测与预警应用技术的构思

吴宏 吴建欣

(浙江兰溪市气象局,浙江兰溪 321100)

我国高速公路正处于快速发展的时期,但高速公路沿线的雷电灾害防御系统建设相对滞后,使现代交通运输追求的快速、高效和安全目标,受到影响和制约。本文针对沪昆高速杭金衢段沿线存在的雷电防御能力中的短板,引入雷电监测与预警技术,提出建设雷电实时监测系统、雷电预测预警系统和雷电灾害应急管理系统的构思,并通过采取以非工程性或非工程性和工程性组合的雷电防御技术,有效改变目前高速公路仅依赖工程性防雷技术的现状及被动防御局面,提升主动防御和灾后应急能力,减少因雷电造成的直接或间接损失。

高速公路 雷电 监测与预警 应用技术

1　引言

雷电的危害具有很强的破坏性，主要危害途径有直击雷、雷电感应、雷电波侵入和地电压反击等形式。从我国第一条高速公路投运至今，高速公路沿线(含收费所、隧道机电设施、服务区、养路工区等区域)的弱电系统都不同程度地遭受雷电侵害。轻者部分设备被雷电击坏，系统丧失部分功能，重者全系统瘫痪，全部系统功能尽失，造成驾驶员猝不及防，酿成重大交通事故，给交通安全带来极大隐患。同时雷灾也给高速公路沿线的众多施工、服务人员和驾乘人员的人身及行车安全带来威胁。雷电气候下的通行能力下降，不仅影响自身的经济效益，也产生不良的社会影响。现代交通运输追求的快速、高效和安全目标，往往受到的影响和制约。

高速公路雷电防御具有点多、面广、线长，既有强电设备，又有大量的监控、通信、传感等弱电设备，旷野区域往往有突出的设备点，电力线路往往要翻山越岭，传输和控制线路往往经常穿越复杂的地质层面的特点，这些都是易遭雷击或雷电感应的薄弱点。对此，仅依靠传统的工程性和被动式防御措施难以做到经济、有效的防御目的。面对以上的问题和难点，通过建设雷电实时监测平台、雷电监测预警系统、雷灾应急响应管理系统等应用型系统，适时引入非工程性措施，以期达到提升高速公路雷电防御的能力。目前，国外的研究人员在利用雷达和卫星等探测资料进行雷电临近预报方面做了大量深入的研究工作。例如:美国空军第45天气中队给出了以雷达为工具的雷电临近预报经验规则，主要用到了最大回波强度及其出现高度、强回波体积、顶高等参数，对单体雷暴、砧状云、碎云等的云闪、地闪的预报提供了不同的规则[1]。Smith采用同步卫星红外云图和美国国家闪电监测网的地闪定位结果，对两次雷暴过程进行了分析，对比了云顶冷却率超过0.5℃/min的时间和首次地闪出现的时间，结果表明前者比后者提前了半小时或更长时间[2]。国内雷电监测、预警预报技术的研究工作也已起步，气象、科研院校、专业防雷机构等部门，在雷达、卫星、雷电定位仪和大气电场仪等监测基础上，基于地理信息系统，采用多参数、多算法集成方法研究雷电预警预报技术，建立雷电监测和预警系统。沪昆高速杭金衢段沿线已建立了覆盖全部的闪电定位探测网和大气电场监测与预警覆盖面达80%以上。2008年依托科技部奥运攻关主题“奥运会雷电监测和预警系统关键技术研究”，为奥帆赛场等重点区域提供雷电的区域、概率和雷电频数等预警服务，并取得明显效果。

2　杭金衢高速公路雷电防御存在的主要问题

图1　

(1)高速公路沿线各区域在建设时，各设施、设备的招投标分不同专业、单位分别依据各自的标准与规范设计和施工，相互之间对整体设计确乏沟通、配合。(2)已有的防雷设施是在建设后期以整改形式进行，采取针对性、局部性的工程性整改方式。存在对整改后再增加的其他设施无法进行防御、或整改代价大的问题，也即防御的统一性、可扩展性弱等问题。(3)主动防御和灾后应急能力弱。雷电防御需要工程性措施，但同时做好非工程性防御措施将会起到事半功倍的作用。目前此项工作尚未有效实施。(4)工程性措施保护范围以外区域的人员、设施、交通安全等无法进行有效的防御。

图2　预警系统技术路线图

图3　应急响应管理技术路线图

3　雷电监测与预警应用技术的主要内容及技术路线

本文以杭金衢高速公路沿线(含收费所、隧道机电设施、服务区、养路工区等区域)的雷电主动防御和提升雷灾后应急能力为主要内容，改变目前防雷工程性技术不足的现状及被动局面，减少因雷电造成的直接或间接损失。

(1)建立雷电实时监测平台。利用雷达、卫星、雷电定位仪和大气电场仪等设施，监测和收集实时雷电信息，整合历年人工观测信息和灾情调查信息，开展沿线重点区域人员、设施、运行及防雷装置分布和整改情况等基本信息调查，基于地理信息系统，建立杭金衢高速公路沿线雷电监测数据库;开发数字化采集、组织、存储、管理、分析、应用和服务软件，进行雷电监测技术应用方法的研究;运用雷电灾害区划技术，初步绘制杭金衢高速公路沿线闪电主要电学特征分布图、雷暴主要移动路径图等。为高速公路建设的设计、改、扩建及提高营运效率等提供数据与技术支撑。找出高速公路沿线及重点区域雷电监测与雷电发生之间的对应关系。并在此基础上完成雷电空间信息的数字化采集、组织、存储、管理、分析、应用和服务等技术(如图1)。

(2)通过建立雷电监测和预警系统，为指定的重点区域提供雷电的区域、概率和雷电频数等预警示范服务。雷电监测预警系统以GIS为基础，采用多资料、多参数和多算法集成的雷电临近预警方法，结合三维空间雷暴识别、跟踪和外推算法与决策树算法，提供多种形式的雷电临近预警产品。重点解决以下关键技术:1)针对实时监测的技术。对于雷监测数据进行实时的数据转换，转换为GIS平台所认可的栅格以及矢量数据;然后与地理信息数据进行统一的组织存储与管理。在此基础上整合雷电预测模式，实现高性能的计算，实现雷电发生落区、频数以及几率的临近预测。2)针对外推雷达回波运动的技术。利用“交叉相关算法”外推雷达回波的运动，获得的雷达回波在过去的移动矢量，来外推确定回波未来的位置和形状，从而达到预报的目的。3)针对雷电定位资料算法的技术。采用双参数线性指数平滑方法对电场平均值进行预测，结合由电场瞬间变化得到的近距离是否已有闪电发生及其距离范围的估计结果，给出距离该站0～5km和5～10km范围内发生闪电的概率分级(如图2)。

(3)运用雷电防御非工程性防御措施理念和技术，寻找非工程性防御措施和工程性防御措施的结合点，重点解决监控系统、收费系统和通信系统等三大技术支撑系统转换，研究适应高速公路沿线非工程性防御措施相关技术、方法、管理系统。

(4)建立杭金衢高速公路雷电灾害应急管理系统，提升雷灾后应急处理能力。依据杭金衢高速公路运行、服务、管理的特性，以及人员密集程度、设备设施集中程度和重要性，对不同区域雷电灾害危害性进行分析区分，建立雷电应急响应管理系统;按雷电预警信号的强弱、持续时间等不同进行分类定级，并依据杭金衢高速运行、服务需求，该区域雷电灾害规律、危害性、重要性研究分析，制定具体的等级指标体系;为确保雷电预警信号准确、快捷、高效发布，分析杭金衢高速现有应急预警发布模式的基础上，通过点对点、显示屏等多渠道发布形式，研究建立雷电预警信号自动、高效发布平台;结合杭金衢高速公路各职能部门的职责分解，以及高速公路运行、服务的社会需求，研究建立杭金衢高速公路雷电灾害应急预案。以期达到雷电灾害发生前，采取各种应对预防措施，各种预动作有效启动。雷电灾害发生时，采取合适的应急救援措施，使人员、财产损失减少到最小，各设施、设备最短时间内恢复原状，交通恢复正常状态(如图3)。

4　雷电监测与预警应用技术操作流程(图4)

图4　

5　结语

(1)高速公路雷电监测与预警系统由雷电监测平台、大气电场监测预警系统、雷灾应急管理系统三大系统组成，其结构紧密，可实现从信息采集，雷电的发展和移动趋势判别，发布预警信息，实现雷灾应急的组织与实施等形成完整统一体系。(2)引入非工程性雷电防御措施的理念，有效解决仅依靠传统的工程性防御措施难以做到经济、有效的防御目的，可实现经济、社会效益的提升。(3)建成后的杭金衢高速公路雷电监测和预警系统，可实现与气象、专业防雷机构并网运行。监测与预警不仅可涵盖金衢高速公路沿线及重点区域，还可扩展其上、下游的广大地区，有效提升预警的时效和准确率。(4)该应用技术在有效降低高速公路改、扩建中防雷装置的设计安装成本，保障交通安全和运营能力的同时，还可派生出涉及运输安全、营运管理、高速公路雷电灾害区划等关键技术的研发与应用。

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[2]Smith S B. How Soon Can a Thunderst orm be Identified A Comparison of Satellite Observed Cloud-Top Cooling and the Onset of Cloud-to-Ground Lightning[C].In 18th Conference on Severe Local Storms,1996, 479-482.

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[4]孟青.地面电场资料在雷电预警技术中的应用[J].气象,2005,31 (9):30-33.

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