海南地区新型雷电预警系统预警效率的评估与分析

张长秀，牟善军，刘全桢，毕晓蕾，刘宝全，高 剑，刘 璇，姜 辉，刘 娟

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

0 引言

石化企业规模大，自动化程度高，且我国石化企业多分布在沿海沿江等闪电活动频发地带，易发生雷击事故，造成巨大损失，雷电灾害严重危害着石化企业的安全生产[1]。雷电的提前预警在一定程度上可以为石化行业重点作业和防护区域提供安全指导。

为满足石化行业小区域、精细化雷电监测预警的需求，研制了新型雷电预警系统及信息服务平台，全国已安装了220多套，部分区域进行组网观测，初步组成了重点区域雷电预警网，为行业生产提供了良好的雷电预警服务[2-3]。

预警系统的准确性和可靠性是及其重要的，对预警系统的预报效果进行客观的检验和评估，是一个必要的环节和流程[4]，根据评估结果，可以优化参数，进一步提升系统的质量和可靠性。

关于雷电预警系统预警效率的评估，国内外学者们已经开展了大量相关研究工作，如Aranguren等[5]的研究表明西班牙东北部地区雷电预警系统的预警有效率约为38%；Murphy等[6]使用美国国家闪电定位网提供的闪电数据对佛罗里达地区雷电预警系统的评估结果表明预警有效率约为34%；Ferro等[7]使用巴西闪电定位数据对巴西南部地区雷电预警系统预警效率的评估结果表明其有效预警率约为60%。在国内，马颖等[4]和罗林艳等[8]基于气象部门的闪电定位资料对气科院开发的雷电临近预警系统和湖南地区的雷电预警系统的预警效率分别进行了评估。已有研究表明不同地区、不同系统的雷电预警系统的预警效率存在较大差异。

海南岛地处热带/亚热带地区，雷暴活动频繁，是我国典型的雷击高发区，是雷电观测、预警等数据采集最合适的地点之一[9]。海南岛已组建了新型雷电预警网，预警范围可覆盖整个海南岛，本文随机选取了海南岛安装的8个新型雷电预警站点，对这8个站点的运行情况与预警效率进行了统计分析。

1 数据介绍及评估方法

1.1 数据介绍

本文所使用的闪电定位资料是由全国雷电监测定位系统ADTD探测到的，该系统可以对闪电发生时间、位置、极性、强度等参数进行测量，ADTD单站的探测效率是80%～90%，定位精度小于500 m，主要用于探测云地闪[10-11]。本文所使用的雷电预警数据是由新型雷电预警系统所探测到的。闪电定位数据为雷电预警系统预警效率评估提供了良好的数据支持。使用2017年5-8月的闪电定位数据对海南地区8个新型雷电预警站点的预警结果进行评估分析。

1.2 评估方法

标准IEC-62793[12]中对雷电预警评估中经常使用的参数进行了详细定义：有效覆盖范围(CA)：指一个预警设备能有效并准确探测进行预警的范围；有效预警(EA)：指在预警持续时间内有效覆盖范围内有闪电事件发生；错误预警(FA)：指系统发出预警目标，但有效覆盖范围内并未发生闪电事件；失败预警(FTW)：指有效覆盖范围内发生了闪电事件，但并未发出预警；提前期(LT)：指预警开始时间与有效覆盖范围内首次闪电事件发生的时间间隔。

一个特定雷电预警系统主要检验指标有以下几个[8]：

有效警报(EA)、错误警报(FA)及报警失败(FTW)的计算列联表如表1所示。

表1 预警与观测列联表

使用闪电数据与预警数据进行对比分析时，首先确定有效覆盖范围，考虑到新型雷电预警系统的探测距离，每个站点的有效覆盖范围定义为以每一个站点为中心，半径为10 km的区域。

2 分析及结果

2.1 各站点的预警情况

对海南地区8个预警站点预警效率的统计结果如图1所示，可以看出，各预警站点的有效预警率、错误预警率和预警闪电比例之间存在一定差异，具体情况如下：

在8个站点的有效预警率(POD)中，海南绿玉站的最高，约为91%，海南屯昌站的最低，为72%，8个站点的整体平均有效预警率(MPOD)约为85%。平均有效预警率明显高于国内外同类产品的预警结果：如Beasley的统计结果中有效预警率为66%[13]，Ferro对巴西南部地区雷电预警系统预警有效率的评估结果为60%[7]，Aranguren等[5]和Murphy等[6]的统计结果中有效预警率分别为37.5%和34.4%。

有效预警率的高低代表了预警系统发报的有效预警记录数的比例，单凭有效预警率无法判断预警系统对闪电事件的预报情况，为了探究新型雷电预警系统对闪电事件的预警情况，本文对各站点的预警闪电比例(PFR)进行了统计。由图1可知，在8个站点的预警闪电比例(PFR)中，海南绿玉站的最高，为97.5%，东方顺达站的最低，为80%，8个站点整体平均预警闪电比例(MPFR)为95%，说明各站点的有效覆盖范围内95%的闪电发生时，新型雷电预警系统发报了有效预警。Naccarato等[14]在其研究中指出，在其预警系统有效覆盖范围内82.4%的放电活动发生于有效预警过程中。

基于以上分析可知，与国内外多个预警系统相比，新型雷电预警系统的有效预警率及预警闪电比例均明显高于其它系统。

在8个站点的错误预警率(FAR)中，药王谷北站的最高，为88%，海南屯昌站的最低，为56%，平均错误预警率(MFAR)约为73%。平均错误预警率与Murphy等统计的错误预警率74.1%接近[6]，低于Aranguren等的统计结果87.0%[5]，但明显高于Ferro的统计结果41%[7]。通过对比可知，海南地区新型雷电预警系统的错误预警率偏高，错误预警率偏高的原因还需要进一步的数据分析来验证。

图1 海南地区新型雷电预警系统预警效率评估参数分布

2.2 各站点的预警提前期

8个站点预警提前期(LT)的分布情况，如图2所示，图中展示了各个站点预警提前期的平均值(MeaLT)和中值(MedLT)，及整体预警提前期的平均值(MMeaLT)和中值(MMedLT)。各个站点中，药王谷北站预警提前期的平均值和中值最大，分别为23.5 min和19.8 min，海南美华站的最小，分别为10.3 min和6.1 min。可以发现，海南地区这8个预警站点的预警提前期存在较明显的差异，因此还需要进一步调整产品参数，使各预警系统的预警提前期更稳定。8个站点的整体预警提前期的平均值和中值分别为13.9 min和9.6 min，与Beasley等[13]与Ferro等[7]的研究结果较为接近，详见表2。表2对比分析了本文的统计结果及已有研究的统计结果。

图2 海南地区预警系统预警提前期的分布

研究人员站点个数POD,%FAR,%LT/minBeasley(2008)3066.09.0～12.0Freeo et al.(2008)158.041.013.0Murphy et al.(2008)134.474.115.0Aranguren et al.(2008)137.587.06.5当前研究885.573.213.9

3 结论

采用2017年5-8月的全国雷电监测定位系统ADTD探测到的闪电定位数据对海南地区8个新型雷电预警站点的预警效率进行了统计分析，得出了海南地区部分雷电预警系统的预警效率及存在的问题，具体如下：

a)海南地区新型雷电预警系统的平均有效预警率(MPOD)约为85%，高于大部分雷电预警系统的预警有效率；新型雷电预警系统对闪电事件的预警率平均可达到95%，表明该系统可以对发生在站点有效覆盖范围内95%的闪电提供有效预警。

b)海南地区新型雷电预警系统的平均错误预警率(MFAR)约为73%，与各类预警系统相比，错误预警率偏高。错误预警率偏高的原因还需要进一步的数据分析来验证。

c)海南地区新型雷电预警系统预警提前期的平均值和中值分别为13.9 min和9.6 min。

基于以上分析可得，海南地区已安装的雷电预警系统基本均处于稳定运行状态，预警有效率及对闪电事件的预警能力与各类预警系统相比具有一定优势，但目前仍存在错误预警率偏高，预警提前期不稳地的问题。因此新型雷电预警系统的探测效率和预警效率仍有进一步的提升空间。下一步的工作重点是开展错误预警率偏高的原因分析，对雷电预警系统的参数进行优化调整，进一步提高预警系统的预警效率。