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      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)

      2020-03-20 10:38:26趙琴郝笑錢嘉星吳少峰
      廣東氣象 2020年1期
      關(guān)鍵詞:字節(jié)風(fēng)暴雷電

      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。

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