雷电预警矩阵图分析法的探讨

郭军成 麴 春 程 援 高钰涛

（贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000）

0 引言

目前，雷电预警可以实时提供高质量和有价值的雷暴事件信息，这对协调和采取主动防雷措施提供了极大帮助。根据所采用的雷电环境探测的主要设备不同，雷电预警技术包括闪电定位技术和静电场变化探测技术。闪电定位系统主要是对已经发生的闪电进行定位，并测量闪电参数，体现为已知和确定性，静电场变化探测技术主要是通过探测覆盖区域地面静电场来实现对应区域的有效预警，体现为预见和不确定性[1]。

大气电场仪通过探测雷暴生命周期中的4个阶段“初始阶段、成长阶段、成熟阶段和耗散阶段”进行短时临近预警。雷电预警系统建设之初通常会设定几组通用技术参数，但在特定的区域内受周围环境影响，所设定的覆盖区域、雷电预警系统算法和预警阈值可能会不适用，影响雷电预警的有效性。

该文以安顺市雷电预警系统为研究对象，利用矩阵图分析法研究安顺和紫云雷电监测站的雷电预警资料，判断安顺和紫云站点设备的运行情况是否异常、所设定的探测半径是否有效、设定的雷电预警阈值是否合理。

1 雷电预警中几个重要指标的概念

雷电预警：表明目标或区域可能受雷暴和随着的闪电相关事件影响的信息。

覆盖区域：给定探测设备具有足够的检测效率和准确度能够监测到的范围，单站大气电场仪的典型值为20 km。

周边区域：覆盖区域外且接近覆盖区域的地方。

有效时间：目标区域内从发布雷电预警至第一次发生闪电的时间。短时临近预警中的典型值为5 min～30 min。

有效预警：在目标区域和有效时间内发布的雷电预警。

异常预警：在常态区域和漏警区域发布了雷电预警。

漏警：在目标区域发生了闪电但未发布雷电预警。

漏警率：关于漏警事件与相关区域发生总闪电事件的比率。

误警：相应区域内发布了预警但未发生闪电。

误警率：误警次数与总预警次数的比率。

阈值：雷电预警系统发布雷电预警的起始值，一般采用击穿空气的大气电场值3 000 V/m。

预警级别：当未发生预警记为“1”，表示为无雷电预警，分别用2、3和4对应黄色、橙色和红色预警。

常态：无雷电天气过程，探测设备值趋于稳定，一般为50 V/m。

2 安顺市雷电预警系统

安顺市雷电预警系统始建于2014年，全市共建设了30部大气电场仪作为雷电监测站和终端雷电预警平台。其原理就是通过实时监测近地面大气静电场强度值的变化来判断雷云的临近与远离[2]，通过不同的预警等级来判断雷电发生的不同概率，设置合理的阈值以及实测电场的连续滚动平均值的变化来判断雷云是否靠近或远离，是否会在本地出现雷电，读取CMiss系统闪电定位资料，判断大气电场仪周围30km内的闪电数据以及密度，来判断外围雷电情况，当雷电预警系统读取到多次闪电发生时，该探头无条件发布雷电预警。

考虑到安顺地形条件，厂家设定大气电场仪单站覆盖区域半径为10 km，当无雷暴天气过程时，每个站点每分钟向终端平台回传一次实时大气静电场信息，当有雷暴天气过程时各站点每2 s向终端平台回传一次实时大气静电场信息。终端预警平台经过综合分析后进行分级预警，包括黄色、橙色和红色三级雷电预警，三级雷电预警的阈值分别是2 000 V/m、4 000 V/m和6 000 V/m，提前时间为5 min～30 min 。

通过安顺市雷电预警平台可以获取每个探头周围10km范围内近地面的实时静电场信息、任意半径内的闪电定位资料和不同级别的雷电预警产品。

3 雷电预警矩阵图分析法的建立与功能

矩阵图分析法[3]主要用于商业中界定客户性质的一种粗略分析方法，该文借鉴该方法，利用闪电强度、电场强度和雷电预警级别建立雷电预警矩阵分析图，通过该方法可以粗略判断雷电监测设备的运行情况和雷电预警系统的相关技术指标是否合理。

3.1 雷电预警矩阵图分析法的建立

该文以安顺市雷电预警系统中紫云单站和安顺单站实时探测的大气静电场数据和覆盖区域10 km范围内的闪电强度数据为研究对象，使用实际发生的闪电强度值、大气电场仪探测的静电场强和雷电预警级别建立雷电预警矩阵分析图。该文不讨论闪电和电场的极性问题，因此所有选取的值均进行取绝对值，雷电预警矩阵图包括有效预警、误警、常规和漏警4个区域。

关于分界线，闪电强度轴以“0”为分界线，为了便于观察，“0”分界线左边的区域均记为零，当未发生闪电时，闪电强度值位于“0”区域；大气电场强度轴以雷电预警系统阈值为分界线，预警阈值需要根据雷电预警系统的实际情况而定，该文采用安顺市雷电预警系统黄色雷电预警阈值2000 v/m[4]。

关于闪电强度和大气电场强度值的选取，为了便于讨论每个区域的情况，分别对紫云站点和安顺站点选择两组数据，每组10个数值，见表1和见表2。表1的数据是以闪电发生的时间为基准，选取大气电场仪站点为中心10 km范围实际发生的闪电数据，随机选取每次雷暴天气过程中目标区域内第一次闪电数据，此时电场数据选取闪电前有效时间30 min内的最大值，雷电预警级别选择有效时间内发布的最高级别，该组数据主要用于体现系统的漏警情况。表2的数据以雷电预警发布的时间为基准，选取各站当天第一次发布雷电预警的电场值，此时选取发布预警后有效时间30 min内发生的第一次闪电，当无闪电发生时记为“0”值，该组数据主要用于反映系统的误警情况。利用2组数据分别建立安顺站点雷电预警矩阵图和紫云站点雷电预警矩阵图，如图1和图2所示。

表1 以闪电发生时间为基准的数据

表2 以雷电预警发布时间为基准的数据

3.2 雷电预警矩阵分析图中各区域的现象

3.2.1 有效预警区域

当闪电强度—电场强度值位于该区域时，表明所使用的探测设备功能正常，能够准确探测覆盖区域内的电场数据，由于采用的是实际发生的闪电数据和对应的电场数据以及实际发生的雷电预警电场数据和对应的闪电数据，所以雷电预警系统精准的情况下，所有样本数据都应该在该区域。

3.2.2 误警区域

该区域的闪电强度—电场强度值表现为3个方面：1）系统发布了预警，覆盖区域无闪电，但周边区域有闪电发生，这可判断为选用的探测半径小于设备的实际探测半径，需要考虑设置更大的探测半径。2）系统发布预警，覆盖区域和周边区域均无闪电发生，这是由于雷电预警系统设置的预警阈值过小，需要设置更大的阈值。3）发布预警无闪电，且预警持续不解除，这是由于大气电场仪的零点电位漂移[5]。

3.2.3 常态区域

因取值原因，雷电预警系统及探头正常情况下，该区域无值，更不可能发生雷电预警，如果有则是由于雷电预警系统中设置了“当周探头边区域有多次闪电发生时，该探头无条件发布雷电预警”引起，可视为应该预警规则引起的异常现象。

3.2.4 漏警区域

该区域的点可判断出2个结论：1）覆盖区域有闪电，系统无预警，可判断为雷电预警系统设置的阈值过大。2）覆盖区域有闪电，且因预警规则产生异常预警，可判断为使用的探测半径大于设备的实际探测半径，需要设置较小的探测半径。

3.3 现象论证分析和应用

图1为安顺站点雷电预警矩阵图，根据所选用的样本和雷电预警矩阵图分析法，图中有效预警区域分布了55%的样本值，无异常现象；有25%的样本子分部在误警区域，通过查阅系统其他资料，这些样本值时间段内周边区域确实有雷暴天气过程，可确定安顺站点设定的探测半径小于实际探测半径；常态区域无异常现象；漏警区域分布了25%的样本值，同时这些点无异常预警，可判定安顺站点设置的预警阈值较大。图2为紫云站点雷电预警矩阵图，紫云站点样本值中电场强度普遍极小，在有效预警区域和误警区域无值，不能正常预警，为异常现象；在常态区域分布了10%的样本值，但出现了异常预警；在漏警区域有45%的异常预警，分布了45%的漏警样本值，可判断紫云站点设备不能正常探测近地面的大气静电场。

图1 安顺站点雷电预警矩阵图

通过对安顺站点和紫云站点使用雷电预警矩阵图分析法可以得出如下结论：1）安顺站点实际探测半径比现在使用探测半径较大，应设置更大的探测半径。2）安顺站点设置的预警阈值过大，应减小预警阈值。3）紫云站点设备无法正常探测近地面的大气静电场。4）系统设置“当周探头边区域有多次闪电发生时，该探头无条件发布雷电预警”的规则可以用于研究设备的实际探测半径，但会产生异常预警且无法提升有效预警率。

现场实况是安顺站点位于办公楼顶，周围较空旷，结论符合实际情况，而紫云站点设备各元件运行正常，但设备位于地面，且周围灌木丛森，整个探头处于遮挡状态，须进行设备维护和更换安装地点。

通过以上分析表明，在雷电预警系统调试阶段，雷电预警矩阵分析图能够快速确定设备所设定的技术参数是否适用。当样本值全部处于有效预警区域时，雷电预警系统采用的各项技术指标最为精确；当样本值大多在误警区域时，所适用的探测半径或预警阈值过小，结合其他资料进行修正；当样本值多数位于漏警区域时，需要设定更大的探测半径和预警阈值。同时在设备运行维护阶段，雷电预警矩阵分析图也能发挥较好的作用。当样本值位于常态区域时，雷电监测设备异常，可考虑设备自身功能或所处环境的变化，为设备维护提供指导性建议。

4 结论

该文利用安顺市雷电预警系统中安顺站点和紫云站点样本数据建立雷电预警矩阵图，通过雷电预警矩阵图分析了安顺站点设置的探测半径较小和预警阈值较大，而紫云站点受周围环境影响不能正常探测地面静电场，同时探讨了“当周探头边区域有多次闪电发生时，该探头无条件发布雷电预警”规则的利弊情况。雷电预警矩阵图分析法可用于雷电预警系统的自学模型，用于判断探测站点设备的运行情况和研究雷电预警系统设定的技术参数的有效性。