强雷暴天气情况下自动气象站的主动防雷研究

彭发强 赖洞森 黄爱玉

(福建省龙岩市气象局，福建 龙岩 364000)

0 引言

龙岩市位于福建省西部，地处闽粤赣三省交界，属亚热带海洋性季风气候，全年平均雷暴日数74.1d。辖区内含有5个国家基本气象站和2个国家天气观测站，各台站按照上级业务管理部门部署列装同型号观测设备，依据《地面气象观测场规范化图册》和设备安装规范完成地面观测场地的建设和设备安装，但传感器(箱体)与地沟之间的距离未做较好的线路屏蔽，电源和信号线缆几乎是外露状态。由于地面观测场大多地处空旷地或山头，强雷暴天气过境时，极易遭受雷击，造成设备损坏。

近五年，连城、漳平、上杭、武平、永定等台站接连遭遇不同程度雷击。而2020年至2021年，连城、上杭、武平等台站在强雷暴天气过境时连续遭受雷击，造成部分观测设备损坏，甚至业务中断，严重影响台站业务质量。现场勘察发现，雷击损坏的设备主要集中在主采、分采、通讯模块及传感器等，损坏设备均无烧焦、炸裂等情况。因此，推断设备功能性损坏不是直击雷导致，而是闪电感应或闪电电涌侵入引起。

自双套新型自动气象站建设以来，针对强雷暴天气过境时的雷击风险，业务管理部门提出台站视天气情况提前关闭B站(第二套新型自动气象站)，以保证A站被雷击损坏后能及时启动B站，继续开展地面气象观测。一部分台站关闭B站只关闭观测场交流电源输入，新型自动气象站仍由直流供电运行，此做法未做到真正意义上的关闭；另一部分台站则是人为对B站所有线路进行物理断接，此做法虽然是进行物理断接，但强雷暴天气期间，人员在观测场活动，存在雷击风险。因此，主动远程控制线路物理断接是强雷暴天气过境时减少闪电感应对观测设备的破坏，以及保护人身安全的重要防护措施。

1 主动防雷装置设计思路

主采、分采、通讯模块及传感器等设备易由雷击造成损失且大部分是由闪电感应或闪电电涌侵入引起[1]。其主要成因是强雷暴天气产生的电磁脉冲经由地线、金属线及空间等通道耦合产生瞬时浪涌，并击穿设备中的电子元器件[2-3]。本文实现主动防雷的思路是使用计算机控制技术操控断路设备实现分隔主采、分采、传感器等设施的地线、金属线及空间通道。因此，本文的研究重点在于强雷暴天气提前预警和保护电路及控制模块的设计，以DZZ5自动气象站为例，设计思路如图1所示。

图1 总体设计思路

1.1 强雷暴天气识别技术思路

关于对流天气的判别通常以天气雷达的观测数据作为重要判断依据，ConvLSTM模型能够利用已有的雷达拼图较准确地预测1小时内降水情况[4]。ConvLSTM结构如图2所示[5]，将每个时次采集到的雷达拼图作为时间序列中的一个元素，用一个长度为t的时间序列预测下一个时次的雷达拼图。因此，本文以ConvLSTM作为强雷暴识别模型，预测自动气象站未来30分钟是否会出现强对流天气。假设输入的雷达数据为一张二维图像，其维度为M×N，每个像素点取值范围为P，则雷达数据可以表示为∈RP×M×N[6]。

图2 ConvLSTM单元结构

ConvLSTM计算过程表示为式(1)，根据ConvLSTM计算特点，本文挑选龙岩地区的一个强雷暴天气过程163小时的数据(6分钟采集一次完整的雷达回波数据)，运用ConvLSTM对雷达组合反射率进行预测。在ConvLSTM预测实验中，随着预测提前量的增加，预测的组合放射率图像的清晰度逐渐降低，且ConvLSTM能够准确预测1小时内的组合反射率的发展趋势。根据地面观测规范，B站关闭时间在30分钟内为宜，因此本文将强雷暴识别算法设计如下步骤，为了提高模型的在线运算效率，模型参数提前使用历史数据训练。

(1)

①使用2小时长、间隔6分钟的雷达观测数据作为二维的时间序列；

②将二维时间序列抽取为96×96灰度图，并循环输入训练好的ConvLSTM；

③输出ConvLSTM外推出的未来30分钟内组合反射率；

④根据自动气象站所在位置判断未来6、12、24、30分钟是否会出现强对流天气，并根据当前时间计算准确的过境时间，输出判断结果；

⑤根据判断结果向操控模块输出控制型号，如果出现输出1，否则输出0。

1.2 保护电路设计思路

继电器是一种具有隔离功能的自动开关控制元件，本文选用欧姆龙直流12V电磁继电器，它是一种利用输入电路内电流在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用，将接触片吸住而工作的一种电气继电器，结构如图3所示。当控制信号输入1时，驱动电磁铁组件工作，带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合，此时2和3导通，如果控制信号消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)接触，此时2和4导通。强雷暴天气过境时，控制模块控制继电器的衔铁与常闭常开触点切换，实现对各采集器供电和传感器信号线路通断控制，最终达到主动防护效果。

图3 继电器结构图

地面气象观测设备需24小时不间断运行，而电磁继电器带有常开和常闭接线端。本设计将电磁继电器接线端中的常闭接线端接入观测设备，该接线方法能使电磁线圈处于未工作状态，避免电磁继电器线圈长时间工作而造成线圈烧毁。当遇到强电流天气过境等需关闭设备时，远程控制继电器由常闭切换至常开状态，以实现线路物理断接。供电控制主要是控制各类采集器、综合集成控制器等设备电源。如图4(a)所示，继电器串联接入各用电设备的供电控制线(正极)，一端接用电设备，另一端接供电(DC12V)电源正极。继电器供电采用并联方式连接成供电继电器组，供电由网络继电器控制的直流12V提供。信号控制主要是控制各类接入采集器的传感器信号线路。如图4(b)所示，继电器串联接入各采集器的信号线，继电器供电采用并联方式连接成信号继电器组，供电由网络继电器控制的直流12V提供。

(a) 采集器接入继电器图

2 测试运行及分析

2.1 模拟测试方案

为验证本设计方案的稳定性和业务可用性，在实验室条件下搭建一套简易的气象观测站，由于条件限制，使用气温传感器做数据序列完整性和准确性验证，使用有强对流天气的雷达拼图序列作为雷达信号输入，测试方案设备连接图如图5所示。本文测试使用的主采集器型号为HY-3000；综合集成硬件控制器型号为DPZ1；气温传感器型号为HY-T03，编号分别为2593、151655，所有检定点误差均为-0.1，使用一台二层交换机将防雷控制端及主采集器/传感器保护模块接入气象专网。本测试实验接近国家级台站设备安装环境，所使用的气温传感器误差大小及趋势一致，因此该测试实验设计较为合理且所得的数据具有代表性。

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图5 测试方案设备连接图

2.2 数据序列完整性和准确性

信号继电器组串联接入各设备信号，满足地面气象观测数据准确性，选取温度传感器测试，采用直连和串连继电器方式接入同一个地温分采集器的不同采集通道。

经连续不断电采集数据测试得到4621条数据样本，两种接入方式的数据采集成功率为100%，采集数据序列完整。根据《新型自动气象(气候)站功能需求书》规定，温度传感器分钟连续最小变化误差0.2℃。设定直连接入方式作为标准采集输出值，串联继电器方式作为采集输出值，通过计算与标准采集输出值的误差，计算公式为误差=采集输出值-标准采集输出值，进而以计算误差结果分析串连继电器方式对数据准确性影响。如图6(a)所示，两传感器采集的4621个数据样本，采集周期为1min，数值及发展趋势几乎一致。如图6(b)图所示，按计算公式计算得出误差值为-0.1～0.1，其中零误差4550条，占98.46%，-0.1差值37条，占0.8%，0.1差值34条，占0.74%，所有数据样本均在允许误差内。

图6 测试运行采集数据

由图6(a)可知，经过继电器的气温传感器1和未经过继电器的气温传感器2所采集的温度曲线几乎重合。为了量化说明两气温传感器采集的数据存在的差异，可以计算两列时间序列的协方差，如式(2)所示[7]。

(2)

(3)

2.3 运行稳定性

为保障业务正常运行及继电器功能，测试运行过程中继电器常闭状态。测试系统经过连续18天不间断供电运行测试，模拟强雷暴天气过境时继电器因接收到控制信号驱动线圈工作而处于常开状态和强雷暴天气结束时继电器状态切换传感器功能正常开启。经过模拟测试证明，该系统具有较高的可靠性及稳定性，具备运用于业务的可行性。

3 结论

①研究发现，气温传感器1和气温传感器2在测试运行期间采集的数据的协方差值为0.99987356，数据序列具有较高的相似度。因此，本文设计的主动防雷系统对地面观测业务不会产生任何影响，传感器的测量数据符合《新型自动气象(气候)站功能需求书》规定要求。

②ConvLSTM识别强雷暴天气发展过程具有较高的准确率，通过识别结果向控制模块发出的控制信号，能够切断B站观测传感器及各类采集器的供电通路，实现自动气象站自动化防雷，从而达到保护B站观测设备的目的。

③使用其他数据(如三维闪电数据等)对ConvLSTM识别结果进行修正对于提高准确率有较大帮助，同时也会增加防雷指令输出模块的延时。

④为了提高计算的时间效率，对于雷达组合反射率图像采取了降采样及灰度化的处理，一定程度上弱化了雷达回波，是产生强雷暴天气误报的原因之一。

⑤本系统在测试过程中表现出极高的稳定性，可以在强雷暴天气条件下自动保护B站观测设备，同时也避免了人工关闭B站过程中可能出现的人员伤亡事故，适合龙岩市气象观测业务实际运行需求，具有较广的应用性。