雷电灾害风险评估讲课

雷电灾害风险评估讲课第1页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷电危害第2页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷电的巨大破坏力黄岛油库火灾具有强烈电磁辐射第3页，共53页，2023年，2月20日，星期四电力、电子系统故障建筑物损坏火灾、计算机损坏雷电物理与防护工程实验室第4页，共53页，2023年，2月20日，星期四电子器件严重损坏涉及电力、交通、银行等各个行业和部门雷电物理与防护工程实验室第5页，共53页，2023年，2月20日，星期四平均每年雷电造成800多人伤亡，平均死亡420人。雷电物理与防护工程实验室第6页，共53页，2023年，2月20日，星期四1997-2005年度全国不完全统计得到雷电灾害事故分布雷电物理与防护工程实验室第7页，共53页，2023年，2月20日，星期四Lightning:ANaturalHazard• Annually85-100deaths,300injuries• Annually$200,000,000propertydamage• Started15,000forestfiresinlast10years• 2,000,000AcresofforestburnedTYPEOFSTORMApprox.Avg.AnnualDeathsApprox.Avg.AnnualPropertyDamageLightning85-100200MillionTornado80300MillionHurricane25500MillionHail<11BillionComparisonwithotherweather-relatedhazards………..第8页，共53页，2023年，2月20日，星期四我国地处温带和亚热带地区，雷暴活动具有发生频次多、范围广、危害严重、社会影响大的特点，严重威胁着我国的社会公共安全和人民生命财产安全。我国年平均雷暴日雷电物理与防护工程实验室第9页，共53页，2023年，2月20日，星期四

我国雷电分布特点雷电物理与防护工程实验室第10页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷电防御的重要内容，雷电防护科技服务的重要组成部分国家公共安全、航空航天、国防、工业建设、电力和电信、交通等具有重要的需求目的和意义雷电物理与防护工程实验室第11页，共53页，2023年，2月20日，星期四国内外研究人员采用各种资料，对雷电的临近预报方法进行了研究，主要手段：探空、雷达、卫星、闪电定位、电场以及数值模式产品严格来说，利用某些（如探空）数据不能对雷电进行临近预报，只能给出雷暴的潜势预报，但潜势预报对于雷电的临近预报具有一定的参考和指示作用。国内外研究进展雷电物理与防护工程实验室第12页，共53页，2023年，2月20日，星期四探空资料的应用雷电天气潜势预报对多种大气不稳定参数（如对流有效位能、潜在－对流性稳定度指数、对流性稳定度指数、潜在性稳定度指数、700hpa相当位温、抬升指数、700-400hpa平均相对湿度、800-600hpa平均相对湿度等等）和闪电频数的关系进行分析，挑选相关较好的参数或者参数组合方法：统计、决策树等时空分辨率都很差雷电物理与防护工程实验室第13页，共53页，2023年，2月20日，星期四Neumann（1971）使用800～600hpa平均相对湿度来预报闪电活动的发生Solomon和Baker（1994）在研究新墨西哥州雷暴时，使用了对流有效位能和抬升指数等因子，并发现，当对流有效位能的值大于400时，可以较好的预报闪电活动的发生，而抬升指数不是预报闪电活动的关键因子Peterson,et.al.（1996）也发现在24小时的对流有效位能和24小时的地闪总数之间存在着一较弱的关联郑栋等（2005）利用北京地区M-LDARS闪电定位系统的观测资料，结合探空资料，分析了182个有闪电活动和153个无闪电活动的多个大气不稳定参数与闪电活动的关系。结果表明潜在－对流性稳定度指数、抬升指数、对流有效位能和700hpa相当位温与闪电活动具有较好的相关性，而中层湿度与闪电活动的相关性没有以上几个参数明显第14页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷达资料的应用可以作雷电临近预报利用回波强度资料对雷暴单体和单体群进行识别、跟踪、预报；还可以利用多普勒雷达的径向速度资料对辐合辐散进行识别，改进雷电的预报效果方法：统计、外推优点：时空分辨率较高，已经有比较成熟的算法和产品缺点：建设、维护、运行费用高，近距离和头顶观测有盲区，观测量与电特征参数之间的关系还不是很明确雷电物理与防护工程实验室第15页，共53页，2023年，2月20日，星期四HondlandEilts（1994）：发现在冻结层附近首先探测到10dBz回波可能是雷暴的初生特征，但预报员在1996年百年奥运的气象保障预警业务中发现这个指标并不可靠，最后选用了云顶高度参数作为预报因子（Johnsonetal.，2000）GremillionandOrville（1999）分析了经过美国肯尼迪航天中心的39个雷暴，结果表明当云地闪将要发生时，雷达反射率和预报对象之间存在一个相关关系，对于夏季雷暴，最好的预警指标是在-10°C层高度、在两个连续的体扫描上都能达到40dBz的阈值，使用这种方法的预报概率是84%、虚警率是7%、中值预警时间为7.5min雷电物理与防护工程实验室第16页，共53页，2023年，2月20日，星期四以雷达为工具的雷电临近预报经验规则现象规则单体雷暴内云内闪初生37～44dBz，在-10°C层以上，高度≥3000Ft，持续10～20min单体雷暴内云地闪初生45～48dBz，在-10°C层以上，高度≥3000Ft，持续10～15min砧状云内云内闪≥23dBz，垂直厚度≥4000Ft，且依附着积雨云母体砧状云内云地闪≥34dBz，垂直厚度≥4000Ft，且依附着积雨云母体碎云的云内闪顶高≥30000Ft，在-10°C层以上有大的回波强度≥23～44dBz的体积（较弱的回波需要较大的垂直厚度，如：23dBz对应≥10000Ft）碎云的云地闪顶高≥30000Ft，存在回波强度≥45～48dBz的体积闪电终止不再符合上述规则单体雷暴内最后一个云地闪（试验性的）<45dBz，在-10°C层及其以上，持续时间≥30min雷电物理与防护工程实验室第17页，共53页，2023年，2月20日，星期四以雷达为工具的雷电临近预报经验规则局地辐合方法现象规则积雨云散度≤-35×10-3s-1，持续时间≥35～45min闪电在上述积雨云辐合事件期间，辐合迅速增加15～20min闪电峰值辐合逐渐转成辐散碎云闪电上述过程继续，直到辐散值达到最大海风辐合散度：-25×10-3s-1～-30×10-3s-1雷电物理与防护工程实验室第18页，共53页，2023年，2月20日，星期四卫星资料的应用如果时间分辨率足够高，可以作雷电临近预报对云顶高度和云顶温度进行观测，计算云顶上升速度和冷却率，识别可能发生雷电的对流云方法：统计、外推监测范围很广，但时空分辨率较低，并且云层的相互遮挡会影响观测Smith（1998）采用同步卫星红外云图资料，对比了云顶冷却率超过0.5°C/min的时间和第一次云地闪出现的时间，结果表明前者比后者提前了半个小时或更长时间。雷电物理与防护工程实验室第19页，共53页，2023年，2月20日，星期四闪电观测资料的应用可以作雷电临近预报通过对云闪、云地闪和总闪的观测，对云地闪或者闪电的移动、生消趋势进行预报方法：统计、外推组网观测，实时性较强，但预警时间较短雷电物理与防护工程实验室第20页，共53页，2023年，2月20日，星期四美国闪电定位网雷电物理与防护工程实验室第21页，共53页，2023年，2月20日，星期四SAFIR干涉仪系统能够实时监测云闪和地闪的发展过程，而大量研究表明云闪会比云地闪提前（副岛毅、奥山和彦，1998；SolomonandBaker,1998；etal.），因此可以有效地利用SAFIR干涉仪的探测资料，用于云地闪电的临近预报。SAFIR雷电探测系统雷电物理与防护工程实验室第22页，共53页，2023年，2月20日，星期四目前也有星载的闪电探测资料，如OTD和LIS，但都是极轨卫星，不能对某一区域进行连续观测，不适于作雷电临近预报。雷电物理与防护工程实验室卫星雷电探测第23页，共53页，2023年，2月20日，星期四地面电场观测资料的应用可以作雷电临近预报对地面电场进行连续的观测，通过组网、实时资料分析，推断雷暴发展和移动趋势，进行雷电临近预报具有较长的预警时间仪器的观测环境如果比较复杂，观测资料的分析将很困难；空间电荷层对雷暴下地面电场的影响还需进一步的研究分析。雷电物理与防护工程实验室第24页，共53页，2023年，2月20日，星期四数值模式利用已有的数值预报模式的预报产品计算各个区域多种大气不稳定参数等特征量，利用统计关系获得雷暴天气潜势预报结果如Ducrocqet.al.(1998),Calaset.al.(2000)等雷电物理与防护工程实验室第25页，共53页，2023年，2月20日，星期四NSSL(NationalSevereStormsLaboratory)用高时空分辨率的RUCNWP模式输出，运用PerfectPrognosis逼近方法和主分量分析，把模式给出的200个预报结果和闪电气候学特征结合后简化为10多个预报，运用逻辑回归最后得到合理预报。同以前的方法比较，有明显的改进，且填补了外推和模式诊断之间的空白。但当延长时间后由于模式运行本身的误差，闪电预报变得很差，建议采用更新的WRF模式以有助于闪电预报。将数值预报模式和雷暴云起电、放电模式相结合，目前正在研究。雷电物理与防护工程实验室第26页，共53页，2023年，2月20日，星期四各种资料都有自己的缺点，采用单一的资料很难给出较为理想的预报结果，因此，将多种观测资料结合应用，寻找多个预警指标以及不同方法之间的有效组合，建立更加有效的雷电临近预报方法是目前国内外研究的热点之一虽然人们找到了各种雷电临近预警的指标，但没有一个指标能够提供非常好的预报效果，ChurmaandSmith（1997）的分析结果表明：不同的传感器的观测资料在雷暴探测中具有互补性，如当只用雷达资料或只用闪电资料来运行某一算法时，预报概率为74%，而采用综合资料时的预报概率为85%。雷电物理与防护工程实验室第27页，共53页，2023年，2月20日，星期四目前我国的一些进展我国也已经在部分地区通过架设SAFIR干涉仪、雷达和闪电定位系统、地面大气电场仪等探测设备，用于雷电的预警，目前主要集中于航天航空发射场，如西昌、酒泉、太原等，但还没有开展运用这些观测资料进行雷电临近预报方法方面的研究工作。雷电物理与防护工程实验室第28页，共53页，2023年，2月20日，星期四综合预报方法时间：每天8点和20点两次探空的站点数据代表区域：200km×200km代表时间：0~12h计算参数：多种不稳定参数（如潜在－对流性稳定度指数、抬升指数、对流有效位能和700hpa相当位温等）预报产品：0~12h内雷暴天气发生的概率输入数据：探空的站点数据代表区域：200km×200km代表时间：0~12h模式：二维雷暴云起电、放电模式预报产品：有无雷暴发生，闪电次数、频次随时间的变化，地面最大降水量，云中最大电场等（均为模式预报产品，模拟的是单体，与实际雷暴可能不一致）时间分辨率：1h格距：约10km×10km参数：云顶亮温等预报产品：0～2h内某个格点上闪电发生的概率时间分辨率：~6min格距：1km×1km参数：回波强度观测范围：半径约150km预报产品：对强回波单体和单体群进行识别和跟踪，对有可能发生闪电的区域进行预警实时观测数据，闪电发生时间、位置、强度、频次等。观测范围：半径约200km预报产品：对闪电发生区域进行监测、跟踪和预测单站或站网观测，对重点区域的地面电场进行实时监测，对附近区域将要发生的闪电进行预警卫星资料模式产品雷达资料探空资料地面电场观测闪电定位大的时空尺度小的时空尺度由多种观测资料计算多个预警指标，采用区域识别、跟踪和外推算法与决策树算法进行预警，并利用加权组合等方法给出雷电预警产品对历史资料进行统计分析，根据每天发布的天气形势预报结果给出该地区0～24h内发生雷暴天气的概率天气形势雷电预警预报方法研究雷电物理与防护工程实验室第29页，共53页，2023年，2月20日，星期四0～12h雷电活动潜势预报0～2h预警范围内每个格点发生雷电的概率0～2h预警范围内雷电活动移动趋势重点区域雷电活动预警地面电场资料应用模块闪电资料应用模块模式预报应用模块雷达资料应用模块卫星资料应用模块探空资料应用模块天气形势预报应用模块综合预报模块各种时空尺度的预报产品决策树算法区域识别、跟踪和外推算法雷电预警预报系统雷电物理与防护工程实验室第30页，共53页，2023年，2月20日，星期四对流有效位能决策过程示例潜在性稳定度指数极高中强不稳定700hpa相当位温对流性稳定度指数700hpa相当位温高700hpa相当位温对流性稳定度指数低高雷电发生概率：100％强度等级：强强不稳定不稳定对流性稳定度指数700hpa相当位温强不稳定雷电发生概率：66％强度等级：中中对流性稳定度指数中雷电发生概率：50％强度等级：强强不稳定雷电物理与防护工程实验室第31页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷暴云起电、放电模式的应用雷电物理与防护工程实验室第32页，共53页，2023年，2月20日，星期四格点区域雷电发生概率预报受副热带高压外围的偏南暖湿气流和南下的弱冷空气共同影响雷电物理与防护工程实验室第33页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷电活动区域移动趋势预报受副热带高压边缘的偏南暖湿气流和西来的高空槽的共同影响雷电物理与防护工程实验室第34页，共53页，2023年，2月20日，星期四重点区域雷电危险度等级预报雷电物理与防护工程实验室第35页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷电临近预警系统试运行试验武汉，20060705，局地雷暴过程雷电物理与防护工程实验室第36页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷电临近预警系统试运行试验武汉，20060707，大范围的雷暴过程雷电物理与防护工程实验室第37页，共53页，2023年，2月20日，星期四雷电临近预警系统试运行试验北京，20060724，雷电活动区域分布较为复杂雷电物理与防护工程实验室第38页，共53页，2023年，2月20日，星期四个例1：2006年7月9日

7月9日凌晨，受局地降雨云团的影响，北京市大部分地区出现了雷阵雨天气。这次降雨虽然分布范围较广，但雨量分布极不均匀，其中海淀、石景山和门头沟均达到暴雨量级，特别是门头沟7月8日20:00～7月9日06:00的雨量达到74mm。从整体上看，本次过程的雷电活动区域基本呈西南-东北带状分布，并且逐渐由西向东移动，在03:00左右经过海淀区上空。雷电物理与防护工程实验室第39页，共53页，2023年，2月20日，星期四SAFIR3000雷电监测结果雷电物理与防护工程实验室第40页，共53页，2023年，2月20日，星期四预报情况

图22006年7月9日03:00CAMS_LNWS给出的03:00～04:00雷电发生概率预报结果和闪电定位监测结果叠加显示（四张图依次对应03:00～03:15、03:15～03:30、03:30～03:45和03:45～04:00时段，绿色的点表示实测闪电定位结果）雷电物理与防护工程实验室第41页，共53页，2023年，2月20日，星期四2006070903:00CAMS_LNWS雷电发生概率预报结果评估预警时间15min30min45min1hPOD74%57%63%67%FAR69%71%68%68%(注：每15min做一次预报，共25次)由表1可以看到：2006070903:00CAMS_LNWS雷电发生概率预报得到的0～1h可能发生闪电的区域的命中率POD在57%～74%范围内变化，对应的有27%～43%的区域漏警，虚警区域所占比例FAR在70%左右，预报和实测还是比较一致的。评估结果雷电物理与防护工程实验室第42页，共53页，2023年，2月20日，星期四从连续25个时次的预报结果与实测结果对比得到的POD和FAR的中值（表2）可以看到：整体上看，POD和FAR分别随着预警时间的增加而减小和增大，对于0～30min的预报，POD在50%以上，FAR小于80%，结果还是比较理想的；而对于30min～1h的预报，POD减小到30%左右，FAR增加到85%以上。这主要是受外推算法的准确性和时效性所限。2006070901:00～07:00CAMS_LNWS雷电发生概率预报结果评估预警时间15min30min45min1hPOD中值56%52%33%26%FAR中值71%77%85%89%评估结果雷电物理与防护工程实验室第43页，共53页，2023年，2月20日，星期四个例2：2006年7月24日

7月24日下午，受对流云团的影响，北京市大部分地区出现了雷阵雨。气象站观测到的最大降雨出现在车道沟，雨量为88mm，城区的平均降雨量为41.4mm。本次雷阵雨天气过程同样伴随着大量的闪电活动，图4给出了7月24日14:00～20:00北京地区SAFIR系统得到的闪电定位结果，可以看到：与7月9日的过程不同，本次过程的雷电活动区域非常广，在该时间段内的某一时刻，北京地区多个区域同时有雷电活动发生。雷电物理与防护工程实验室第44页，共53页，2023年，2月20日，星期四2006年7月24日08:00～25日06:00北京市降水量分布图2006年7月24日14:00～20:00北京地区SAFIR系统闪电监测结果观测结果雷电物理与防护工程实验室第45页，共53页，2023年，2月20日，星期四预报情况

图52006年7月24日16:00CAMS_LNWS给出的16:00～17:00雷电发生概率预报结果和闪电定位监测结果叠加显示（四张图依次对应16:00～16:15、16:15～16:30、16:30～16:45和16:45～17:00时段，绿色的点表示实测闪电定位结果）雷电物理与防护工程实验室第46页，共53页，2023年，2月20日，星期四评估结果2006072415:00～20:00CAMS_LNWS雷电发生概率预报结果评估预警时间15min30min45min1hPOD中值46%39%32%23%FAR中值75%82%86%90%(注：每15min做一次预报，共21次)整体评估结果见表3，可以看到：对于2006年7月24日的雷暴天气过程，雷电活动区域相对比较复杂，发生范围广，分布也比较离散，CAMS_LNWS雷电发生概率预报得到的0～1h可能发生闪电的区域的命中率POD在23%～46%范围内变化，对应的有54%～77%的区域漏警，虚警区域所占比例FAR在75%～90%范围内变化。雷电物理与防护工程实验室第47页，共53页，2023年，2月20日，星期四从连续25个时次的预报结果与实测结果对比得到的POD和FAR的中值（表2）可以看到：整体上看，POD和FAR分别随着预警时间的增加而减小和增大，对于0～30min的预报，POD在50%以上，FAR小于80%，结果还是比较理想的；而对于30min～1h的预报，POD减小到30%左右，FAR增加到85%以上。这主要是受外推算法的准确性和时效性所限。2006070901:00～07:00CAMS_LNWS雷电发生概率预报结果评估预警时间15min30min45min1hPOD中值56%52%33%26%FAR中值71%77%85%89%评估结果雷电物理与防护工程实验室第48页，共53页，2023年，2月20日，星期四利用08:00探空得到的0～12h雷电活动潜势预报结果与实测结果的对比日期2006070809101112131415161718192021222324决策树预报有有有有有有有有有有有无有无无有有模式预报无无无有有有有无无无无无无有有有有SAFIR实测有有有无有无有有无无无无有无无有有