雷电监测技术规范DB35／T 1589-2016.pdf

ICS 07.060 A 47 DB35 福建省地方标准 DB35/T 15892016 雷电监测技术规范 Technical specifications for lightning detection 2016-06-02发布 2016-09-28实施福建省质量技术监督局 发布 DB35/T 15892016 I 目 次 前言.II1 范围.12 规范性引用文件.13 术语和定义.14 一般规定.35 监测方法.36 数据及传输要求.47 数据分析.58 设备保障.5附录A（规范性附录）主要仪器设备性能指标.7 附录B（资料性附录）空间插值及颜色分级.9参考文献.11 DB35/T 15892016 II 前 言 本标准依据GB/T 1.1-2009标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写给出的规则起草。本标准由福建省气象标准化技术委员会提出并归口。本标准起草单位：漳州市气象局、平和县气象局、漳州市防雷中心、厦门市翔安区气象局。本标准主要起草人：陈阿仲、黄声锦、官义明、黄志成、许乾杰、罗淑英、李全荣、黄义发、林旭东、林溪猛、郑小琴、林荣惠、傅景龙、戴玺君、魏晋明、罗丹。DB35/T 15892016 1 雷电监测技术规范 1 范围 本标准规定了雷电监测的一般规定、监测方法、数据及传输要求、数据分析、设备保障等内容。本标准适用于福建省的雷电监测。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 79-2007 闪电监测定位系统 第1部分：技术条件 GB 21139-2007 基础地理信息标准数据基本规定 3 术语和定义 以下术语和定义适用于本标准。3.1 雷电监测 lightning detection 雷电监测是指利用闪电辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电放电参数（时间、位置、强度、极性、能量等）。3.2 闪电 lightning flash 积雨云中正负不同极性电荷中心之间的放电过程，或云中电荷中心与大地和地物之间的放电过程，或云中电荷中心与云外相反极性的电荷中心之间的放电过程。QX/T 79-2007，定义3.1 3.3 地闪 cloud-to-ground flash;(CG)发生在雷暴云体与大地和地物之间的闪电放电过程。QX/T 79.2-2013，定义3.4 3.4 云闪 intra-cloud flash;(IG)放电通道不与大地和地物发生接触的闪电放电过程。QX/T 79-2007，定义3.3 3.5 DB35/T 15892016 2 闪电定位方法 lightning location method 闪电监测的技术基础是通过对闪电辐射的声、光、电磁场信息的测量，来确定闪电放电的空间位置和放电参数的技术方法。甚低频段一般采用磁定向法（MDF）、时间差法（TOA）以及定向和时间差联合法。甚高频段一般采用干涉法或时差法。QX/T 79-2007，定义3.5 3.6 基础地理信息数据 fundamental geographic information data 作为统一的空间定位框架和空间分析基础的地理信息数据，该数据反映和描述了地球表面测量控制点、水系、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被与土质、地籍、地名等有关自然和社会要素的位置、形态和属性等信息。GB 21139-2007，术语和定义3.1 3.7 地理信息系统 Geographic information system（GIS）是以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。GB/T 17694-2009，术语和定义 3.8 闪电强度 lightning intensity 指闪电放电电流值，正值为正闪电强度，负值为负闪电强度，单位千安培（kA）。QX/T 79-2007，附表A.3 3.9 大气电场仪 Atmospheric electric field mill 测量大气平均电场的设备，能够测量晴天和雷暴天气条件下大气平均电场值和极性的连续变化，探测闪电放电（包括云闪和地闪）所引起0km20km内的电场变化。QX/T 79-2007,附录C 3.10 雷电流峰值 Peak value of lightning current 雷电流峰值是指在一次雷闪中雷电流的最大值。雷电流峰值记录仪可测量闪电放电的电流峰值。电力名词（第二版）.科学出版社.2009.由全国科学技术名词审定委员会审定公布 3.11 雷电密度图 Lightning density distribution 为了分析地闪(或云闪)的分布情况，对某一个区域上发生的闪电进行密度分布图制作。雷电密度图包括密度空间分布图和等值分布图。DB35/T 15892016 3 4 一般规定 雷电危害较大区域应布设雷电监测设备进行雷电监测。雷电危害较大区域主要包括旅游景区、机场、码头、火车站、露天体育场、大型化工园区等。5 监测方法 5.1 人工观测 5.1.1 人工观测是通过目测、听声等对雷暴过程进行观测并记录。5.1.2 雷暴应记录其起止时间和方向。以第一次听到雷声时间为开始时间,最后一次听到雷声时间为终止时间；以第一次听到雷声的所在方向记为开始方向,最后一次听到雷声的所在方向为终止方向,按 8个方位记录。如雷暴始终在一个方向,则只记开始方向。5.2 设备监测和布局 5.2.1 雷电定位仪监测。雷电定位仪（也称闪电定位仪），利用磁定向(MDF)和讯号到达时(TOA)综合法，通过组网布局，用于确定各种雷电参数，高精度探测雷暴云地回击、云内闪击。监测内容包括雷电日期时间、雷电位置的经度、雷电位置的纬度、雷电位置的高度、雷电强度（正闪、负闪）、雷电电荷、雷电能量等。雷电定位仪的布局可考虑中长基线布局方式和短基线布局方式两种或者其结合。一般来说，对于中长基线布局方式，闪电定位仪间距在 80 km200 km比较合适，适用于省级（或区域）探测网络建设，短基线布局方式间距在 45 km80 km 比较合适，适用于地市级探测网络建设，短基线布局方式的优点是探测小电流的效率较高。5.2.2 大气电场监测。通过反推电荷结构、揭示雷暴起电程度，连续监测雷暴中的电荷在地面产生的静电场，监测电场强度值、电场变化率等参数。目前大气电场仪探测范围一般在 10 km20 km，间距设置 15 km较合理。5.2.3 雷达监测。通过新一代多普勒天气雷达在某一高度上的基本反射率或组合反射率，识别、跟踪和外推强回波区域。监测内容包括 40dBz 回波顶高、-10层结高度、0层结高度、0层结高度上 40dBz以上回波体积、25dBz 以上回波体积等参数。监测分析并预测雷暴单体是否发生，应根据三个因子：单体 40dBz 回波顶高突破 0 层结高度，单体 40dBz 回波顶高突破-10 层结高度，单体强回波比例值突破 5%并维持两次体扫以上时间。雷达的布局由气象部门通盘考虑，本规范不做介绍。5.2.4 卫星监测。通过在静止气象卫星上安装闪电成像仪，探测云间和云中的闪电放电。闪电成像仪包括闪电成像仪主体、闪电信息处理盒、闪电管理与温控盒及闪电配电盒。通过对氧原子吸收的特征谱进行接收，中心波长为 777.4nm，带宽波长 1nm，获取实时、连续的闪电图像。5.2.5 雷电流测量仪。真实记录和测量通过电源线路或防雷装置的雷电流参数（波形、幅值、陡度、极性），以及准确的雷击时间。性能指标见附录 A。雷电流测量仪的布局可根据需求在特定的场所布置，无特殊布设要求。5.2.6 高速摄像机监测。通过高速旋转照相法或者高速线扫描照相法，测量闪电的时间、闪电的速度和闪电的结构。高速摄像机的布局可根据需求在特定的场所布置，无特殊布设要求。DB35/T 15892016 4 6 数据及传输要求 6.1 监测数据 6.1.1 数据采集宜遵守及时性、可靠性、易获取的原则。雷电监测宜综合利用上述仪器设备的数据。6.1.2 雷电监测分析过程中用到的基础地理信息数据应以当地测绘部门提供的版本为准，并符合 GB 21139-2007 的要求。表1 雷电监测数据 序号 数据名称 数据内容描述 仪器 1 雷电日期时间 以年、月、日、时、分、秒、百分秒的形式 2 雷电位置的经度 单位：度()3 雷电位置的纬度 单位：度()4 雷电位置的高度 单位：km，仅对云闪有效 5 雷电强度（正闪、负闪）单位：kA，仅对云地闪有效 6 雷电电荷 单位：C，仅对云地闪有效 7 雷电能量 单位：J，仅对云地闪有效 雷电定位仪（空间分辨率：1km1km）8 电场强度 单位：V/m 大气电场仪（空间分辨率：1km1km）9 雷达回波强度 单位：dB，格点化处理的雷达回波数据或图片 10 回波顶高 单位：km 11 层结高度 单位：km 新一代多普勒天气雷达（空间分辨率：1km1km）12 雷电流峰值 单位：kA 13 极性 正极性（+）、负极性（-）雷电流测量仪 14 两次闪击的时间间隔 单位：s 高速摄像机 6.2 数据传输要求 6.2.1 雷电定位仪的数据应采用实时或准实时方式通讯传输，并符合 GB/T 79-2007 的要求。雷电定位仪数据通信方式为无线传输和有线传输，通信速率大于或等于 1200bps，通信误码率小于或等于 110-6。闪电定位系统还应通过网络等其他通信手段与其他应用系统连接，定时向其他应用系统传送闪电监测数据和图形产品，并能根据用户要求传输所需数据和图形产品。6.2.2 大气电场仪、雷电流测量仪宜支持 LAN、GPRS、3G、4G 等网络传输方式。6.2.3 新一代天气雷达宜采用专网的网络传输方式，并采用卫星通信作为应急手段。6.2.4 高速摄像机宜采用 3G、4G 等无线传输方式，或通过光纤传输方式。7 数据分析 7.1 分析方法 7.1.1 数据库查询统计采用数据库技术方法（SQL 查询语言）对雷电强度、雷电时间、雷电空间分布、雷暴日空间分布、雷电次数、电场强度、雷电流峰值及其极性进行统计分析。DB35/T 15892016 5 7.1.2 叠置分析以地理信息系统为平台，包含图层擦除、识别叠加、交集操作、对称区别、图层合并、修正更新和空间联合，将监测数据与基础地理信息数据层面进行叠置产生一个新的数据层面。7.1.3 点状化处理以地理信息系统为平台，将带有雷电监测数据属性的网格化数据图层进行要素转点处理，为空间插值做输入图层准备。7.1.4 空间插值和数据颜色分级，具体技术方法参见附录 C。7.2 分析结果 分析结果可采用雷电监测分析报告的形式提出。雷电监测分析报告分为日报、月报和年报，具体涵盖内容见表2。数据可使用雷电时空分布、雷电密度图、雷暴日分布图、雷达回波与雷电叠加图、大气电场强度变化图等图形方式描述。雷电密度图、雷暴日分布图、雷达回波与雷电叠加图的示例参见附录C。表2 雷电监测分析报告内容 内容 日报 月报 年报 概述 雷电强度分布 雷电时间分布（时段分布）（日分布）（月分布）（较高雷电日情况）雷电空间分布（空间分布）（地区统计）（密度分布）（平均密度）（雷暴日空间分布）雷电灾害 雷灾分月统计 雷灾地区统计 雷灾人员伤亡统计 雷灾行业和损失统计 个例分析 注1：（）内为段落包含内容，为根据实际情况决定该项有无，为必须包含的项，为无此项；注2：个例分析视具体情况而定。8 设备保障 8.1 监测设备应采取防雷措施。DB35/T 15892016 6 8.2 数据通信网络保障。设备应具备实时存储 48 h的数据备份存储能力，在通信手段和供电条件达不到数据传输实时性要求时，数据可复传或由监控中心调用。8.3 电源保障。电源系统宜采用太阳能或交流电源供电。当采用交流电源供电时，应具备电源自动切换功能，并配置至少维持 8 h 供电的备用 UPS电源。8.4 维护检修。监测设备应进行日常检查维护，做好设备的清洁维护，检查供电电源、各连接线缆、接地地线、通信网络连接状态，监视设备工作状况和日志文件的保存情况。当发生故障，应在 24 h 内处理，未能排除故障时，应向上级业务主管部门报告，同时通知厂家技术支持。DB35/T 15892016 7 A 的 A 附 录 A（规范性附录）主要仪器设备性能指标 本标准涉及的主要仪器设备是雷电定位仪、大气电场仪等，为了更好地理解雷电监测数据，需要知悉仪器设备的性能指标。主要性能如表A.1、表A.2和表A.3所示。表A.1 雷电定位仪主要性能指标 序号 性能名称 指标要求 1 回击探测效率 云地闪回击高于90%（站网内）2 雷电回击强度 相对误差小于10%，极性准确率高于99.9%3 雷电回击时间精度 优于10-4s 4 雷电回击分辨率 小于1ms 5 工作方式 自动、连续、实时测量，无人值守 6 可靠性 无故障工作时间20000 h 7 GPS授时精度 优于110-7s 8 过电压保护水平 1.5kV 9 功耗 25W 10 电压范围 AC220 V(+10%，-15%)，50Hz1Hz 备注 雷电定位仪的其它相关性能参见QX/T 79-2007闪电监测定位系统 第1部分：技术条件 空间分辨率：1km1km 表A.2 大气电场仪主要性能指标 序号 性能名称 指标要求 1 电场测量范围 低档：5kV/m，高档：50kV/m 2 分辨率 5V/m以上 3 动态变化率 100kV/m以上 4 测量误差 5%5 响应时间 100ms 6 模拟输出电压 10V 7 记录方式 数据文档存储及变化曲线显示 8 电源 交流：（22010%）V 直流：（122）V 9 功耗 8W 注：其它性能参见QX/T 79.2-2013闪电监测定位系统 第2部分：观测方法 空间分辨率：1km1km DB35/T 15892016 8 表A.3 雷电流峰值记录仪主要性能指标 序号 性能名称 指标要求 1 记录峰值 180kA10%2 记录阀值 1kA 3 工作温度-3065 4 湿度范围 095%5 信号间隔 小于10ms 6 工作电压 5V/DC10%7 工作方式 睡眠唤醒方式记录 8 电源损耗 待机2uA，记录350mA 9 信号类型 正极性或负极性 10 防护等级 IP65 DB35/T 15892016 9 B B 附 录 B（资料性附录）空间插值及颜色分级 B.1 总则 本标准中涉及到的相关技术处理方法：空间插值方法和数据颜色分级方法。B.2 空间数据插值 采用地理信息系统空间分析，利用特定取样网格进行统计，通过叠置分析、点状化处理和空间数据插值，在基础地理数据图层之上体现闪电的密度分布特征和雷暴日等值分布。雷暴日等值分布图见图B.1，体现某个区域发生雷暴日数的频繁程度，可根据地区面积大小、地形等各种因素，选择插值用的取样网格。雷电密度等值分布图见图B.2，体现某个区域发生雷电密集程度，可根据闪电定位系统的探测精度选取取样网格，一般采用目前主流设备的探测精度1km作为取样网格。雷达回波与闪电叠加图见图B.3，用于相互佐证强回波区和闪电高发区的重合程度。图B.1 某区域年平均雷暴日等值分布图示例 DB35/T 15892016 10 图B.2 某区域年平均雷电密度等值分布图示例 图B.3 某区域雷达回波与雷电叠加分布图示例 DB35/T 15892016 11 B.3 数据颜色分级方法 自然断点分级法（Natural breaks(Jenks)classification method），用统计公式来确定属性值的自然聚类。公式的功能就是减少同一级中的差异、增加级间的差异。其公式为：SSDi-j=ji kj imean k A2)(（1 i j.(1)N）(A.2)也可表示为：SSDi-j=ji kk A2-1)(2 i jk Aji k（1 i j N）(A.3)式中：A是一个数组（数组长度为N），meani-j每个等级中的平均值。可通过GIS平台实现数据颜色分级。DB35/T 15892016 12 参考文献 1 地理信息术语GB/T 17694-2009.2 电力名词（第二版）.科学出版社.2009 3 福建省雷电灾害风险评估管理办法（试行）.2010 4 雷电学原理.气象出版社.2006 _ DB35/T 15892016 福建省地方标准 雷电监测技术规范 DB35/T 15892016*2016年 10月第一版 2016年 10月第一次印刷