CN1936880A - 采用网格法确定雷电参数的统计方法 - Google Patents

采用网格法确定雷电参数的统计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及采用网格法确定雷电参数的统计方法，其采用计算机对人工气象站雷电原始资料和雷电自动监测数据进行处理，建立数据库，以地理信息系统(GIS)和数据库为分析平台，对被统计区域按等面积法自动划分网格，对每个网格的数据资料进行统计，并且使自动划分的每个网格具有与雷电自动监测数据、人工气象站雷电原始资料相同坐标系地理属性，采用网格法统计出的雷电参数关联网格所在地域；其优点是，实现了对大区域、大样本、自动监测的资料进行雷电参数统计，尤其是基于比对传统人工气象雷电长期观测值确定的网格面积统计雷电日参数，解决了目前用雷电定位系统监测数据统计雷电日参数不一致难题。本发明实现方法简单，具有很好的操作性和实用性。

Description

采用网格法确定雷电参数的统计方法
技术领域
本发明涉及雷电参数的统计方法，具体地说涉及采用网格法确定雷电参数的统计方法。
背景技术
雷电参数(例如雷电日、地闪密度等)是用来表示某一区域雷电活动强弱特征的、是防雷工程设计或验算中一个重要的基础数据。过去，由于缺乏雷电自动监测手段，雷电参数统计资料的来源是依据常规地面气象观测站的人工监听记录。据申请人所知，按气象组织规定：某天某气象站人工记录到一次听见的闪电声，即为该气象站代表区域的一个雷电日，称为站雷电日。气象站代表区域以人的监听范围(半径8～12km)为界。若统计区域内有多个气象站，则以全体气象站的年雷电日的算术平均值表示该区域年平均雷电日，或以最大的站雷电日表示该区域年最大雷电日。地闪密度则是通过统计输电线路雷击闪络次数以及输电线路雷击闪电地区的雷电日，推算出计算地闪密度的经验公式。显而易见，受气象站布局制约，在布站过疏条件下，用各个分离的气象站人工监听雷电资料统计的雷电日参数实际上只能用于代表各个分隔的区域，是不可能表示广大、连续区域的；布站过密，会存在统计重叠现象。而地闪密度因采用非直接测量资料，其数据会因条件变化产生较大误差。今天，随着雷电定位系统广泛应用和自动监测数据的有效积累，工程领域迫切地希望能用自动监测数据替代传统的人工监听雷电资料来统计雷电参数，以保证统计结果的可靠性和准确性。据了解，不同于传统气象观测站，现有的雷电定位系统的监测区域一般是一个行政省或数个行政省，并且，其监测区域是连续、无重叠的，因而，统计雷电参数的工作量大，需要通过计算机进行数据处理，只有采用计算机进行数据处理，建立雷电监测数据的分析平台，才可能实现统计雷电参数工作的自动化。到目前为止，在雷电参数统计与分析中，还没有一种有效的、自动的统计方法能做到对大区域、大样本、自动监测的资料进行雷电参数统计，这种状况急需改变。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的不足，提出采用网格法确定雷电参数的统计方法。其属于一种网格统计法确定雷电参数的计算机自动统计方法，适用于大区域、大样本、自动监测的雷电定位系统监测数据统计样本进行雷电参数统计。其所获取的雷电日参数与传统气象统计值有比对性。
本发明的技术解决方案是，采用计算机对人工气象站雷电原始资料和雷电自动监测数据进行处理，建立数据库，以地理信息系统(GIS)和数据库为分析平台，其特征在于，对被统计区域按等面积法自动划分网格，由计算机对每个网格的数据资料进行统计，并且使雷电自动监测数据被赋于雷电专题属性和地理属性，自动划分的每个网格具有与雷电自动监测数据相同坐标系地理属性，采用网格法统计出的雷电参数关联网格所在地域；根据所设定的网格面积，将人工气象站雷电原始资料同样赋于地理属性；采用网格法统计的步骤如下：
(1)首先，将雷电自动监测数据按时间、位置、雷电流幅值与极性、主放电与次序放电的专题属性数据通过计算机存入数据库，采用有GIS处理功能的计算机程序对数字地图上的选定区域进行等面积网格划分，设定每个网格为一个雷电统计单元，将数据库中的专题数据按地理属性调入对应网络作为统计样本，统计每个网格出现雷电次数；
(2)选择网格面积；
(3)设定每个网格每天出现一次雷电，定义为一个网格雷电日；设定每个网格每个小时出现一次雷电，定义为一个网格雷电时；统计年平均雷电日、年平均雷电时参数时，先统计每个网格的年平均雷电日、年平均雷电时，再对所选定区域全体网格求均值，统计出该区域年平均雷电日、年平均雷电时；同样，将每个网格的年雷电次数除以网格面积，统计出地闪密度参数；
选择网格面积是统计雷电日参数的前提条件，用步骤(1)选定具有一定经纬度的网格，统计出对应各个网格的年平均雷电日参数，比对用相同区域的人工气象雷电观测值，选定与人工气象雷电观测值接近的网格，作为网格法统计雷电日的标准网格。
其特征在于，用步骤(1)选定经纬度为0.1°×0.1°、0.125°×0.125°、0.15°×0.15°、0.175°×0.175°、0.2°×0.2°、0.225°×0.225°6种网格，统计出对应各个网格的年平均雷电日参数，比对用相同区域大于10年的人工气象雷电观测值，选定与人工气象雷电观测值接近的网格，作为网格法统计雷电日的标准网格。
本发明的优点是，采用本发明，实现了用计算机有效、自动的对大区域、大样本、自动监测的资料进行雷电参数统计，尤其是基于与人工气象雷电长期观测值比对后确定的网格面积统计雷电日参数，解决了目前用雷电定位系统监测数据统计雷电日参数不一致的难题。本发明实现方法简单、明了，具有很好的操作性和实用性。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明在福建省数字地图上应用示意图；
具体实施方式
下面，结合附图对本发明作实施例进一步详细描述说明。
如图1所示，本发明通过计算机录入人工气象站的雷电原始记录资料(即人工气象站雷电原始资料)和雷电定位系统自动监测数据，采用计算机进行数据处理。使用有GIS功能计算机程序，以人工气象站的雷电原始记录资料和雷电定位系统自动监测数据共同作为统计样本，将其分别输入计算机中，以数字地图为基础，将人工气象站的雷电原始记录资料和雷电定位系统自动人工监测数据进行处理，建立雷电日参数统计数据系统，实现统计数据分析处理的自动化，其包括的数据有：人工气象站的雷电原始记录资料、气象站雷电日的统计、单个气象站雷电日、区域对象最大雷电日Td max和平均雷电日Td、雷电定位系统自动监测数据，采用网格法对雷电日统计，获取单气象站对象网格法雷电日和区域对象网格法雷电日数据，并与(以人工气象站的雷电原始记录资料获取的)单个气象站雷电日、区域对象最大雷电日Td max和平均雷电日Td的统计数据进行比对，确定所需的分析数据和结果。其采用如下步骤：(1)首先，将雷电自动监测数据按时间、位置、雷电流幅值与极性、主放电与次序放电的专题属性数据通过计算机存入数据库，采用有GIS处理功能的计算机程序对数字地图上的选定区域进行等面积网格划分，设定每个网格为一个雷电统计单元，将数据库中的专题数据按地理属性调入对应网络作为统计样本，统计每个网格出现雷电次数；(2)设定每个网格每天出现一次雷电，定义为一个网格雷电日；设定每个网格每个小时出现一次雷电，定义为一个网格雷电时；统计年平均雷电日、年平均雷电时参数时，先统计每个网格的年平均雷电日、年平均雷电时，再对所选定区域全体网格求均值，统计出该区域年平均雷电日、年平均雷电时；同样，将每个网格的年雷电次数除以网格面积，统计出地闪密度参数；(3)选择网格面积；用步骤(1)选定经纬度为0.1°×0.1°、0.125°×0.125°、0.15°×0.15°、0.175°×0.175°、0.2°×0.2°、0.225°×0.225°6种网格，统计出对应各个网格的年平均雷电日参数，比对用相同区域大于10年的人工气象雷电观测值，选定与人工气象雷电观测值接近的网格，作为网格法统计雷电日的标准网格。
上述数据处理可以在一台计算机上进行处理，也可以在多台计算机上通过网络连接，进行数据交换处理。从而有效地运用本发明提出的技术方案，获得统计数据资源，做到统计数据资源共享。
如图2所示中，是本发明采用的数字地图中的实例——福建省的电子地图，其上标有67个气象观测站地理位置，其中有旗帜标识的站点为雷电定位系统的站点。本发明采用计算机录入收集到的福建省各地气象站的雷电原始记录资料和雷电定位系统自动监测数据。使用计算机程序进行数据处理。
1.气象雷电资料及其统计值
气象雷电资料取自福建省气象局1993～2005年全省气象观测站的雷电原始记录。福建省在1993～2000年，有25个气象观测站，2001年扩建至67个气象观测站，雷电原始记录资料包括：气象观测站的坐标，观测的年、月、日、起止时间、监听方向，见表1，如1993年4月5日16:54～17:50在气象站西南、西北方向听到雷声，在17:40～18:28在气象站南方听到雷声。
表1：某气象观测站雷电原始记录资料样本
年份  月份  日期  起止时间       方向    起止时间       方向
1993    1    14   16:26          S
1993    2    20   19:04  19:10   SW
1993    3    23   17:20          SW
1993    3    27   14:38  15:04   NE      15:35          SW
1993    3    28   10:47          SW
1993    4    1    9:44           SE
1993    4    5    16:54  17:50   SW      NW17:40 18:28  S
用全省13年(1993～2005年)67个气象观测站的雷电原始记录资料，统计各气象站观测的年雷电日以及13年平均年雷电日。雷电日统计技气象组织规定：每天记录一次雷电，即为一个雷电日。以武夷山气象站统计为例，平均雷电日取13年(1993～2005年)观测均值，见表2。
表2：武夷山气象站雷电日及雷电小时统计结果(1993～2005)
  年份   93   94   95   96   97   98   99   00   01   02   03   04   05   93~05
  雷电日   59   66   80   57   66   61   72   39   42   60   48   45   52   58
表3：福建省雷电日及雷电小时统计结果(1993～2005)
 年份  93  94  95  96  97  98  99  00  01  02  03  04  05  93~05
 雷电日  54  48  47  46  61  50  49  40  38  40  28  36  37  44
某一区域的雷电日的统计样本是域内全体气象站观测值，表3给出的福建省1993～2005年67个气象观测站的年平均雷电日统计结果，其中25个气象站统计时段是13年，另外42个气象站统计时段是5年。
工程上在选取雷电日参数时会注意2点：①雷电日代表的区域，通常以一个地区作为统计区域比单气象站或全省更为适用；②用年平均值表示的雷电日参数(以每个气象站的每年观测值为统计样本)分散性大，在一些工程应用上常常取区域内最大值(以每年最大的观测值为统计样本)作为该区域雷电日指标，以备留足防雷余度。表4是福建省各地区1993～2005年平均雷电日、最大雷电日，并给出了最大雷电日(Td max)/平均雷电日(Td)的比值为1.2。
表4：福建省各地区平均雷电日、最大雷电日
(1993～2005年)
  地区     Td     Td max     Td max/Td
  福州     43     52     1.20
  龙岩     54     65     1.22
  南平     45     61     1.35
  宁德     41     48     1.16
  莆田     38     42     1.10
  泉州     36     49     1.35
  三明     49     61     1.24
  厦门     35     36     1.02
  漳州     38     43     1.14
  比值     1.20
概括传统气象雷电日统计方法：以气象站观测资料为统计源，先对气象站记录的雷电日按统计年段求均值，再按统计区域求多个气象站统计均值，其特点是统计源由多个分散的、不相关的、固定的气象站观测资料构成。
2.网格法雷电日统计
不同于气象观测站，雷电定位系统是一种大面积、全自动雷电监测网。其显著特点一是监测面积大，一套中等规模的雷电定位系统就能全自动监测一个省域的地闪放电活动，大大超过一个气象站监听8～10km的范围；二是其监测的数据遍及整个覆盖区域，是非固定的。针对以上特点，本实施例提出一种新的雷电日统计方法—网格法：用有GIS处理功能的计算机程序对数字地图上对应雷电定位系统监测区域进行等面积网格划分，设定每个网格为一个雷电统计单元，将数据库中的专题数据按地理属性调入对应网络作为统计样本，统计每个网格出现雷电次数；视每个网格为一个设定监测单元，以每个网格监测的雷电天数为统计源进行雷电日统计。网格法实质是将雷电定位系统监测的广阔区域转变成一个个均匀的、连续的、没有空白的观测站。
在用网格法统计雷电日参数时，是对选定区域进行等面积网格划分，如0.15°×0.15°(对应15km×17km)，即设每个网格为一个雷电测量单元，每个网格每天出现一次雷电，即为一个网格雷电日；按整时划分雷电小时，记为网格雷电时。先统计每个网格的年平均雷电日、年平均雷电时，再对选定区域全体网格求均值，即统计出该区域年平均雷电日、年平均雷电时。
显而易见，统计值正比网格面积。假设选择全省为唯一网格，其统计值就会是全省有雷天数，这会大大超过气象雷电日参数，是不对的。为便于工程领域在现有防雷设计规程下参考选用，用网格法统计雷电日一定要溯源气象雷电日参数，并且，长期积累的气象雷电资料也是确定网格大小的唯一标尺。参照气象观测站的监听范围，选定0.1°～0.225°6种网格进行比较，对应网格的边长、面积及全省网格数见表5。
表5 福建省网格法划分表
 经纬度网格     边长(km×km)     面积(km2)     网格总数(个)
 0.225°×0.225°     22.5×25     562     274
 0.2°×0.2°     20×22     444     341
 0.175°×0.175°     17.5×19.4     340     441
 0.15°×0.15°     15×16.7     250     592
 0.125°×0.125 °     12.5×13.9     173     828
 0.1°×0.1°     10×11     111     1269
分期建成的福建电网雷电定位系统于2000年底投运了福州、厦门、漳平和南平4个探测站，2002年2月，增加绍武、三明、宁德、蒲田探测站，2003年底，增加蒲美站探测站，见图1中小旗帜标识。本实施例取2001～2005年雷电定位系统监测数据为统计资料，统计样本数据库中全部采用3站及以上定位数据，对3站双解汇聚区域进行了强制剔除，未作探测效率修正。
表6是对雷电定位系统2001～2005年4年测量数据进行不同网格统计。为比对方便，在表中顶栏和底栏列出相同时段的气象雷电日最大值和平均值。
表6：网格法雷电日统计值(2001～2005年)
由于观测方法和数据源分布不同，并且统计样本时段只有4年，故网络法统计值是不可能完全对应气象统计值。但从总体上看，0.15°网格统计值与气象雷电日平均值最接近，其偏差为10％，仅龙岩和厦门比对值偏差较大。查阅气象原始资料发现，龙岩地处山区，有7个观测站，最大统计值达62，使其均值偏高，而厦门只有2个观测站，且处在城市之中，监听效果可能不理想。据国家气象信息中心2005年6月15日发布的省会城市(计划单列市)雷暴日资料显示厦门1975年雷电日曾高达67。剔除龙岩和厦门数据，两者偏差为5.8％。相比气象雷电日最大值，0.2°×0.2°和0.225°×0.225°网格法统计值偏差偏大，达17％、20％，这是因为气象雷电日最大值是直接选用观测的极大值，而网格统计值只能选用均值缘故。
因此，采用网格法统计福建省平均年雷电日时，选定0.15°×0.15°网格面积，统计最大年雷电日时，选定0.2°×0.2网格面积。

Claims (2)

1、采用网格法确定雷电参数的统计方法，采用计算机对人工气象站雷电原始资料和雷电自动监测数据进行处理，建立数据库，以地理信息系统(GIS)和数据库为分析平台，其特征在于，对被统计区域按等面积法自动划分网格，由计算机对每个网格的数据资料进行统计，并且使雷电自动监测数据被赋于雷电专题属性和地理属性，自动划分的每个网格具有与雷电自动监测数据相同坐标系地理属性，采用网格法统计出的雷电参数关联网格所在地域；根据所设定的网格面积，将人工气象站雷电原始资料同样赋于地理属性；采用网格法统计的步骤如下：
(1)首先，将雷电自动监测数据按时间、位置、雷电流幅值与极性、主放电与次序放电的专题属性数据通过计算机存入数据库，采用有GIS处理功能的计算机程序对数字地图上的选定区域进行等面积网格划分，设定每个网格为一个雷电统计单元，将数据库中的专题数据按地理属性调入对应网络作为统计样本，统计每个网格出现雷电次数；
(2)选择网格面积；
(3)设定每个网格每天出现一次雷电，定义为一个网格雷电日；设定每个网格每个小时出现一次雷电，定义为一个网格雷电时；统计年平均雷电日、年平均雷电时参数时，先统计每个网格的年平均雷电日、年平均雷电时，再对所选定区域全体网格求均值，统计出该区域年平均雷电日、年平均雷电时；同样，将每个网格的年雷电次数除以网格面积，统计出地闪密度参数；
选择网格面积是统计雷电日参数的前提条件，用步骤(1)选定具有一定经纬度的网格，统计出对应各个网格的年平均雷电日参数，比对用相同区域的人工气象雷电观测值，选定与人工气象雷电观测值接近的网格，作为网格法统计雷电日的标准网格。
2、根据权利要求1所述的采用网格法确定雷电参数的统计方法，其特征在于，用步骤(1)选定经纬度为0.1°×0.1°、0.125°×0.125°、0.15°×0.15°、0.175°×0.175°、0.2°×0.2°、0.225°×0.225°6种网格，统计出对应各个网格的年平均雷电日参数，比对用相同区域大于10年的人工气象雷电观测值，选定与人工气象雷电观测值接近的网格，作为网格法统计雷电日的标准网格。
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