采用網格法確定雷電參數的統計方法

專利名稱：采用網格法確定雷電參數的統計方法
技術領域：
本發明涉及雷電參數的統計方法，具體地說涉及采用網格法確定雷電參數的統計方法。
背景技術：
雷電參數(例如雷電日、地閃密度等)是用來表示某一區域雷電活動強弱特征的、是防雷工程設計或驗算中一個重要的基礎數據。過去，由于缺乏雷電自動監測手段，雷電參數統計資料的來源是依據常規地面氣象觀測站的人工監聽記錄。據申請人所知，按氣象組織規定某天某氣象站人工記錄到一次聽見的閃電聲，即為該氣象站代表區域的一個雷電日，稱為站雷電日。氣象站代表區域以人的監聽范圍(半徑8～12km)為界。若統計區域內有多個氣象站，則以全體氣象站的年雷電日的算術平均值表示該區域年平均雷電日，或以最大的站雷電日表示該區域年最大雷電日。地閃密度則是通過統計輸電線路雷擊閃絡次數以及輸電線路雷擊閃電地區的雷電日，推算出計算地閃密度的經驗公式。顯而易見，受氣象站布局制約，在布站過疏條件下，用各個分離的氣象站人工監聽雷電資料統計的雷電日參數實際上只能用于代表各個分隔的區域，是不可能表示廣大、連續區域的；布站過密，會存在統計重疊現象。而地閃密度因采用非直接測量資料，其數據會因條件變化產生較大誤差。今天，隨著雷電定位系統廣泛應用和自動監測數據的有效積累，工程領域迫切地希望能用自動監測數據替代傳統的人工監聽雷電資料來統計雷電參數，以保證統計結果的可靠性和準確性。據了解，不同于傳統氣象觀測站，現有的雷電定位系統的監測區域一般是一個行政省或數個行政省，并且，其監測區域是連續、無重疊的，因而，統計雷電參數的工作量大，需要通過計算機進行數據處理，只有采用計算機進行數據處理，建立雷電監測數據的分析平臺，才可能實現統計雷電參數工作的自動化。到目前為止，在雷電參數統計與分析中，還沒有一種有效的、自動的統計方法能做到對大區域、大樣本、自動監測的資料進行雷電參數統計，這種狀況急需改變。

發明內容
本發明的目的是，克服現有技術的不足，提出采用網格法確定雷電參數的統計方法。其屬于一種網格統計法確定雷電參數的計算機自動統計方法，適用于大區域、大樣本、自動監測的雷電定位系統監測數據統計樣本進行雷電參數統計。其所獲取的雷電日參數與傳統氣象統計值有比對性。
本發明的技術解決方案是，采用計算機對人工氣象站雷電原始資料和雷電自動監測數據進行處理，建立數據庫，以地理信息系統(GIS)和數據庫為分析平臺，其特征在于，對被統計區域按等面積法自動劃分網格，由計算機對每個網格的數據資料進行統計，并且使雷電自動監測數據被賦于雷電專題屬性和地理屬性，自動劃分的每個網格具有與雷電自動監測數據相同坐標系地理屬性，采用網格法統計出的雷電參數關聯網格所在地域；根據所設定的網格面積，將人工氣象站雷電原始資料同樣賦于地理屬性；采用網格法統計的步驟如下(1)首先，將雷電自動監測數據按時間、位置、雷電流幅值與極性、主放電與次序放電的專題屬性數據通過計算機存入數據庫，采用有GIS處理功能的計算機程序對數字地圖上的選定區域進行等面積網格劃分，設定每個網格為一個雷電統計單元，將數據庫中的專題數據按地理屬性調入對應網絡作為統計樣本，統計每個網格出現雷電次數；(2)選擇網格面積；(3)設定每個網格每天出現一次雷電，定義為一個網格雷電日；設定每個網格每個小時出現一次雷電，定義為一個網格雷電時；統計年平均雷電日、年平均雷電時參數時，先統計每個網格的年平均雷電日、年平均雷電時，再對所選定區域全體網格求均值，統計出該區域年平均雷電日、年平均雷電時；同樣，將每個網格的年雷電次數除以網格面積，統計出地閃密度參數；選擇網格面積是統計雷電日參數的前提條件，用步驟(1)選定具有一定經緯度的網格，統計出對應各個網格的年平均雷電日參數，比對用相同區域的人工氣象雷電觀測值，選定與人工氣象雷電觀測值接近的網格，作為網格法統計雷電日的標準網格。
其特征在于，用步驟(1)選定經緯度為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種網格，統計出對應各個網格的年平均雷電日參數，比對用相同區域大于10年的人工氣象雷電觀測值，選定與人工氣象雷電觀測值接近的網格，作為網格法統計雷電日的標準網格。
本發明的優點是，采用本發明，實現了用計算機有效、自動的對大區域、大樣本、自動監測的資料進行雷電參數統計，尤其是基于與人工氣象雷電長期觀測值比對后確定的網格面積統計雷電日參數，解決了目前用雷電定位系統監測數據統計雷電日參數不一致的難題。本發明實現方法簡單、明了，具有很好的操作性和實用性。


圖1為本發明的原理框圖；圖2為本發明在福建省數字地圖上應用示意圖；具體實施方式
下面，結合附圖對本發明作實施例進一步詳細描述說明。
如圖1所示，本發明通過計算機錄入人工氣象站的雷電原始記錄資料(即人工氣象站雷電原始資料)和雷電定位系統自動監測數據，采用計算機進行數據處理。使用有GIS功能計算機程序，以人工氣象站的雷電原始記錄資料和雷電定位系統自動監測數據共同作為統計樣本，將其分別輸入計算機中，以數字地圖為基礎，將人工氣象站的雷電原始記錄資料和雷電定位系統自動人工監測數據進行處理，建立雷電日參數統計數據系統，實現統計數據分析處理的自動化，其包括的數據有人工氣象站的雷電原始記錄資料、氣象站雷電日的統計、單個氣象站雷電日、區域對象最大雷電日Td max和平均雷電日Td、雷電定位系統自動監測數據，采用網格法對雷電日統計，獲取單氣象站對象網格法雷電日和區域對象網格法雷電日數據，并與(以人工氣象站的雷電原始記錄資料獲取的)單個氣象站雷電日、區域對象最大雷電日Td max和平均雷電日Td的統計數據進行比對，確定所需的分析數據和結果。其采用如下步驟(1)首先，將雷電自動監測數據按時間、位置、雷電流幅值與極性、主放電與次序放電的專題屬性數據通過計算機存入數據庫，采用有GIS處理功能的計算機程序對數字地圖上的選定區域進行等面積網格劃分，設定每個網格為一個雷電統計單元，將數據庫中的專題數據按地理屬性調入對應網絡作為統計樣本，統計每個網格出現雷電次數；(2)設定每個網格每天出現一次雷電，定義為一個網格雷電日；設定每個網格每個小時出現一次雷電，定義為一個網格雷電時；統計年平均雷電日、年平均雷電時參數時，先統計每個網格的年平均雷電日、年平均雷電時，再對所選定區域全體網格求均值，統計出該區域年平均雷電日、年平均雷電時；同樣，將每個網格的年雷電次數除以網格面積，統計出地閃密度參數；(3)選擇網格面積；用步驟(1)選定經緯度為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種網格，統計出對應各個網格的年平均雷電日參數，比對用相同區域大于10年的人工氣象雷電觀測值，選定與人工氣象雷電觀測值接近的網格，作為網格法統計雷電日的標準網格。
上述數據處理可以在一臺計算機上進行處理，也可以在多臺計算機上通過網絡連接，進行數據交換處理。從而有效地運用本發明提出的技術方案，獲得統計數據資源，做到統計數據資源共享。
如圖2所示中，是本發明采用的數字地圖中的實例——福建省的電子地圖，其上標有67個氣象觀測站地理位置，其中有旗幟標識的站點為雷電定位系統的站點。本發明采用計算機錄入收集到的福建省各地氣象站的雷電原始記錄資料和雷電定位系統自動監測數據。使用計算機程序進行數據處理。
1.氣象雷電資料及其統計值氣象雷電資料取自福建省氣象局1993～2005年全省氣象觀測站的雷電原始記錄。福建省在1993～2000年，有25個氣象觀測站，2001年擴建至67個氣象觀測站，雷電原始記錄資料包括氣象觀測站的坐標，觀測的年、月、日、起止時間、監聽方向，見表1，如1993年4月5日16:54～17:50在氣象站西南、西北方向聽到雷聲，在17:40～18:28在氣象站南方聽到雷聲。
表1某氣象觀測站雷電原始記錄資料樣本年份 月份 日期 起止時間 方向起止時間 方向1993114 16:26 S1993220 19:04 19:10 SW1993323 17:20 SW1993327 14:38 15:04 NE 15:35 SW1993328 10:47 SW1993419:44 SE19934516:54 17:50 SW NW17:40 18:28 S用全省13年(1993～2005年)67個氣象觀測站的雷電原始記錄資料，統計各氣象站觀測的年雷電日以及13年平均年雷電日。雷電日統計技氣象組織規定每天記錄一次雷電，即為一個雷電日。以武夷山氣象站統計為例，平均雷電日取13年(1993～2005年)觀測均值，見表2。
表2武夷山氣象站雷電日及雷電小時統計結果(1993～2005)

表3福建省雷電日及雷電小時統計結果(1993～2005)

某一區域的雷電日的統計樣本是域內全體氣象站觀測值，表3給出的福建省1993～2005年67個氣象觀測站的年平均雷電日統計結果，其中25個氣象站統計時段是13年，另外42個氣象站統計時段是5年。
工程上在選取雷電日參數時會注意2點①雷電日代表的區域，通常以一個地區作為統計區域比單氣象站或全省更為適用；②用年平均值表示的雷電日參數(以每個氣象站的每年觀測值為統計樣本)分散性大，在一些工程應用上常常取區域內最大值(以每年最大的觀測值為統計樣本)作為該區域雷電日指標，以備留足防雷余度。表4是福建省各地區1993～2005年平均雷電日、最大雷電日，并給出了最大雷電日(Tdmax)/平均雷電日(Td)的比值為1.2。
表4福建省各地區平均雷電日、最大雷電日(1993～2005年)


概括傳統氣象雷電日統計方法以氣象站觀測資料為統計源，先對氣象站記錄的雷電日按統計年段求均值，再按統計區域求多個氣象站統計均值，其特點是統計源由多個分散的、不相關的、固定的氣象站觀測資料構成。
2.網格法雷電日統計不同于氣象觀測站，雷電定位系統是一種大面積、全自動雷電監測網。其顯著特點一是監測面積大，一套中等規模的雷電定位系統就能全自動監測一個省域的地閃放電活動，大大超過一個氣象站監聽8～10km的范圍；二是其監測的數據遍及整個覆蓋區域，是非固定的。針對以上特點，本實施例提出一種新的雷電日統計方法—網格法用有GIS處理功能的計算機程序對數字地圖上對應雷電定位系統監測區域進行等面積網格劃分，設定每個網格為一個雷電統計單元，將數據庫中的專題數據按地理屬性調入對應網絡作為統計樣本，統計每個網格出現雷電次數；視每個網格為一個設定監測單元，以每個網格監測的雷電天數為統計源進行雷電日統計。網格法實質是將雷電定位系統監測的廣闊區域轉變成一個個均勻的、連續的、沒有空白的觀測站。
在用網格法統計雷電日參數時，是對選定區域進行等面積網格劃分，如0.15°×0.15°(對應15km×17km)，即設每個網格為一個雷電測量單元，每個網格每天出現一次雷電，即為一個網格雷電日；按整時劃分雷電小時，記為網格雷電時。先統計每個網格的年平均雷電日、年平均雷電時，再對選定區域全體網格求均值，即統計出該區域年平均雷電日、年平均雷電時。
顯而易見，統計值正比網格面積。假設選擇全省為唯一網格，其統計值就會是全省有雷天數，這會大大超過氣象雷電日參數，是不對的。為便于工程領域在現有防雷設計規程下參考選用，用網格法統計雷電日一定要溯源氣象雷電日參數，并且，長期積累的氣象雷電資料也是確定網格大小的唯一標尺。參照氣象觀測站的監聽范圍，選定0.1°～0.225°6種網格進行比較，對應網格的邊長、面積及全省網格數見表5。
表5 福建省網格法劃分表

分期建成的福建電網雷電定位系統于2000年底投運了福州、廈門、漳平和南平4個探測站，2002年2月，增加紹武、三明、寧德、蒲田探測站，2003年底，增加蒲美站探測站，見圖1中小旗幟標識。本實施例取2001～2005年雷電定位系統監測數據為統計資料，統計樣本數據庫中全部采用3站及以上定位數據，對3站雙解匯聚區域進行了強制剔除，未作探測效率修正。
表6是對雷電定位系統2001～2005年4年測量數據進行不同網格統計。為比對方便，在表中頂欄和底欄列出相同時段的氣象雷電日最大值和平均值。
表6網格法雷電日統計值(2001～2005年)

由于觀測方法和數據源分布不同，并且統計樣本時段只有4年，故網絡法統計值是不可能完全對應氣象統計值。但從總體上看，0.15°網格統計值與氣象雷電日平均值最接近，其偏差為10％，僅龍巖和廈門比對值偏差較大。查閱氣象原始資料發現，龍巖地處山區，有7個觀測站，最大統計值達62，使其均值偏高，而廈門只有2個觀測站，且處在城市之中，監聽效果可能不理想。據國家氣象信息中心2005年6月15日發布的省會城市(計劃單列市)雷暴日資料顯示廈門1975年雷電日曾高達67。剔除龍巖和廈門數據，兩者偏差為5.8％。相比氣象雷電日最大值，0.2°×0.2°和0.225°×0.225°網格法統計值偏差偏大，達17％、20％，這是因為氣象雷電日最大值是直接選用觀測的極大值，而網格統計值只能選用均值緣故。
因此，采用網格法統計福建省平均年雷電日時，選定0.15°×0.15°網格面積，統計最大年雷電日時，選定0.2°×0.2網格面積。
權利要求
1.采用網格法確定雷電參數的統計方法，采用計算機對人工氣象站雷電原始資料和雷電自動監測數據進行處理，建立數據庫，以地理信息系統(GIS)和數據庫為分析平臺，其特征在于，對被統計區域按等面積法自動劃分網格，由計算機對每個網格的數據資料進行統計，并且使雷電自動監測數據被賦于雷電專題屬性和地理屬性，自動劃分的每個網格具有與雷電自動監測數據相同坐標系地理屬性，采用網格法統計出的雷電參數關聯網格所在地域；根據所設定的網格面積，將人工氣象站雷電原始資料同樣賦于地理屬性；采用網格法統計的步驟如下(1)首先，將雷電自動監測數據按時間、位置、雷電流幅值與極性、主放電與次序放電的專題屬性數據通過計算機存入數據庫，采用有GIS處理功能的計算機程序對數字地圖上的選定區域進行等面積網格劃分，設定每個網格為一個雷電統計單元，將數據庫中的專題數據按地理屬性調入對應網絡作為統計樣本，統計每個網格出現雷電次數；(2)選擇網格面積；(3)設定每個網格每天出現一次雷電，定義為一個網格雷電日；設定每個網格每個小時出現一次雷電，定義為一個網格雷電時；統計年平均雷電日、年平均雷電時參數時，先統計每個網格的年平均雷電日、年平均雷電時，再對所選定區域全體網格求均值，統計出該區域年平均雷電日、年平均雷電時；同樣，將每個網格的年雷電次數除以網格面積，統計出地閃密度參數；選擇網格面積是統計雷電日參數的前提條件，用步驟(1)選定具有一定經緯度的網格，統計出對應各個網格的年平均雷電日參數，比對用相同區域的人工氣象雷電觀測值，選定與人工氣象雷電觀測值接近的網格，作為網格法統計雷電日的標準網格。
2.根據權利要求1所述的采用網格法確定雷電參數的統計方法，其特征在于，用步驟(1)選定經緯度為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種網格，統計出對應各個網格的年平均雷電日參數，比對用相同區域大于10年的人工氣象雷電觀測值，選定與人工氣象雷電觀測值接近的網格，作為網格法統計雷電日的標準網格。
全文摘要
本發明涉及采用網格法確定雷電參數的統計方法，其采用計算機對人工氣象站雷電原始資料和雷電自動監測數據進行處理，建立數據庫，以地理信息系統(GIS)和數據庫為分析平臺，對被統計區域按等面積法自動劃分網格，對每個網格的數據資料進行統計，并且使自動劃分的每個網格具有與雷電自動監測數據、人工氣象站雷電原始資料相同坐標系地理屬性，采用網格法統計出的雷電參數關聯網格所在地域；其優點是，實現了對大區域、大樣本、自動監測的資料進行雷電參數統計，尤其是基于比對傳統人工氣象雷電長期觀測值確定的網格面積統計雷電日參數，解決了目前用雷電定位系統監測數據統計雷電日參數不一致難題。本發明實現方法簡單，具有很好的操作性和實用性。
文檔編號G06F17/30GK1936880SQ20061012478
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月17日 優先權日2006年10月17日
發明者陳家宏, 馮萬興, 王海濤, 張勤, 鄭家松, 廖福旺, 樊靈孟, 童學芳, 李曉嵐, 彭慶華 申請人:國網武漢高壓研究院