李 帅 李 哲 梁 允 崔晶晶

（河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450052）

强对流天气指的是发生突然、天气剧烈、破坏力极大，常伴有雷雨大风、冰雹、龙卷风、局部强降雨等强烈对流性的灾害天气，是具有重大杀伤性的灾害天气之一。对电网而言，强对流天气可能导致变电站停运、倒塔、线路雷击跳闸、导线舞动等突发状况发生。河南省位于中国中东部，是全国强对流天气高发区之一，夏季强对流天气对电网稳定运行和安全生产的影响较为严重，其中影响范围较大有：2007年夏季开封地区发生强对流天气，造成多基输电杆塔倒塔；2009年夏季商丘地区强对流天气风速达11级，造成10kV以上电压等级多条输电线路跳闸；2012年7月开封地区强对流天气造成多条线路跳闸等。因此如何建立一种有效的强对流预警运行机制显得尤为重要［1-2］。

1 国内外研究现状

20世纪八、九十年代，天气预报的主要服务对象仍以农林牧业和公共服务为主，进入21世纪以来，随着电网规模的不断扩大和延伸，灾害性天气对电网安全运行的影响越来越大，电力气象服务也逐渐受到电力部门和气象部门的重视。

对于电力气象领域的研究，全球范围内一些科研机构已经开展了电力与气象相结合的研究。如美国Northeast Regional Climate Center，利用天气预报模型（WRF）和Ramer降水型算法对电网进行了短期积冰预测。加拿大等国家研究部门也利用天气因素进行负荷预测等工作。国内方面，近年来各网省电力公司加强与气象部门合作，积极开展针对强降水、雷电、大风、冰雹、覆冰、舞动、地质灾害等与电网生产密切相关的气象现象的预警技术、预警模型和预警系统的建设：2010年，国网江苏省电力公司部署了覆盖江苏全省的电网气象监测与分析系统；2010年，国网福建省电力公司与福建省气象台合作开发了福建电网气象信息预警系统；2010年，北京市电力公司调通中心气象展示平台正式投入运行等。目前国内一些重要气象部门，如中国气象局公共气象服务中心，已经前瞻性地将电力气象预测预警作为一个重要方向，尝试前期研究及气象信息在电网中的应用［3-4］。

2 基于多普勒气象雷达的夏季强对流预警方法介绍

2.1 基于多普勒气象雷达的三维拼图技术介绍

通过已经建成的新一代天气雷达网获得所需雷达基数据，将极坐标系下的空间分辨率不均匀的雷达资料插值到统一的笛卡尔坐标系下形成空间分辨率均匀的网格点资料，根据需求选择笛卡尔坐标网格的分辨率和范围，并将笛卡尔坐标反算成球面坐标，以便将获得的雷达基数据和其他观测资料进行拼图处理。

2.1.1 笛卡尔坐标反算球坐标

设三维网格中任意网格单元的坐标为（αg，βg，hg），其中αg为纬度，βg为经度，hg为高度。雷达天线所在点的坐标为（αr，βr，hr），其中αr为纬度，βr为经度，hr为高度。使用雷达波束传播和大圆几何学理论确定网格单元相对于雷达点的极坐标位置（r，a，e），其中r为斜距，a为方位角，e为仰角。然后将球坐标系下的雷达反射率因子值内插到笛卡尔坐标系下的经纬度高度网格点上。

2.1.2 三维拼图方法

在拼图网格的很多区域，有来自多个雷达的资料重叠区，在拼图网格中的每个网格单元的反射率因子值可以通过下面公式得到：

其中fm（i）是网格单元i的合成反射率值，fna（i）是在网格单元i处来自第n个雷达的分析值，wn是给分析值fna（i）的权重，Nrad是在网格单元i处有分析值的总的雷达个数。为了避免噪声的干扰，反射率小于0dBZ的格点被认为是无回波的点。如果Nrad=0，那么网格单元不被任何一个雷达覆盖，该网格单元的fm（i）被赋一个缺值符号［5］。如果Nrad=1，那么网格单元的值就等于那个雷达在该网格单元的值。如果Nrad＞1，那么就使用多个雷达分析值的权重平均。

2.2 利用新一代天气雷达数据识别地面大风的方法

在新一代天气雷达三维拼图基础上，利用雷达回波三维结构特征及其变化来预警强对流系统产生的地面大风。三维拼图系统对河南省多部雷达进行三维拼图，计算得到回波强度的三维格点数据，并利用强对流系统回波分块跟踪方法（SCIT），将雷达回波进行分块，并计算出每块对流系统的回波面积、体积、风暴最大反射率因子MCR、风暴最大垂直积分液态含水量MVIL、回波顶高ET、VIL随时间变率DVIL（相邻两个体扫VIL变化）、风暴体移动速度SPEED、VIL密度VILD：MVIL/（风暴顶-风暴底）和风暴最大反射率因子下降高度DCRH等参量。应用雷达三维组网数据和地面加密自动站风场资料，统计分析了对流性地面大风的6个主要雷达识别指标：风暴最大反射率因子、风暴最大垂直积分液态含水量、垂直积分液态含水量（VIL）随时间变率、风暴最大反射率因子下降高度、风暴体移动速度和VIL密度等参数。根据雷达识别指标和地面大风的相关性，给出了识别指标的隶属函数和权重系数，建立了具有模糊逻辑的对流性地面大风识别方法。

图1 地面大风识别算法框图

2.3 利用新一代天气雷达数据识别冰雹的方法

与地面大风类似，该方法是在新一代天气雷达三维拼图基础上，利用雷达回波三维结构特征及其变化来预警强对流系统产生的地面冰雹的方法。三维拼图系统对河南省多部雷达进行三维拼图，计算得到回波强度的三维格点数据，并利用强对流系统回波分块跟踪方法（SCIT），将雷达回波进行分块，并计算出每块对流系统的回波面积、体积、风暴最大反射率因子MCR、风暴最大垂直积分液态含水量MVIL、回波顶高ET、VIL随时间变率DVIL（相邻两个体扫VIL变化）、风暴体移动速度SPEED、VIL密度VILD：MVIL/（风暴顶-风暴底）和风暴最大反射率因子下降高度DCRH等参量。与地面大风不同的是，冰雹识别的物理量为如下5个参量：风暴最大反射率因子MCR；风暴最大垂直积分液态含水量MVIL；回波顶高ET；VIL密度VILD：MVIL/（风暴顶-风暴底）；风暴质心高度HMCR：强回波高度相对于0℃和-20℃等温线高度的位置［6］。根据雷达识别指标和冰雹的相关性，给出了识别指标的隶属函数和权重系数，建立了具有模糊逻辑的冰雹识别方法。

2.4 雷达和自动站联合估测局地强降水的方法

根据地物遮挡情况，确定每个数据点的回波强度，自动站数据经过质量控制和与雷达数据进行时间和空间匹配后，形成一一对应的雨量和回波强度数据点，通过最小二乘拟合得到Z-R关系，再根据混合扫描回波强度，计算得到瞬时的雨强，通过时间累计得到1h雨量。

利用回波跟踪方法，计算得到每个回波块的移动方向和速度，根据计算的当前的雨强，进行0～2h的外推，并经过时间累计，即可得到降水量的预报结果。

图2 雷达自动站降水估测模块框图

3 强对流预警技术与河南电网GIS融合

3.1 强对流预警数据预处理

强对流预警计算模型通过对多普勒雷达基数据和实时雷电定位数据的计算，分别得到强降水预警计算结果、大风预警计算结果和冰雹预警计算结果。为优化数据计算过程保障数据的即时性和有效性，建立网格数量和坐标固化机制，将每种预警计算固定为500×500个网格点，覆盖河南全境。

3.2 强对流预警信息GIS地图展示

强对流预警是一个实时动态变化的过程，因此需要在电网GIS的基础上进行二次开发，增加动态展示强对流预警的功能。将强对流预警数据采用分等级合并的方式通过Flex方法绘制到GIS地图图层上。强对流预警数据与电网GIS系统相结合，建立基于电网GIS的强对流预警影响设备关联计算模型，通过河南电网线路与变电站等设备通过经纬度坐标和强对流预警网格进行图形化匹配计算，从而计算出哪些电网设备会受到强对流预警网格影响，并根据预警等级来定义影响等级。

图3 强对流天气预警GIS展示界面

3.3 强对流预警对电网设备的影响分析和预警信息发送

河南电网覆盖范围广、设备众多、运行维护工作量大，目前只对220kV及以上电网设备进行分析。基于电网GIS的强对流预警模型针对每个电网设备所在的强对流预警网格进行计算和判断，如果电网设备在某一个强对流预警网格内，或者穿过该网格，则认为电网设备受到强对流天气的影响，否则认为没有受到影响。

图4 影响设备列表

根据生成的预警信息，设计灵活的强对流预警短信息订阅、生成和发送机制。强对流预警短信息生成服务实时侦测强对流预警数据，每次有新的强对流预警出现后，通过强对流预警影响设备分析模型计算后，服务会根据用订阅条件设置情况，生成订阅的预警信息，并依据发送规则将短信息发送至订阅用户手机。

4 基于多普勒气象雷达三维拼图的夏季强对流预警技术验证

图5 8月1日1：00雷电预警发布截图

2013年度夏期间，河南省强对流天气频发。全省除许昌外17个地市均出现7级以上大风，最高风力达到9～10级。8月份以来，全省落雷14.89万次，是2012年同期的2.8倍。仅8月1日一天，全省落雷5.4万次，为近五年来最高值。8月1日强对流过程对河南焦作、三门峡地区电网设备造成很大影响，大风造成的异物碰线和雷击等故障共造成220kV及以上输电线路跳闸3条次，郊区配网受损严重。以下几个时间对强对流预警系统进行了验证。

图6 8月1日03:36强降雨预警发布截图

表1 线路跳闸时刻气象预警信息汇总表

表2 跳闸线路汇总表

在8月1强对流过程中，3条线路在跳闸前均通过系统在该地发布了“大风、强降水、雷电”等强对流预警信息。有效地改变了原来气象预报时间不准确、地理位置不精确等关键性问题，为电网防灾减灾，气象精细化预警提供了技术保障。

5 结语

2009年至今，全球范围内因气候原因造成的电网故障，影响超过10万人的达28次，占电网大面积停电事故总量的56%。国内也发生了多次因气象原因导致的大面积停电事故，其中影响范围较大有：2008年以湖南省为主的冰灾，造成大规模电网故障，据统计本次冰灾共造成367万条线路停运，电网直接经济损失154.5亿元。2009年7月1日至5日，广西出现大范围强降雨，造成广西电网10kV以上线路跳闸243条，停运配变（台区）3362台，等等。可见加强气象预警技术在电网中的研究与应用是十分必要的，准确有效地将气象预警信息与电网生产结合起来，不但能提升电网防灾减灾能力和电网企业运营效益，而且能保障广大居民用电可靠性。

［1］周宁，熊小伏.电力气象技术及应用［M］.北京：中国电力出版社，2015.

［2］大气科学辞典编委会.大气科学辞典［M］.北京：气象出版社.1994.

［3］常越，陈德生.多普勒天气雷达与雷电预警关系研究［J］.气象与环境科学，2010，33（1）:36-39.

［4］俞小鼎.强对流天气的多普勒天气雷达探测和预警［J］.气象科技进展，2012，1（3）：72-73.

［5］陈秋萍，陈齐川，刘锦绣，等.应用卫星、雷达资料的强对流天气预报预警系统［J］.气象科技，2012，39（5）:545-551.

［6］吴国锐，李淑清，冯小剑.暴雨及强对流天气预警系统［J］.广东气象，2003（4）:29-30.