大氣電場儀在貴州雷電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用淺析

李 迪，陸 揚(yáng)

（1.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽 550002）

1 引言

貴州省位于云貴高原東側(cè)，地形以山區(qū)為主，特殊的地理環(huán)境與地勢地貌為冷暖空氣交匯活動(dòng)提供了條件，天氣情況復(fù)雜，強(qiáng)雷暴單體和雷暴群現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，造成雷電天氣過程極易發(fā)生。近50 年來，全省年平均雷暴日達(dá)51.6 d，屬多雷暴區(qū)。雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，雷電和其他災(zāi)害天氣相比，具有時(shí)間分布的瞬時(shí)性、季節(jié)性和頻繁性，空間分布的廣泛性、分散性和局地性等特點(diǎn)，這樣就增加了雷電預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性的難度。據(jù)近年來的不完全的雷擊數(shù)據(jù)顯示，貴州全省易受雷擊的場所（如建筑、園區(qū)等）因雷電引發(fā)的事故逐年增加，特別是高層建筑及弱電設(shè)施的雷災(zāi)事故呈上升趨勢。隨著貴州省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對雷電預(yù)警業(yè)務(wù)服務(wù)的需求日趨豐富化、多元化，服務(wù)專業(yè)化，用戶對雷電產(chǎn)品的需求不再是進(jìn)行雷電實(shí)況的監(jiān)測。因此，充分利用大氣電場資料進(jìn)行雷電的綜合預(yù)警符合社會(huì)對雷電預(yù)警產(chǎn)品的需求。

2 大氣電場儀探測原理

大氣電場儀是利用置于電場中的導(dǎo)體，其上產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理進(jìn)行電場測量的。當(dāng)雷雨云內(nèi)發(fā)生電荷積累時(shí)，地面電場值將發(fā)生變化。地面電場變化幅度值與云中帶電荷量的多少有關(guān)，因此，可以通過電場變化來反演云中電場變化，并可以通過電場閾值來對雷電的發(fā)生進(jìn)行提前預(yù)警。在雷暴云中電荷分布與地面大氣電場分布的關(guān)系一般為：云底正電荷區(qū)對應(yīng)地面是正電場，云底負(fù)電荷區(qū)對應(yīng)地面是負(fù)電場[1]。貴州省目前安裝的是上海晨輝科技公司生產(chǎn)的大氣電場儀Prestorm 2.0，其主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 大氣電場儀主要性能指標(biāo)

3 預(yù)警方法

地面電場值的變化與大氣電場儀與雷暴云的位置密切相關(guān)。實(shí)際的雷電監(jiān)測預(yù)警中，因?yàn)橐艿降匦巍⒔ㄖ锏纫蛩赜绊?，所以大氣電場儀的探測范圍一般選取半徑15 km的預(yù)警范圍。雷暴云接近預(yù)警區(qū)域時(shí)，地面電場會(huì)出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，電場值會(huì)明顯加大并出現(xiàn)極性的改變，脈沖頻率變高。當(dāng)電場值達(dá)到一定強(qiáng)度后，將有可能出現(xiàn)閃電。當(dāng)進(jìn)行閾值設(shè)定時(shí)應(yīng)對探測到的地面電場值設(shè)定為多個(gè)等級(jí)的報(bào)警閾值，當(dāng)探測值達(dá)到或超出設(shè)定閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警[2]。一般設(shè)為三級(jí)雷暴預(yù)警閾值等級(jí)。

第一級(jí)閾值：當(dāng)?shù)孛骐妶鰪?qiáng)度絕對值達(dá)到2 kV/m，發(fā)出第一級(jí)報(bào)警，表明在測站15 km 范圍內(nèi)可能出現(xiàn)雷暴云活動(dòng)。

第二級(jí)閾值：當(dāng)?shù)孛骐妶鰪?qiáng)度絕對值達(dá)到4 kV/m，發(fā)出第二級(jí)報(bào)警，表明雷暴逐漸靠近測站，15 km 范圍內(nèi)出現(xiàn)頻繁雷暴云活動(dòng)。

第三級(jí)閾值：當(dāng)?shù)孛骐妶鰪?qiáng)度絕對值達(dá)到6 kV/m，發(fā)出第三級(jí)報(bào)警，表明雷暴中心已移近測站，15 km 范圍內(nèi)已出現(xiàn)閃電。貴州省氣象局按照GB/T 19001—2016《質(zhì)量管理體系要求》建立觀測質(zhì)量管理體系、識(shí)別和確定各項(xiàng)管理的過程及其相互作用，加以實(shí)施和保持，并持續(xù)改進(jìn)。

4 個(gè)例分析

通過一次安順市西秀區(qū)典型雷電過程分析：根據(jù)貴州省閃電定位監(jiān)測實(shí)況2020-01-06T14：50—19：20 雷電分布情況。整個(gè)雷電中過程西秀區(qū)共發(fā)生閃電465 次，以負(fù)地閃為主，如圖1 所示。根據(jù)西秀區(qū)大氣電場儀資料顯示，受強(qiáng)對流天氣影響，該時(shí)段地面電場變化如圖2 所示。

第一階段：15：00—15：14，地面電場在正極性方向脈動(dòng)，其后馬上轉(zhuǎn)為負(fù)極性電場，電場值增大，表明雷暴靠近地面電場儀。

第二階段：由于雷暴云底部出現(xiàn)的電荷的不停積聚，地面感應(yīng)電場不斷增大，達(dá)到擊穿電場，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃電現(xiàn)象，在地面電場曲線上就表現(xiàn)為電場的驟變。15：16 開始出現(xiàn)第一次閃電，隨后地面電場抖動(dòng)明顯，多個(gè)快變尖峰出現(xiàn)，這意味著在測站附近有大量雷電發(fā)生。

第三階段：19：00 以后，地面電場的波動(dòng)慢慢變得平穩(wěn)，這種現(xiàn)象說明帶電云層已經(jīng)解散或消散，表示此次雷電過程結(jié)束。

圖1 西秀區(qū)2020-01-06T14：50—19：20 三維閃電資料實(shí)況

圖2 西秀區(qū)2020-01-06T14：50—19：20 大氣電場資料實(shí)況

5 結(jié)論

大氣電場儀的安裝、建設(shè)全省大氣電場監(jiān)測網(wǎng)能夠填補(bǔ)貴州省雷電精細(xì)化預(yù)警的空白，減少雷電災(zāi)害的發(fā)生，提升防雷減災(zāi)的社會(huì)效益。需指出的是，僅利用單站大氣電場儀進(jìn)行雷電監(jiān)測預(yù)警會(huì)出現(xiàn)較高的虛警和漏報(bào)現(xiàn)象。通過大氣電場儀組網(wǎng)的方式，結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星、閃電定位儀等方式綜合監(jiān)測預(yù)警，能提高雷電預(yù)警準(zhǔn)確性，減少雷電對人民生命和財(cái)產(chǎn)的損害。