大氣電場儀在雷電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

魯 斌，劉 慧

（1.雞西市氣象局，黑龍江 雞西 158100；2.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗154100）

大氣電場儀在雷電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

魯 斌1，劉 慧2

（1.雞西市氣象局，黑龍江 雞西 158100；2.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗154100）

1 引言

電場探測一般采用導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理。從探測的對象上可分為地面大氣電場探測、空中電場探測及空間電場探測。現(xiàn)階段主要是對地面大氣電場進(jìn)行探測，從而監(jiān)測被探測地區(qū)上空雷雨云的整個過程（起電過程、電荷積累程度和消散過程）。大氣電場儀可連續(xù)監(jiān)測雷暴在地面產(chǎn)生的靜電場以及云閃和地閃的發(fā)生情況,所以既可以用于局地的雷暴監(jiān)測與預(yù)警,也可用于易起靜電或易受靜電危害的場所,監(jiān)測靜電強(qiáng)度,避免可能發(fā)生的危險(xiǎn)。因此大氣電場儀在雷電探測中是一種必不可少的設(shè)備。

2 大氣電場儀在雷電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

地面電場儀無論在晴天還是雷暴天氣條件下都可以測量地面大氣平均電場的大小和極性的變化，根據(jù)電場資料可以反演得到可靠的雷雨云中強(qiáng)電荷中心的強(qiáng)度、極性和分布。

云中電荷分布的水平尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其垂直尺度，為簡單起見，云中電荷當(dāng)作垂直分布，以點(diǎn)電荷為例，一般把雷暴云的電荷分布認(rèn)為是云上部為正電荷區(qū)，云下部為負(fù)電荷區(qū)，也有觀測表明在負(fù)電荷區(qū)下面還有一個小的正電荷區(qū)，云中閃電可以認(rèn)為是在主要正負(fù)電荷區(qū)之間進(jìn)行的。

對于垂直偶極性電荷結(jié)構(gòu)的雷暴，地面垂直電場E1表示為：

其中，D為電偶極軸與測站之間的水平距離；QP、HP分別為雷暴上部正電荷區(qū)的電荷量和距離地面的高度;QN、HN為中部負(fù)電荷區(qū)的電荷量和距離地面的高度。

發(fā)生在上部正電荷區(qū)與中部負(fù)電荷區(qū)之間的云閃產(chǎn)生的電場變化為ΔE：

因此對具有垂直偶極性電荷結(jié)構(gòu)的雷暴,地面電場和云閃產(chǎn)生的電場變化隨著雷暴的移動其極性的變化應(yīng)是同時發(fā)生的。

為了簡化公式，假設(shè)Qp=Qn=Q，則

需要求解的還有 4 個變量：Q、D、HP、HN，當(dāng)有 4 個以上的電場儀時，即可推算出雷暴的電荷量、電荷的高度以及雷暴的位置。離云荷電中心電場為零的距離D0為

D0又稱為電場的反轉(zhuǎn)距離，它僅與荷電中心高度有關(guān)。

3 單站電場儀資料在雷電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

雷暴活動往往引起地面電場的顯著變化,由于大氣電場儀可以測量大氣平均電場的大小及極性的連續(xù)變化,因此能夠監(jiān)測靜電電場的慢變化,甚至是比較弱的慢變化,對近距離雷暴過頂時的大氣電場很敏感，因此電場儀資料在雷電監(jiān)測預(yù)警中有很重要的作用。地面電場曲線的抖動變化可以作為判斷雷電是否發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)，在雷電監(jiān)測預(yù)警中是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。

從圖1可看出：

（1）地面電場曲線剛開始比較平緩，大約在17時慢慢發(fā)生上下抖動變化,說明在電場儀監(jiān)測范圍內(nèi)有云團(tuán)經(jīng)過并足以產(chǎn)生雷電。

（2）17時以后地面電場曲線不斷向負(fù)向靠攏，說明云中聚集了很多負(fù)電荷。當(dāng)負(fù)電荷增加到一定程度，云層就會與地面形成一定的電勢差，當(dāng)電勢差達(dá)到一定強(qiáng)度后，便會發(fā)生閃電先導(dǎo)，在18時有一個向上的快變尖峰，此時電場發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，應(yīng)該是回?fù)暨^程。第一次放電結(jié)束后，云層又會立即聚集電荷，開始下一次放電過程。

（3）19-20時，有幾個向下的快變尖峰，說明這幾次電場強(qiáng)度的變化是幾個正閃。

（4）20時往后地面電場曲線又變得比較平緩，說明雷暴云消失或不在電場儀監(jiān)測范圍內(nèi)。

圖1 一次雷電過程中的電場曲線

總的來說帶電云的活動是非常復(fù)雜的，在不同的天氣環(huán)境下其產(chǎn)生、聚集和消散變化都是不同的。從上圖雖然可以確定云內(nèi)電荷極性及發(fā)生閃電的可能，但這種監(jiān)測無法確定雷電的移動趨勢和發(fā)生位置,也無法判斷下一步電場強(qiáng)度會繼續(xù)增加直到雷電發(fā)生,還是會逐漸接近零點(diǎn)直到趨于平穩(wěn),短時雷電預(yù)警的準(zhǔn)確率較低，而這些恰恰是需要了解的。

4 多站電場儀資料在雷電監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

大氣電場儀主要用于探測大氣中帶電物質(zhì)所引發(fā)的地面電場變化,對局部地區(qū)潛在雷暴活動及靜電事故發(fā)出警報(bào)。為了增強(qiáng)大氣電場儀的功能和擴(kuò)大電場的監(jiān)測范圍,提高雷電的預(yù)警能力,可以進(jìn)行電場儀聯(lián)網(wǎng)。電場儀聯(lián)網(wǎng)即在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)使用多臺電場儀組成網(wǎng)絡(luò),將各電場儀的數(shù)據(jù)通過有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到中央處理機(jī)上,再通過預(yù)先設(shè)計(jì)好的算法對各電場儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,給出類似監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地面電場等值線、云團(tuán)電荷中心位置的產(chǎn)品。

根據(jù)以上分析，目前利用地面電場資料監(jiān)測預(yù)警有兩種方法：

（1）將電場儀組網(wǎng)，按公式（2）或（3）即可推算出云中電荷中心的電荷量和位置，發(fā)出警報(bào)。但由于雷暴云內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，雷暴云中并不是只有一個雷暴單體，很難利用以上公式來確定雷暴的位置、電荷中心和電量。因此常將電場儀資料與閃電定位系統(tǒng)和天氣雷達(dá)等資料結(jié)合在一起研究，使得雷電預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率大大提高。

（2）分析雷暴過程中地面電場的變化規(guī)律，設(shè)置多級雷電預(yù)警閾值，當(dāng)?shù)孛骐妶鲞_(dá)到閾值時發(fā)出雷電預(yù)警。常用的電場預(yù)警值為3 kV／m，大多數(shù)電場儀的預(yù)警值可調(diào)節(jié)（考慮到雷暴與觀測站之間的距離）。在雷暴沒有發(fā)展成熟且逐漸移近電場儀時，大氣電場儀測量值會迅速增大,當(dāng)測量值超過設(shè)定的預(yù)警值時,電場儀報(bào)警。此方法的缺點(diǎn)是在大多情況下,雷暴在未到達(dá)探測范圍時已經(jīng)發(fā)展成熟,并發(fā)生閃電,但是由于雷暴較遠(yuǎn),這時所測的電場值會比較小,電場儀不會報(bào)警，只有當(dāng)雷暴靠近使得電場值超過預(yù)警值時才報(bào)警,這使得報(bào)警滯后。因?yàn)樯鲜鋈秉c(diǎn)，在設(shè)定電場預(yù)警值的同時，可以在電場儀的終端軟件中對相鄰2個電場采樣值進(jìn)行比較，當(dāng)2個采樣值的差值大于某一數(shù)值(稱其為跳變值)時，認(rèn)為電場發(fā)生跳變，附近有閃電發(fā)生，電場儀開始報(bào)警。電場儀報(bào)警的解除則可以采用延時方式。當(dāng)發(fā)生報(bào)警后，報(bào)警持續(xù)一定時間。根據(jù)雷暴的生命期和閃電發(fā)生的間隙時間，持續(xù)時間可取5 min左右(不能低于閃電發(fā)生的間隙時間)，如在報(bào)警持續(xù)時間內(nèi)，又出現(xiàn)預(yù)警條件，重新計(jì)時。如果超過設(shè)定的持續(xù)時間，仍沒有再次出現(xiàn)預(yù)警條件，則解除報(bào)警。

5 環(huán)境對電場資料影響分析

地面電場儀是安裝在地面上的，因此容易受周圍物體的影響。若周圍有尖端物體，由于尖端電暈放電會形成厚達(dá)幾米的空間電荷屏蔽層，使地面電場不能真實(shí)反映雷暴本身所產(chǎn)生的電場。因此應(yīng)該找相對一致的安裝環(huán)境，減小環(huán)境對大氣電場儀的影響。若無法找到相對一致的環(huán)境，就需要進(jìn)行大氣電場受環(huán)境影響的研究，找出各種環(huán)境對大氣電場的影響關(guān)系，根據(jù)不同的環(huán)境給出不同的修正。

假設(shè)在晴天大氣電場中，可以認(rèn)為建筑物處在均勻電場中。從數(shù)學(xué)角度來看電場問題，實(shí)際就是求滿足邊界條件的泊松方程解的問題。

泊松方程在物理中是用來描述穩(wěn)定場的狀態(tài)的，寫為：

圖2 差分網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

建立二維的泊松方程和拉普拉斯方程的差分格式，Φ0代表中心 0 點(diǎn)電位值，Φ1、Φ2、Φ3、Φ4表示 1、2、3、4 點(diǎn)的電位值，所形成的差分網(wǎng)格如圖2所示：

用有限元法可得出：

結(jié)合Matlab畫圖可知，雷暴云下大氣電場電位分布由于地表、地物的影響而發(fā)生變化，遠(yuǎn)處的電勢、場強(qiáng)分布相對較均勻。因此在利用電場儀資料時，一定要考慮周圍地形、地物的影響，盡量找出相對一致的安裝環(huán)境。

6 小結(jié)

利用地面電場儀進(jìn)行雷電預(yù)警的優(yōu)點(diǎn)在于易于安裝，可以自動、連續(xù)、實(shí)時監(jiān)測雷雨云中強(qiáng)雷電活動中心在地面產(chǎn)生的電場強(qiáng)度、極性以及閃電數(shù)等。但單站大氣電場儀預(yù)警范圍小，因此一般將多個大氣電場儀聯(lián)網(wǎng)，組成地面電儀網(wǎng)后，可以擴(kuò)大測量范圍，提高測量精度。本文利用點(diǎn)電荷模式，數(shù)值計(jì)算了雷暴云電荷分布在地面產(chǎn)生的電場變化的特征，從而可以推出云中電荷中心分布位置和電量。由于安裝場地對周圍電場的影響，大氣電場資料可能存在較大的誤差，因此當(dāng)利用大氣電場儀測量的空間電場資料反演計(jì)算模型時，要適當(dāng)?shù)乜紤]地形、地物的影響。

1002-252X(2012)02-0037-02

2012-2-1

魯斌（1983-），男，黑龍江省雞西市人，成都信息工程學(xué)院，本科生，助理工程師.