低緯高原大氣電場特征及其在預(yù)警中的應(yīng)用*

謝屹然，徐 開，張騰飛，劉雪濤

(1.云南省氣象臺，云南昆明650034;2.云南省氣象科學(xué)研究所，云南昆明650034)

低緯高原大氣電場特征及其在預(yù)警中的應(yīng)用*

謝屹然1，徐 開2，張騰飛1，劉雪濤1

(1.云南省氣象臺，云南昆明650034;2.云南省氣象科學(xué)研究所，云南昆明650034)

通過對2006年7月－2007年6月云南地閃定位網(wǎng)探測資料和玉溪大氣電場儀資料分析，研究了高原晴天大氣電場和雷暴天氣過程的電場演變特征。結(jié)果表明:高原晴天大氣電場具有明顯的日變化和月變化特征。低緯高原地區(qū)雷暴云具有偶極性和三極性兩種結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)雷暴具有偶極性電荷結(jié)構(gòu)，不同電荷結(jié)構(gòu)的雷暴云的放電特征不同，偶極性時主要為負地閃，地閃活動較活躍;三極性時主要是正地閃，地閃活動較少。根據(jù)雷暴云近地面電場變化特征，探討了大氣電場儀預(yù)警地閃的方法，首次提出極性變化預(yù)警法，其命中率和提前預(yù)警時間都明顯優(yōu)于閾值預(yù)警法。

大氣電場儀;地閃預(yù)警;極性反轉(zhuǎn);低緯高原;云南省

閃電作為一種具有大電流、高電壓、強電磁輻射的自然現(xiàn)象，已成為目前最嚴重的自然災(zāi)害之一，其破壞力和造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失是巨大的。在我國，據(jù)馬明等統(tǒng)計［1］，1997年至2006年，雷災(zāi)造成了4 488人死亡，4 320人受傷，估計我國每年每100萬人中大約有0.53人死于雷擊，高于美國、英國。而云南由于地處低緯高原，地形地貌復(fù)雜，是亞洲兩大季風(fēng)系統(tǒng)的交匯處，強對流天氣和閃電活動頻繁，雷災(zāi)頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計，2007年僅5－8月，云南共發(fā)生雷電災(zāi)害事故136起，造成58人死亡和58人受傷［2］。

雷暴云電荷結(jié)構(gòu)一直是大氣電學(xué)研究的重點。常規(guī)的雷暴云一般都具有偶極性電荷結(jié)構(gòu)特征，即在雷暴云的上部為主正電荷區(qū)，中部為主負電荷區(qū)，在雷暴云的下部是一個尺度和電荷量都較小的正電荷區(qū)［3－4］。從2002年至2006年，郄秀書等［5］利用GPS同步的多站閃電快、慢電場變化和平均電場的同步觀測，配合1 ms的高速攝像對我國4個不同高原地區(qū)的雷暴地面電場特征的觀測研究發(fā)現(xiàn)，高原地區(qū)雷暴電荷結(jié)構(gòu)與平原地區(qū)雷暴電荷結(jié)構(gòu)只存在一種偶極性結(jié)構(gòu)不同［6］，在高原地區(qū)存在兩種不同電荷結(jié)構(gòu)的雷暴云，一種是正常的偶極性結(jié)構(gòu)，另一種是三極性結(jié)構(gòu)，和以上文獻所說三極性不同的是雷暴云的下部存在大范圍的正電荷區(qū)，被稱作LPCC［7］。

由于地閃對地面的危害，對地閃的預(yù)警一直是雷電預(yù)警的重要研究方向。對于地閃的預(yù)警，國內(nèi)外主要是利用多普勒雷達資料，研究雷暴云的各種物理屬性和參數(shù)對地閃進行預(yù)警。Hondl和Eilts［8］發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)層附近首先探測到10 dBz回波可能是雷暴的初生特征，但預(yù)報員實際氣象保障預(yù)警業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)這個指標(biāo)并不可靠，最后選用了云頂高度參數(shù)作為預(yù)報因子［9］;Gremillion和Orville［10］分析了經(jīng)過美國肯尼迪航天中心的39個雷暴，結(jié)果表明當(dāng)云地閃將要發(fā)生時，雷達反射率和預(yù)報對象之間存在一個相關(guān)關(guān)系，對于夏季雷暴，最好的預(yù)警指標(biāo)是在－10℃層高度、在兩個連續(xù)的體掃描上都能達到40 dBz的閾值。王飛等［11］利用多普勒雷達資料，結(jié)合探空、閃電資料對2005年夏季北京地區(qū)的20個單體過程進行綜合分析發(fā)現(xiàn):40 dBz是比較適合該地區(qū)雷電預(yù)警的一個雷達回波特征參量。但對于利用電場儀對周圍大氣電場環(huán)境實時測量來預(yù)警地閃的方法研究相對較少，可較小范圍內(nèi)(例如公園、娛樂場等)的地閃預(yù)警大氣電場儀實用性和有效性更強。過去大氣電場儀預(yù)警地閃一般通過設(shè)定最佳閾值，但閾值取決于雷暴云所帶的電荷量和雷暴云距離測站的遠近，各地預(yù)警效果相差較大。取1 kV/m閾值，在美國弗羅里達地區(qū)的預(yù)警命中率(POD)只能達到34.4%［12］，而在其它地區(qū)可以達到更高的命中率［13］。本研究利用2006年7月－2007年6月云南地閃定位網(wǎng)探測資料和玉溪大氣電場儀資料，分析了玉溪晴天大氣電場和雷暴天氣過程的地面電場演變特征，得到該地區(qū)可能的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)，結(jié)合簡單雷暴云電荷結(jié)構(gòu)模式，首次提出一種新的基于大氣電場的地閃預(yù)警方法——地面電場極性變化預(yù)警法，并對它與基于大氣電場的閾值預(yù)警法的預(yù)警效果進行了比較。

1 資料和方法

本文所用的地閃資料由云南省地閃定位監(jiān)測系統(tǒng)提供。云南省地閃定位監(jiān)測系統(tǒng)由23個探測儀和一個數(shù)據(jù)處理中心站組成，23個探測儀自北向南依次為:昭通、香格里拉、麗江、東川、瀘水、大理、元謀、曲靖、昆明、施甸、雙柏、瀘西、通海、廣南、瑞麗、元江、景谷、耿馬、文山、金平、江城、孟連、勐臘。每個閃電定位儀探測范圍為300 km，云南省23個點組成的地閃定位監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對全省絕大部分地區(qū)(除滇西北迪慶北部山區(qū))的探測。整個閃電監(jiān)測系統(tǒng)由中國科學(xué)院空間中心研制和布設(shè)，系統(tǒng)定位利用多站時差綜合定位法。每個單站都將測到的閃電發(fā)生時間、方位、強度和電磁輻射信號實時傳輸給中心站，進行實時定位處理。系統(tǒng)提供的每個信息包括回擊發(fā)生的時間、位置(經(jīng)緯度)、強度、極性等。該閃電探測網(wǎng)的探測精度和探測效率分別為400m和90%～95%。

大氣電場儀安裝在低緯高原中部的玉溪(102°33'E，24°21'N)，海拔1 636.7 m。大氣電場儀測量范圍為方圓15 km，高度1.3 m，精度為10 V/m，響應(yīng)時間為1s。在研究中以大氣電場儀為中心，半徑為15 km的范圍為警戒區(qū)。在討論地面電場變化之前作如下約定:當(dāng)?shù)孛骐妶鍪芾妆┰苾?nèi)正電荷控制時，地面電場為正;一次閃電中和了負電荷，則對應(yīng)地面電場正向變化;反之亦然。利用TS評分方法比較了兩種預(yù)警方法的預(yù)警效果，具體為在警戒區(qū)內(nèi)發(fā)生第一個地閃，事先預(yù)警準確定義為有效預(yù)警(EA);在警戒區(qū)內(nèi)發(fā)生地閃，事先沒有預(yù)警定義為預(yù)警錯誤(FTW);而在警戒區(qū)內(nèi)沒有地閃發(fā)生，事先預(yù)警有地閃發(fā)生，定義為虛警(FA)。則命中率POD和虛警率(FAR)的計算方法如下:

2 晴天大氣電場特征

晴天大氣電場代表的是一個參考狀態(tài)，而雷暴的發(fā)生實際上是相對于這一正常狀態(tài)的偏離，因此對晴天大氣電場特征進行研究，對于更有效地預(yù)警雷暴天氣是十分必要的。通過2006年7月－2007年6月玉溪大氣電場儀監(jiān)測資料的分析發(fā)現(xiàn)，在這一年中有225天為晴天或大氣電場沒受到外界和雷暴云電場的影響;玉溪晴天大氣電場的平均值為700 V/m，晴天大氣電場有明顯的日變化和月變化特征。從圖1a可以看出，玉溪晴天大氣電場日變化呈雙峰雙谷型，04－06時和13－15時出現(xiàn)極小值，08－10時和20－21時出現(xiàn)極大值。這個日變化的振幅可達平均值的25%。同時晴天大氣電場還存在月變化，一年中晴天大氣電場最小值為480 V/m，出現(xiàn)在1月，而最大值為816 V/m，出現(xiàn)在8月(圖1b)。這與8月玉溪雷暴活動較頻繁，而1月基本上沒有雷暴活動有關(guān)，因為晴天大氣電場起源于雷暴［14］。

圖1 玉溪晴天大氣電場的日變化和月變化

3 雷暴云的大氣電場特征

3.1 簡單雷暴云電荷結(jié)構(gòu)模式

國外多年的研究結(jié)果表明［15］，雷暴云的主電荷分布可用一正偶極子模式來描述:上部一正電荷Qp，下部一負電荷QN，在云底附近有時會存在局部的正電荷。云底局部正電荷區(qū)的空間尺度很小，存在的時間也很短。如果認為地面為水平的理想導(dǎo)體平面，且在不考慮地面電暈放電的情況下，通過簡單計算，即可求出簡單模式電結(jié)構(gòu)的雷暴云在地面各點產(chǎn)生的電場。圖2是假設(shè)雷暴云電荷結(jié)構(gòu)為偶極性(虛線)和三極性(實線)情況下地面的電場分布圖。計算中正、負電荷電量均取40 C，離地面的距離分別是12 km和7 km。由虛線可以看出，正偶極子模式電結(jié)構(gòu)的雷暴較近時，地面電場為負值;雷暴較遠時，地面電場為正值;存在一反號距離，該處地面電場等于零。圖2中實線為上述正偶極子的原參數(shù)保持不變，而在負電荷下部再加一正電荷3 C(離地面為2 km)時得到的結(jié)果，即為具有三極性結(jié)構(gòu)電荷模式的雷暴云在地面產(chǎn)生的電場。如果具有上述電荷分布模式且電荷基本穩(wěn)定的雷暴云以一定速度經(jīng)過某一觀測站，則該站測得的地面電場隨時間的變化曲線與上述電場隨距離的變化曲線相類似(圖3)。

圖2 雷暴云偶極性和三極性電荷模式在地面的電場強度分布

圖3 雷暴過程地面電場波形隨時間的演變

3.2 雷暴電荷結(jié)構(gòu)

在2006年7月－2007年6月這一年中，一共觀測到33次過頂雷暴的過程，從地面電場記錄來看，盡管雷暴過程時常表現(xiàn)出比較復(fù)雜的地面電場波形，但總體可分為兩類波形，一類是雷暴過境地面電場主要為負極性，另一類主要為正極性。圖3所示的是這兩種典型波形。其中圖3a是負極性，圖3b是正極性。對33次過境雷暴電場波形的統(tǒng)計表明，正極性波形占1/4，負極性波形占3/4，負極性出現(xiàn)比例較高。圖3a是2006年8月8日一次雷暴過境時的地面電場記錄。根據(jù)觀測站實況記錄，15:00雷暴向測站方向移動，地面開始變?yōu)樨撝担?5:20雷暴云經(jīng)過測站上空，地面平均電場達到－12 kV/m;16:10電場變?yōu)檎?，雷暴遠離測站，整個雷暴過程約持續(xù)70 min。從圖可見，雷暴過境時地面電場均為負極性電場，即雷暴中負極性電荷起主導(dǎo)作用。整個過程的地面電場演變和圖2中偶極性電荷結(jié)構(gòu)的曲線是一致的，該雷暴云具有偶極性電荷結(jié)構(gòu)。圖3b所示為2007年2月8日一次雷暴過境時的地面電場記錄。根據(jù)觀測站實況記錄，約15:00看到雷暴向觀測站方向移動，地面電場為正;隨后電場迅速增強，表明雷暴中心已到達觀測站上空;15:30中心開始移出觀測站，且逐漸遠去。15:50時基本消散，整個雷暴過程約持續(xù)50 min。從圖可見，雷暴過境時地面電場均為正極性電場，即雷暴中正極性電荷起主導(dǎo)作用。平均地面電場強度最大可達32 kV/m。整個過程的地面電場演變和圖2中三極性電荷結(jié)構(gòu)的曲線是一致的，該雷暴云具有三極性電荷結(jié)構(gòu)。但從統(tǒng)計結(jié)果來看，所占比例相對較少。因此，玉溪為代表的低緯高原地區(qū)雷暴云具有偶極性和三極性兩種結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)雷暴具有偶極性電荷結(jié)構(gòu)。

3.3 不同電荷結(jié)構(gòu)雷暴云的放電特征

不同電荷結(jié)構(gòu)的雷暴云的放電屬性和強度有顯著差別，可以在地閃預(yù)警中區(qū)別對待。具有偶極性結(jié)構(gòu)的雷暴云，成熟雷暴云過頂時地面電場極性為負，而具有三極性結(jié)構(gòu)的雷暴云，成熟雷暴云過頂時地面電場極性為正。表1中給出不同極性控制下的雷暴放電特征，從表中可以看出，當(dāng)?shù)孛骐妶鰳O性為正極性時，每次過程平均有9.2次地閃回擊，正地閃回擊有5次，占54%，雷暴過程放電主要以正地閃為主，平均峰值電流強度達到42.1 kA。當(dāng)?shù)孛鏋樨摌O性時，每次過程平均有58.7次地閃回擊，而正地閃平均僅有1.4次，有些過程全部為負地閃，沒有正地閃，總地閃活動較為活躍，平均峰值電流強度相對較小，只有29.9 kA。

圖4所示為2007年4月8日一次雷暴過境時的地面電場和對應(yīng)閃電頻數(shù)隨時間的演變。從圖4a可以看出，隨著雷暴往測站移動，地面電場極性變?yōu)檎?，整個雷暴過程所有放電都為正地閃。圖4c和圖4d是2006年7月15日一次雷暴過境時的地面電場和對應(yīng)閃電頻數(shù)隨時間的演變。和上一個過程相反，整個雷暴過程，地面電場極性都為負，地閃活動比較活躍，地閃頻數(shù)最大達到19次/5 min，一共146個地閃，正地閃只有2個，整個過程放電以負地閃為主。

表1 不同電場極性控制下的閃電放電特征

圖4 不同電場極性控制下的閃電放電特征對比

4 不同地閃預(yù)警方法的預(yù)警效果

通過對以上雷暴云在地面電場隨時間的變化曲線分析可以看出，無論是雷暴云電荷結(jié)構(gòu)呈偶極性還是三極性，當(dāng)雷暴向警戒區(qū)靠近時，地面電場變?yōu)樨?，將可能有閃電發(fā)生。地面電場極性變化可以作為地閃預(yù)警的一種新指標(biāo)，對警戒區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的地閃進行預(yù)警。

4.1 地面電場閾值預(yù)警法

利用大氣電場儀進行地閃預(yù)警，通常采用選定一個最佳閾值進行預(yù)警。通過玉溪大氣電場儀的晴天大氣電場值計算得到玉溪晴天大氣電場平均值為700 V/m，考慮到大氣電場的日變化，選擇了2 kV/m、3 kV/m、5 kV/m、7 kV/m、9 kV/m作為閾值進行地閃預(yù)警，并對預(yù)警效果進行評分，TS評分結(jié)果如表2所示。

表2 各種地面電場閾值和極性變化預(yù)警效果對比

從表2中可以看出，隨著地面電場閾值的變大，命中率降低，而提前預(yù)警時間(LT)基本上平均為10 min。對比分析看，采用閾值法對地閃進行預(yù)警，地面電場閾值取2 kV/m預(yù)警效果較好。

4.2 地面電場極性變化預(yù)警法

地面電場極性變化預(yù)警具體操作是當(dāng)?shù)孛骐妶鲋底優(yōu)樨摃r，預(yù)警警戒區(qū)內(nèi)將可能有地閃發(fā)生。通過對同樣30個雷暴過程的分析，得到FAR為7%，POD為81%，Ts評分為0.76，提前預(yù)警時間為12 min，見表2。

圖4c所示為2006年7月15日一次雷暴過境時的地面電場記錄，圖4d所示為該雷暴過程每5 min的閃電頻數(shù)變化。其中地閃是統(tǒng)計了此次雷暴過程中電場儀方圓15 km之內(nèi)云南省地閃定位網(wǎng)監(jiān)測到的地閃。根據(jù)實況記錄，14:57地面電場變?yōu)樨撝?，?5:21出現(xiàn)了第一次地閃，通過電場極性變化可以提前24 min對警戒區(qū)進行預(yù)警。通過電場閾值進行預(yù)警，設(shè)2 kV/m的閾值，15:23地面電場才達到－2.02 kV/m，顯然出現(xiàn)了漏報。

5 結(jié)論和討論

利用2006年7月－2007年6月云南地閃定位網(wǎng)探測資料和玉溪大氣電場儀資料，對低緯高原地區(qū)的大氣電場演變特征進行了研究，提出一種利用大氣電場儀進行地閃預(yù)警的新方法，主要結(jié)論如下。

(1)低緯高原中部晴天大氣電場具有明顯的日變化和月變化特征。低緯高原中部晴天大氣電場呈雙峰雙谷型，04－06時和13－15時出現(xiàn)極小值08－10時和20－21時出現(xiàn)極大值。這與青藏高原中部羊八井地區(qū)晴天大氣電場日變化呈雙峰雙谷型相同［16］。晴天大氣電場還存在月變化，一年中晴天大氣電場強度1月較弱，而8月最強。這與青藏高原中部羊八井地區(qū)冬季天晴天大氣電場強度最強，而春夏季較弱不同［16］。

(2)低緯高原雷暴云具有偶極性和三極性兩種結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)雷暴具有偶極性電荷結(jié)構(gòu)。這與青藏高原地區(qū)雷暴云主要呈三極性結(jié)構(gòu)［17］和我國華南地區(qū)雷暴云主要呈偶極性結(jié)構(gòu)不同［6］。

(3)不同極性電場控制下的雷暴放電特征有明顯的差異。具有偶極性結(jié)構(gòu)的雷暴云過頂時地面電場極性為負，地閃活動活躍，而具有三極性結(jié)構(gòu)的雷暴云過頂時地面電場極性為正，地閃活動較弱，這可能是雷暴云低下的正電荷層一般不產(chǎn)生正地閃，而是與負電荷層產(chǎn)生反極性的放電有關(guān)［7］。

(4)極性變化地閃預(yù)警方法在命中率、虛警率和提前預(yù)警時間上都明顯優(yōu)于閾值預(yù)警法，而且設(shè)置也相對簡單，值得在以后的雷電預(yù)警業(yè)務(wù)運行中推廣使用。

［1］Ma Ming，Lu Weitao，Zhang Yijun，etal．Study on the characteristics of lightning exposure in China from 1997 to 2006［J］．Acta Meteorological Sinica，2008(19):393－400．

［2］張騰飛，尹麗云，許迎杰，等．2007年5－8月云南省雷電活動特點和致災(zāi)因子分析［J］．災(zāi)害學(xué)，2009，24(1):73－79．

［3］Williams E R．The tripole structure of thunderstorms［J］．J．Geophys．Res．，1989，94:13151 －13167．

［4］Marshall T，Rust W．Electric field soundings through thunderstorms［J］．J．Geophys．Res，1991，96:22297 －22306．

［5］Qie X，Zhang T，Zhang G，et al．Electrical characteristics of thunderstorm in different plateau regions of China［J］．Atm．Res．2009，91(2/4):244－249．

［6］張翠華，張義軍，張廣庶，等．地閃連續(xù)電流特征的統(tǒng)計分析［J］．高原氣象，2000，19(3)，371－378．

［7］Qie X，T Zhang，C Chen，et al．The lower positive charge center and its effect on lightning discharges on the Tibetan Plateau［J］．Geophys．Res．Lett．，2005，32，L05814，doi:10.1029/2004GL022162．

［8］Hondl K D，M D Eilts．Doppler radar signatures of developing thunderstorms and their potential to indicate the onset of cloud-toground lightning ［J］．Mon．Wea．Rev．，1994，122:1818－1836．

［9］Johnson JT，M D Eilts，D Ruth，et al．Warning operations in support of the1996 Centennial Olympic Games［J］．Bull．Amer．Meteor．Soc．，2000，81:543 －554．

［10］Gremillion M S，R E Orville．Thunderstorm characteristics of cloud-to-ground lightning at the Kennedy Space Center，F(xiàn)lorida:a study of lightning initiation signaturesas indicated by theWSR-88D［J］．Wea．a(chǎn)nd Forecasting，1998，14:640－649．

［11］王飛，張義軍，趙均壯，等．雷達資料在孤立單體雷電預(yù)警中的初步應(yīng)用［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，4(19):153－160.

［12］Murphy M J，Holle R L．NicholasW S．Demetriades．Cloud-toground lightning warnings using electric field mill and lightning observations［C］//International Lightning Detection Conference．Tucson，AZ，2008．

［13］Brook M，Nakano M，Krehbiel P，et al．The electrical structure of the Hokuriku winter thunderstorms［J］．J．Geophys．Res．，1982，87:1207－1215．

［14］Wilson C T R．The maintenance of the earth's charge［J］．Observatory 45，1922，393:484．

［15］Rakov V A，Uman M A．Lightning:Physics and effects［D］．Cambridge University Press，2003．

［16］徐斌，張穎，賈煥玉，等．西藏羊八井地區(qū)近地晴天大氣電場周期變化［J］．高原氣象，2009，28(2):314－318．

［17］Zhang Yijun，Dong Wansheng，Zhao Yang，et al．Study of charge structure and radiation characteristic of intracloud discharge in thunderstorms of Qinghai-Tibet［J］．Science in China(D)，2004，47:108－114．

Electrical Characteristics of Atmosphere in the Lower Latitude Plateau and Its Application in Lightning W arning

Xie Yiran1，Xu Kai2，Zhang Tengfei1and Liu Xuetao1
(1．Meteorological Observatory of Yunnan Province，Kunming 650034，China;2．Meteorological Science Institute of Yunnan Province，Kunming 650034，China)

The characteristics of atmospheric electric field in fairweather and thunderstorm in Yuxi region are analyzed by using the data obtained from Yunnan Lightning Location System and atmospheric electric fieldmill from July 2006 to June 2007．The results show that there exist diurnal and monthly atmospheric electric field variations in fair weather in the lower latitude plateau．The charge structures of thunderstorm are both dipole and tripole，but most thunderstorms have a dipole charge structure．Thunderstorms of different charge structures are of different characteristics of discharge．The negative polarity of electric field underneath thunderstorm is main negative discharge and the activity of the cloud-to-ground(CG)flash is very active．The positive polarity of electric field underneath thunderstorm ismain positive discharge and the activity of the cloud-to-ground flash is very weak．The methods of the CG lightning warning by the electric field mill are studied based on the variation characteristic of thunderstorm electric field．The polarity change earlywarningmethod is proposed for the first time．Its POD and LT are better than that of the threshold warningmethod．

electric fieldmill;CG lightningwarning;polarity reversal;the lower latitude plateau;Yunnan province

P427.3

A

1000－811X(2012)03－0034－05

2011－12－15

2012－01－29

云南省氣象局2010年預(yù)報員專項(YB201002);云南省科技攻關(guān)項目(2009CA014);云南省氣象局業(yè)務(wù)能力建設(shè)專項重點項目(YZ200901)

謝屹然(1978－)，男，白族，云南劍川人，碩士，工程師，主要從事大氣電學(xué)和災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)警工作．E-mail:dlxieyr@gmail.com