青島地區(qū)電場(chǎng)儀資料在一次雷暴天氣過程中的應(yīng)用分析

吳蓓，閆景東，任兆鵬，謝豐

(1. 青島市氣象防雷中心，山東 青島 266003； 2. 聊城市氣象局，山東 聊城 252060； 3. 青島市氣象臺(tái)，山東 青島 266003)

青島地區(qū)電場(chǎng)儀資料在一次雷暴天氣過程中的應(yīng)用分析

吳蓓1，閆景東2，任兆鵬3，謝豐3

(1. 青島市氣象防雷中心，山東 青島 266003； 2. 聊城市氣象局，山東 聊城 252060； 3. 青島市氣象臺(tái)，山東 青島 266003)

利用大氣電場(chǎng)儀資料，結(jié)合天氣實(shí)況、天氣雷達(dá)和閃電定位儀等資料，對(duì)2013年7月1日青島地區(qū)一次雷暴天氣過程進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)孛骐妶?chǎng)強(qiáng)度曲線在幾十到幾百毫秒量級(jí)內(nèi)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，變化幅度在2 kV/m以上，且完成后電場(chǎng)值會(huì)迅速回到極性反轉(zhuǎn)前的電場(chǎng)值附近時(shí)，可以判斷為發(fā)生了一次地閃。單站電場(chǎng)強(qiáng)度曲線可以反映出雷暴云與測(cè)站間距離的變化，閃電發(fā)生前電場(chǎng)強(qiáng)度的增加可為雷電預(yù)警提供時(shí)間。大氣電場(chǎng)儀組網(wǎng)監(jiān)測(cè)資料可以對(duì)雷暴云的移動(dòng)路徑做出判斷。綜合分析大氣電場(chǎng)儀組網(wǎng)數(shù)據(jù)、天氣雷達(dá)以及閃電定位資料等多源資料，可以更好地判斷雷暴云的活動(dòng)狀況，提高雷電的預(yù)警準(zhǔn)確率和時(shí)間提前量。

雷電； 大氣電場(chǎng)； 閃電定位； 天氣雷達(dá)

引言

近年來，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，微電子器件和信息技術(shù)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用， 因雷擊造成的電子系統(tǒng)中斷、數(shù)據(jù)無法傳輸、線路板燒毀，建筑物損壞、人畜傷亡等惡性事故時(shí)有發(fā)生，給人們的生活、生產(chǎn)造成了一定的影響。隨著人們防雷意識(shí)的不斷提高，社會(huì)對(duì)雷電預(yù)警技術(shù)服務(wù)的要求越來越迫切。與此同時(shí)，隨著防雷技術(shù)的不斷發(fā)展，利用多站大氣電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)地面電場(chǎng)，提供監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地面電場(chǎng)的分布以及雷暴空間電荷的分布和移動(dòng)路徑，為雷電的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供重要的信息，同時(shí)結(jié)合閃電定位系統(tǒng)的觀測(cè)，使雷電和雷暴預(yù)警的專項(xiàng)服務(wù)成為可能[1-2]。

相關(guān)研究表明，大氣電場(chǎng)資料，能夠有效探測(cè)雷暴云不同階段特征，有助于業(yè)務(wù)人員有效判斷和識(shí)別強(qiáng)雷暴云影響區(qū)域及未來發(fā)展趨勢(shì)，有效進(jìn)行雷電預(yù)警服務(wù)[3]。為減少雷電災(zāi)害給社會(huì)生產(chǎn)和人民生活造成的損失，更好地為各行業(yè)提供對(duì)雷電活動(dòng)的預(yù)警、預(yù)報(bào)需求，青島市氣象局于2008年1月起，在全市布設(shè)了6套法國AMEO340型大氣電場(chǎng)儀， 2008年12月通過驗(yàn)收，并于2009年起正式開始運(yùn)行。根據(jù)青島市雷電業(yè)務(wù)發(fā)展需求，2011年又增設(shè)6套國產(chǎn)AEFD340型大氣電場(chǎng)儀，并入原大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步擴(kuò)大了青島市雷電監(jiān)測(cè)范圍。

此文利用大氣電場(chǎng)儀資料，結(jié)合閃電定位資料、天氣形勢(shì)分析及天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，對(duì)2013年7月1日青島地區(qū)一次雷電天氣過程進(jìn)行了多種資料的綜合分析，為雷電臨近預(yù)警業(yè)務(wù)提供幫助。

1 大氣電場(chǎng)儀站點(diǎn)信息

基于監(jiān)測(cè)資料的可比性，選用地物環(huán)境相同[4]即安裝于觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的6套大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，站點(diǎn)名稱分別為伏龍山、即墨、李村、世紀(jì)公園、膠南、董家口，基本信息見表1。

表1 青島地區(qū)大氣電場(chǎng)儀基本信息

Table 1 Basic information of atmospheric electric field mills in Qingdao

縣區(qū)站名位置海拔高度/m經(jīng)度/°E緯度/°N啟用時(shí)間(年-月-日)設(shè)備型號(hào)市南區(qū)伏龍山觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)40 833120 33036 0672008-12-13AMEO340即墨市即墨觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)18 009120 46736 3802008-12-13AMEO340李滄區(qū)李村觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)30 345120 41636 1662008-12-13AMEO340城陽區(qū)世紀(jì)公園觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)17 615120 39536 2892011-12-13AEFD340膠南市膠南觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)15 362120 00935 8772011-12-13AEFD340膠南市董家口觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)17 372119 76135 5882011-12-13AEFD340

大氣電場(chǎng)儀的基本工作原理是導(dǎo)體在電場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，當(dāng)云中發(fā)生電荷分離時(shí)，地面電場(chǎng)將發(fā)生相應(yīng)的變化，其強(qiáng)度與云中電荷的積累量和分布有關(guān)，因此通過測(cè)量地面大氣電場(chǎng)的變化，可以反演出高空云層電場(chǎng)的變化，并可以對(duì)閃電的發(fā)生提前作出預(yù)警。由于地面電場(chǎng)相應(yīng)時(shí)刻的波動(dòng)幅度明顯小于空中電場(chǎng)，且只有部分空中電場(chǎng)的波動(dòng)能通過地面電場(chǎng)較好地反映[5]，因此在討論地面電場(chǎng)變化之前作如下約定：當(dāng)?shù)孛骐妶?chǎng)受雷暴云內(nèi)正電荷控制時(shí)，地面電場(chǎng)為負(fù)值，一次閃電中和了負(fù)電荷，則對(duì)應(yīng)地面電場(chǎng)正向變化；反之亦然[6]。每次地面電場(chǎng)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，該過程可能對(duì)應(yīng)云閃或者地閃，對(duì)于那些沒有極性反轉(zhuǎn)的電場(chǎng)脈沖很可能代表一次云閃，該文暫不討論云閃問題。

大氣電場(chǎng)儀僅能單一指示其有效探測(cè)范圍(一般為15～30 km)內(nèi)的大氣電場(chǎng)變化和有無閃電發(fā)生，無法確定閃電的移動(dòng)方向，大氣電場(chǎng)儀組網(wǎng)系統(tǒng)的建立能夠彌補(bǔ)這種不足，通過不同站點(diǎn)反應(yīng)時(shí)間的順序判斷雷暴云的移動(dòng)路徑，對(duì)雷暴云的動(dòng)向作出判斷[7]。

2 天氣形勢(shì)和雷達(dá)回波分析

受副熱帶高壓與西風(fēng)槽的共同影響，2013年7月1日山東大部分地區(qū)出現(xiàn)了雷陣雨天氣。副熱帶高壓連續(xù)幾天穩(wěn)定在華南沿海地區(qū)，從7月1日08:00(北京時(shí)，下同)的500 hPa天氣圖上(圖1a)來看，青島位于副熱帶高壓的西北側(cè)。700～925 hPa(圖1b)盛行一致的西南風(fēng)，并逐漸達(dá)到急流強(qiáng)度，在山東半島地區(qū)聚集了大量水汽和能量。同時(shí)在上游河北西北部地區(qū)，有淺槽東移南壓，冷空氣從高層滲入，觸發(fā)了對(duì)流天氣的發(fā)生。從1日08:00濟(jì)南站的探空分析(圖1c)看出，CAPE值達(dá)到1 200 J/kg以上，K指數(shù)為42 ℃，沙氏指數(shù)小于-2 ℃，表明大氣層結(jié)處于較強(qiáng)不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著高空淺槽的東移南壓，整個(gè)山東地區(qū)自西向東陸續(xù)出現(xiàn)對(duì)流性降雨天氣。

圖1 2013年7月1日08:00 500 hPa(a)、700 hPa(b)天氣圖和濟(jì)南站探空?qǐng)D(c)Fig.1 Weather maps at 500 hPa(a) and 700 hPa(b), and sounding plot at Jinan station(c) at 08:00 BST 1 July 2013

根據(jù)青島雷達(dá)反射率演變(圖2)可知，雷暴自魯東南的日照和臨沂地區(qū)向東北方向移動(dòng)，并逐漸影響青島地區(qū)。雷暴云團(tuán)在東移過程中維持較強(qiáng)的強(qiáng)度，14:04時(shí)強(qiáng)回波中心位于日照五蓮縣上空(圖2a)，最大回波強(qiáng)度為55 dBZ；15:02時(shí)強(qiáng)回波中心到達(dá)膠南，位于青島膠南市南部沿海上空(圖2b)，雷暴中心最大回波強(qiáng)度為56 dBZ；16:00時(shí)強(qiáng)回波中心已經(jīng)覆蓋幾乎整個(gè)青島市區(qū)(圖2c)，最大回波強(qiáng)度仍維持在56 dBZ。雷達(dá)平均徑向速度產(chǎn)品顯示，低層為一致的西南氣流，而且有急流存在，15:02雷達(dá)以南25～50 km處有徑向輻合存在(圖2d)，正好對(duì)應(yīng)組合反射率上雷暴中心的位置(圖2b)。在16:00，強(qiáng)雷暴中心已經(jīng)移動(dòng)到了雷達(dá)東側(cè)(圖2c)，速度圖上此時(shí)雷暴中心低層最大徑向速度達(dá)到27 m/s(圖2e)。

圖2 2013年7月1日14:04(a)、15:02(b)、16:00(c)青島雷達(dá)組合反射率和15:02(d)、16:00(e)青島雷達(dá)平均徑向速度圖Fig.2 Radar composite reflectivity at 14:04 BST(a), 15:02 BST (b) and 16:00 BST (c) 1 July 2013, and average radial velocity of radar at 15:02 BST (d) and 16:00 BST (e) 1 July 2013 in Qingdao

3 大氣電場(chǎng)資料分析

由于大氣電場(chǎng)儀探測(cè)的是大氣電場(chǎng)的平均值，因此不僅僅是在有雷暴產(chǎn)生時(shí)，即使是在晴天條件下，依然會(huì)探測(cè)到大氣電場(chǎng)值的變化。研究表明，將電場(chǎng)值在0～250 V/m之間的數(shù)據(jù)都?xì)w為晴天數(shù)據(jù)[8]。除此之外，大氣電場(chǎng)儀資料還受到儀器本身及外界干擾等多種因素的影響，產(chǎn)生一些虛假的極性反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。因此如何在大氣電場(chǎng)資料中甄別真實(shí)的閃電現(xiàn)象是首先要解決的問題。

一般認(rèn)為，在每次地閃發(fā)生時(shí)，地面電場(chǎng)值會(huì)在幾十到幾百毫秒量級(jí)內(nèi)產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)[5，9]。本地閃電經(jīng)驗(yàn)值默認(rèn)為2 kV/m(絕對(duì)值，可調(diào))以上，且在放電完成后其電場(chǎng)值會(huì)迅速回到閃電發(fā)生前的電場(chǎng)值附近。以7月1日15:16在董家口測(cè)站觀測(cè)的一次閃電現(xiàn)象為例(圖3)，電場(chǎng)強(qiáng)度曲線在15:16發(fā)生一次明顯的極性反轉(zhuǎn)，變化范圍在-6～3 kV/m之間，在隨后的約120 s時(shí)間內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度迅速回到極性反轉(zhuǎn)前的數(shù)值，符合判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。極性反轉(zhuǎn)發(fā)生之后，強(qiáng)度恢復(fù)的過程可被理解為大氣電場(chǎng)能量的積累，為下一次閃電發(fā)生做準(zhǔn)備。

圖3 7月1日15:16—15:18董家口站大氣電場(chǎng)強(qiáng)度曲線Fig.3 The change curve of atmospheric electric intensity observed by atmospheric electric field mill at Dongjiakou station from 15:16 BST to 15:18 BST 1 July

通過分析青島全市大氣電場(chǎng)儀的監(jiān)測(cè)時(shí)序圖，大氣電場(chǎng)儀資料很好地反映了此次雷電過程的演變。從單站大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化圖上來看，以董家口站為例，14:00之前約半小時(shí)內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度開始逐漸增強(qiáng)，電場(chǎng)強(qiáng)度劇烈的極性反轉(zhuǎn)集中在14:00—15:00之間，與之前雷達(dá)反射率演變圖上強(qiáng)雷暴云經(jīng)過董家口站上空的時(shí)間一致。15:00之后，仍有極性反轉(zhuǎn)產(chǎn)生，但相比之前密度已明顯減小，說明強(qiáng)雷暴中心已逐漸遠(yuǎn)離測(cè)站。還應(yīng)看到，從單站的電場(chǎng)強(qiáng)度變化圖上，雖然能夠看出雷暴云與測(cè)站之間距離的變化，卻并不能體現(xiàn)出雷暴云具體的移動(dòng)方向。

綜合青島地區(qū)6個(gè)測(cè)站的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線(圖4)，則能很清楚地看到強(qiáng)雷暴云移動(dòng)的特征。特別是從董家口—膠南—伏龍山一線的3個(gè)測(cè)站，3站的分布位置基本呈西南—東北走向，與雷達(dá)監(jiān)測(cè)圖上雷暴云的走向一致。從圖上看到，3站的強(qiáng)極性反轉(zhuǎn)時(shí)間段，分別發(fā)生在14:00—15:00(圖4a)、15:00—16:00(圖4b)、16:00—18:00(圖4c)。時(shí)間上的滯后性，表明了強(qiáng)雷暴云的移動(dòng)路徑。而李村(圖4d)、世紀(jì)公園(圖4e)及即墨(圖4f)3個(gè)測(cè)站基本處于西南—東北的延伸方向上，但由于雷暴云并沒有直接從測(cè)站附近經(jīng)過，因此，這3個(gè)站所監(jiān)測(cè)到的電場(chǎng)強(qiáng)度變化并沒有之前3個(gè)站劇烈。

以膠南站為例，在14:10左右，大氣電場(chǎng)儀探測(cè)到的電場(chǎng)值持續(xù)增強(qiáng)并伴有劇烈波動(dòng)(圖4b)。此時(shí)，最近的(東北方向)強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)距離膠南站有15 km左右，最遠(yuǎn)的(西南方向)強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)距離膠南站尚有30 km左右(圖5a)。通過雷達(dá)回波圖上可以看到，在14:44，原西南方向強(qiáng)回波區(qū)移動(dòng)到達(dá)膠南站，而原東北方向強(qiáng)回波區(qū)移出膠南測(cè)站觀測(cè)范圍(圖5b)。14:40左右，大氣電場(chǎng)儀探測(cè)到一次瞬時(shí)極性反轉(zhuǎn)，判斷發(fā)生了一次地閃(圖4b)。通過此次個(gè)例的分析看出，從測(cè)站電場(chǎng)強(qiáng)度開始增強(qiáng)并伴有劇烈波動(dòng)比雷電的發(fā)生(電場(chǎng)強(qiáng)度極性反轉(zhuǎn))提前了約30 min，因此可提前約30 min進(jìn)行雷電預(yù)警。需要說明的是由于大氣電場(chǎng)儀的探測(cè)范圍是既定的，因此預(yù)警時(shí)間的提前量還取決于天氣系統(tǒng)的移動(dòng)速度。從上述分析可以看出，大氣電場(chǎng)儀探測(cè)數(shù)據(jù)并無法區(qū)分是受單一還是多個(gè)雷暴云影響，也無法判斷雷暴云的移動(dòng)方向，而大氣電場(chǎng)儀組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，通過不同站點(diǎn)反應(yīng)時(shí)間的不同，可以對(duì)雷暴云的移動(dòng)路徑做出判斷，同時(shí)結(jié)合雷達(dá)回波和閃電定位系統(tǒng)來綜合判斷，可為下游地區(qū)提供定位更精準(zhǔn)、強(qiáng)度更準(zhǔn)確的雷電預(yù)警。

圖4 7月1日13:00—19:00董家口(a)、膠南(b)、伏龍山(c)、李村(d)、世紀(jì)公園(e)和即墨(f)站大氣電場(chǎng)強(qiáng)度曲線Fig.4 The change curve of atmospheric electric intensity observed by atmospheric electric fields mill at stations of Dongjiakou (a), Jiaonan (b), Fulong Mountain (c), Licun (d), Century Park (e) and Jimo (f) from 13:00 BST to 19:00 BST 1 July

圖5 2013年7月1日06:09 UTC(a)和06:44 UTC(b)青島雷達(dá)組合反射率(紅色箭頭指示的是膠南站的位置)Fig.5 The composite reflectivity map detected by Qingdao radar at 06:09 UTC (a) and 06:44 UTC (b) 1 July 2013(The red arrows indicate the location of Jiaonan station)

4 閃電定位資料分析

閃電定位儀通過監(jiān)測(cè)閃電的發(fā)生時(shí)刻及位置，可以從宏觀上清楚地看到閃電的分布及走向[10]。從7月1日13:00—20:00青島地區(qū)的閃電定位圖上(圖6)來看，雷電主要集中在膠南市西南部和即墨市境內(nèi)，而此時(shí)段強(qiáng)雷達(dá)回波區(qū)正好從膠南市西南部和即墨市區(qū)經(jīng)過(圖2a-c)，閃電定位圖上閃電發(fā)生的位置與雷達(dá)反射率圖上雷暴云的移動(dòng)路徑基本一致，而董家口(圖4a)和膠南(圖4b)測(cè)站的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)變化頻度最為劇烈，與膠南市西南部地閃密度大密切相關(guān)。

但閃電定位儀也存在局限性，只有當(dāng)雷雨云中電荷積累達(dá)到擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度之后，閃電定位系統(tǒng)才能對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于尚未發(fā)生雷電的云，沒有任何預(yù)警功能，也不能探測(cè)到閃電形成前云中電荷活動(dòng)的演變過程[1，11-12]。但閃電定位數(shù)據(jù)可以作為雷電預(yù)警效果檢驗(yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖6 2013年7月1日13:00—20:00青島地區(qū)的閃電定位圖(“+”代表正閃電，即雷云帶正電荷的放電過程；“-”代表負(fù)閃電，即雷云帶負(fù)電荷的放電過程)Fig.6 Map of lighting positions in Qingdao from 13:00 BST to 20:00 BST 1 July 2013 (“+” stands for positive flash, which is discharge process of positive charged thundercloud; “-” stands for negative flash, which is discharge process of negative charged thundercloud)

5 結(jié)論

1)當(dāng)?shù)孛骐妶?chǎng)強(qiáng)度曲線在幾十到幾百毫秒量級(jí)內(nèi)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，變化幅度在2 kV/m以上，且完成后電場(chǎng)值會(huì)迅速回到極性反轉(zhuǎn)前的電場(chǎng)值附近時(shí)，可以判斷為發(fā)生了一次地閃。

2)閃電發(fā)生前電場(chǎng)強(qiáng)度的增加可為雷電預(yù)警提供時(shí)間，但不能體現(xiàn)出雷暴云具體的移動(dòng)方向。

3)通過不同站點(diǎn)反應(yīng)時(shí)間的不同，大氣電場(chǎng)儀組網(wǎng)監(jiān)測(cè)可以對(duì)雷暴云的移動(dòng)路徑做出判斷。

4)通過對(duì)大氣電場(chǎng)儀組網(wǎng)數(shù)據(jù)、雷達(dá)回波以及閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以更好地判斷雷暴云的活動(dòng)狀況，提高雷電的預(yù)警準(zhǔn)確率和時(shí)間提前量。

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A case study of forewarning with atmospheric field mill for thunderstorm weather in Qingdao

WU Bei1, YAN Jingdong2, REN Zhaopeng3, XIE Feng3

(1.QingdaoLightningProtectionCenter,Qingdao266003,China; 2.LiaochengMeteorologicalBureau,Liaocheng252060,China; 3.QingdaoMeteorologicalObservatory,Qingdao266003,China)

By using data of atmospheric electric field mills, weather radars and lighting position indicators, a thunderstorm on 1 July 2013 in Qingdao was studied. The results show that on the curve of measured earth surface electric intensity, when a polarity reversal greater than 2 kV/m within tens to hundreds of milliseconds is observed, and followed by an electric intensity swift falling back to the previous data value range, one occurrence of cloud-to-ground lighting can be confirmed. As measured electric intensity curve presents the change of the distance between the thunder cloud and the observation point, lighting forecasting and warning can be made via measuring the rise of the atmospheric electric intensity in advance. Using atmospheric electric field observation network, the track of the thunder cloud can be deduced. By comprehensive analysis of data of atmospheric electric field observation network, weather radars and lighting location systems, the activity of the thunder cloud can be better captured, and lighting forecasting and warning can be improved.

lightning; atmospheric electric field; lightning location; weather radar

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.010. (in Chinese)

2016-08-02；

2017-01-26

山東省氣象局科研項(xiàng)目(sdqd2013-19)

吳蓓(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警研究，wu.bei@126.com。

P427.311

A

2096-3599(2017)01-0092-06

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.010

吳蓓，閆景東，任兆鵬，等.青島地區(qū)電場(chǎng)儀資料在一次雷暴天氣過程中的應(yīng)用分析[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2017，37(1)：92-97.

Wu Bei, Yan Jingdong, Ren Zhaopeng， et al. A case study of forewarning with atmospheric field mill for thunderstorm weather in Qingdao[J].Journal of Marine Meteorology,2017,37(1):92-97.