四川省復(fù)雜地貌區(qū)域雷電活動(dòng)中大氣電場特征研究

張婧雯,張遠(yuǎn)揚(yáng) ,劉 暢,余海蓉,吳 容,魏 慶

（四川省防雷中心,成都 610072）

引言

近年來，大氣電場研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。目前，氣象學(xué)者對(duì)大氣電場的研究主要集中在云體帶電或閃電放電時(shí)大氣電場的變化等方面[1?3]，對(duì)于平原、高原等不同地貌條件下雷電活動(dòng)中大氣電場變化的系統(tǒng)研究少見報(bào)道 。四川省位于青藏高原西側(cè)與長江平原東側(cè)之間的過渡帶，由西向東依次為高原、平原地貌特征，區(qū)域差異明顯[4?6]，其雷電過程的發(fā)生發(fā)展具有突發(fā)性和局地性，使得雷電潛勢預(yù)報(bào)、閃電定位等方法在雷電短臨預(yù)警方面效果并不理想。而大氣電場儀能夠?qū)υ企w帶電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過監(jiān)測大氣電場強(qiáng)度、極性、振幅的連續(xù)變化，對(duì)雷電過程發(fā)生前異常的大氣電場變化加以識(shí)別，從而達(dá)到預(yù)警目的[7?9]。本文擬利用四川省2009～2019 年大氣電場儀監(jiān)測資料，分析省內(nèi)平原和高原地區(qū)雷電活動(dòng)中地面電場的變化特征，以期為有效促進(jìn)大氣電場監(jiān)測資料應(yīng)用、顯著提升雷電短臨預(yù)警水平以及科學(xué)開展四川省地面電場組網(wǎng)工作打下理論基礎(chǔ)[10?12]。

1 資料及其處理

研究數(shù)據(jù)主要來自于2009～2019 年四川省24 個(gè)大氣電場站點(diǎn)（表1）監(jiān)測資料[13?15]。

表1 四川省大氣電場站點(diǎn)經(jīng)緯度和安裝環(huán)境

2 復(fù)雜地貌區(qū)域雷電活動(dòng)中大氣電場特征分析

2.1 平原地區(qū)雷電活動(dòng)中大氣電場特征

研究在光華村、溫江、眉山、宜賓四個(gè)平原站點(diǎn)選取了20 次雷電天氣過程地面電場數(shù)據(jù)，詳見表2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，平原地區(qū)雷電過程持續(xù)時(shí)間為30～350min，平均持續(xù)時(shí)間約為158min，電場絕對(duì)值最大為40kV/m。根據(jù)地面電場變化趨勢，可分為兩類：a類共12 次（60%），地面電場值主要為負(fù)，說明此類雷暴云上部有小部分正電荷區(qū)，下部大部分為負(fù)電荷區(qū)，雷暴云中主要為負(fù)電荷控制區(qū)域，此類雷暴云呈偶極性的電荷結(jié)構(gòu)，也稱雙極型電荷結(jié)構(gòu)（正-負(fù)）；b 類共8 次（40%），此類過程地面電場值開始為正，隨雷暴云發(fā)展到旺盛階段地面電場值轉(zhuǎn)為負(fù)值，說明此類雷暴云上部為小部分正電荷區(qū)，中部為負(fù)電荷區(qū)，下部還有小部分的正電荷區(qū)，呈三極性電荷結(jié)構(gòu)（正-負(fù)-正）。

表2 平原地區(qū)20 次雷暴過程

圖1a 是平原地區(qū)2009 年7 月16 日雷暴過程中地面電場變化。如圖所示，此次雷電過程在開始階段主要以正電場為主，持續(xù)時(shí)間為120min。在雷暴云形成階段，電場開始快變抖動(dòng)，于02:00 轉(zhuǎn)為負(fù)電場，說明此時(shí)地面電場所受雷暴云下部負(fù)電荷區(qū)域影響導(dǎo)致出現(xiàn)負(fù)值。03:00 電場轉(zhuǎn)為正極性，說明此時(shí)降水粒子到達(dá)地面降水粒子荷電瞬間改變地面電場極性。03:25 電場再次轉(zhuǎn)為負(fù)極性，此時(shí)地面電場繼續(xù)受雷暴云下部負(fù)電荷區(qū)影響，負(fù)電場在持續(xù)25min 后雷電過程趨于消散。03:50 轉(zhuǎn)為正電場，此階段EOSO特征不明顯。此次過程地面電場基本為負(fù)變化，說明雷暴云下部負(fù)電荷區(qū)為主要影響區(qū)域。

圖1b 是平原地區(qū)2009 年7 月17 日雷暴過程中地面電場變化。如圖所示，平原地區(qū)此次雷電過程在起始階段電荷不斷累積，電場開始快變抖動(dòng)，以正變化為主。14:05 地面電場變化劇烈，此時(shí)電荷積累到一定程度，達(dá)到了擊穿空氣條件，閃電頻發(fā)，此時(shí)為正電場，影響地面電場變化的主要是雷暴云下部小部分正電荷區(qū)。下部正電荷區(qū)域所帶電荷逐漸增大，在14:50 達(dá)到第一個(gè)極值，隨后減小。持續(xù)50min 后，電場于14:58 轉(zhuǎn)為負(fù)電場，此時(shí)雷暴下部正電荷區(qū)電荷已中和殆盡，云團(tuán)中部負(fù)電荷區(qū)開始影響地面電場變化，地面電場出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，地面電場值呈負(fù)抖動(dòng)趨勢。15:18 電場達(dá)到第二次極值，這是因?yàn)槔纂娺^程中伴有的降水，降水粒子具有很強(qiáng)導(dǎo)電性，當(dāng)降水到達(dá)地面時(shí)，會(huì)造成地面電場極性的瞬間變化。消散階段負(fù)電場逐漸震蕩趨零，此階段EOSO 特征不明顯。

圖1 平原地區(qū)2009 年7 月16 日 (a) 和7 月17 日 (b) 雷暴過程地面電場變化

2.2 高原地區(qū)雷電活動(dòng)中大氣電場特征

研究在康定、馬爾康、鹽源等高原站點(diǎn)選取了11 次雷電天氣過程地面電場數(shù)據(jù)，詳見表3。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，雷電過程持續(xù)時(shí)間為30～360min，平均持續(xù)時(shí)間約為93min，電場絕對(duì)值最大值為37kV/m。根據(jù)地面電場變化趨勢，可分為兩類：a 類共6 次（55%），地面電場值主要為負(fù)，雷暴云中主要為負(fù)電荷控制區(qū)域，此類雷暴云呈偶極性電荷結(jié)構(gòu)（雙極型電荷結(jié)構(gòu)）；b 類共5 次（45%），此類過程開始電場值為正，后轉(zhuǎn)為負(fù)，此類雷暴云呈三極性電荷結(jié)構(gòu)。

表3 高原地區(qū)11 次雷暴過程

圖2a 是高原地區(qū)2015 年6 月16 日雷暴過程中地面電場變化。如圖所示，高原地區(qū)此次雷電過程在起始階出現(xiàn)短暫正電場，強(qiáng)度介于0～5kV/m。16:40地面電場迅速轉(zhuǎn)為負(fù)值，隨后很快出現(xiàn)極值，此時(shí)雷暴云底部負(fù)電荷區(qū)內(nèi)電荷迅速累積。由于高原海拔高、云層低更易形成擊穿，當(dāng)電荷累積到一定程度時(shí)擊穿空氣，發(fā)生閃電，在17:00 出現(xiàn)第一個(gè)極值。隨后緩慢震蕩，在18:40 再次出現(xiàn)第二個(gè)極值，此時(shí)由于高原地區(qū)雷暴云對(duì)流能力減弱，極值強(qiáng)度較第一次極值有所減弱。由于高原地區(qū)地形、熱力因素影響，伴隨降雨或冰雹，云中的含水量降低，引起地面電荷量的累積量減小，此時(shí)地面電場抖動(dòng)頻率增多，出現(xiàn)多次極性反轉(zhuǎn)，但是閃電強(qiáng)度銳減。21:45 進(jìn)入消散階段，呈現(xiàn)明顯的EOSO 過程特征，電場不再劇烈變化，而是趨向于長時(shí)間、大幅度的起伏，這是雷暴消亡階段的典型正弦波動(dòng)，雷暴云下部負(fù)電荷不斷中和后，上部的正電荷區(qū)域出現(xiàn)，這些電荷控制了地面電場極性，使得地面開始出現(xiàn)正電場，最后趨近于晴天大氣電場。整個(gè)過程中地面電場變化依然主要受到雷暴云內(nèi)下部負(fù)電荷區(qū)影響。

圖2b 是高原地區(qū)2015 年6 月24 日雷暴過程中地面電場變化。如圖所示，高原地區(qū)此次雷電過程起始階段地面電場輕微抖動(dòng)，主要為正電場，強(qiáng)度介于0～3kV/m。16:40 出現(xiàn)劇烈變化，極性轉(zhuǎn)為負(fù)電場，抖動(dòng)加劇，在16:55 出現(xiàn)第一個(gè)極值。受冰雹或降水離子影響，電場迅速出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)第二個(gè)極值。此類雷暴下部電荷累積迅速，同樣說明高原海拔高、云層低更易形成擊穿。此時(shí)，雷暴云底部正電荷區(qū)域中和消耗完畢，中部負(fù)電荷區(qū)出現(xiàn)在大氣電場儀上方，電場主要呈負(fù)變化，受中部負(fù)電荷區(qū)影響，在持續(xù)40min 連續(xù)快變抖動(dòng)后，振幅逐漸減小，有明顯的EOSO 變化特征。

圖2 高原地區(qū)2015 年6 月16 日 (a) 和6 月24 日 (b) 雷暴過程地面電場變化

2.3 平原、高原地區(qū)雷電活動(dòng)中大氣電場特征差異分析

平原和高原地區(qū)雷電過程平均持續(xù)時(shí)間分別約為158min 和93min，電場絕對(duì)值最大值分別為40kV/m和37kV/m。平原地區(qū)持續(xù)時(shí)間為高原地區(qū)1.7 倍，電場極值相差不大。平原和高原地區(qū)雷電過程的大氣電場波形變化可分為相同兩類，說明這些地區(qū)雷暴云帶電結(jié)構(gòu)均為偶極性和三極性電荷結(jié)構(gòu)。造成平原和高原地區(qū)雷電過程時(shí)間、強(qiáng)度差異的主要原因是高原地區(qū)雷暴云高度相對(duì)較低，空氣介質(zhì)厚度相對(duì)較小，更易發(fā)生擊穿，雷電更易形成。但高原地區(qū)雷電活動(dòng)的電場強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、最大電場絕對(duì)值較平原地區(qū)偏弱。高原地區(qū)海拔較高，同時(shí)受地形的影響，地面溫度相對(duì)較低，對(duì)流能量相對(duì)較弱，這是引起該地區(qū)雷電過程放電少、極值低、時(shí)間短的一個(gè)重要因素[16?17]。

3 結(jié)論

本文利用四川省2009～2019 年大氣電場儀監(jiān)測資料，分析了省內(nèi)平原和高原地區(qū)雷電活動(dòng)中地面電場的變化特征，得到如下結(jié)論：

（1）平原地區(qū)雷電過程持續(xù)時(shí)間最短為30min，最長為350min，平均約為158min，極值達(dá)到40kV/m。根據(jù)地面電場變化趨勢，分為兩類：地面電場值主要為負(fù)的偶極性的電荷結(jié)構(gòu)，地面電場值由正到負(fù)的三極性電荷結(jié)構(gòu)。

（2）高原地區(qū)雷電過程持續(xù)時(shí)間最短為30min，最長為360min，平均約為93min，極值達(dá)到37kV/m。根據(jù)地面電場變化趨勢，分為兩類：地面電場值主要為負(fù)的偶極性的電荷結(jié)構(gòu)，地面電場值由正到負(fù)的三極性電荷結(jié)構(gòu)。

（3）平原比高原地區(qū)雷電過程平均持續(xù)時(shí)間長1.7 倍，電場極值相差不大。高原雷暴云中電荷累積速度快，擊穿空氣發(fā)生早，雷電過程起始-旺盛過程時(shí)間短。

（4）高原地區(qū)受海拔、地形的影響，地面溫度相對(duì)較低，對(duì)流能量相對(duì)較弱，這是高原地區(qū)雷電過程放電少、極值低、時(shí)間短的一個(gè)重要因素。