基于電場變化的雷電預(yù)警分析

李慶申，張東東，賴晉科，李建勇，劉銀鋒，杜建蘋

（1.北京華云東方探測技術(shù)有限公司，北京 100081；2.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510640）

雷電是發(fā)生于大氣中的一種瞬態(tài)大電流、高電壓、強(qiáng)電磁輻射的天氣現(xiàn)象［1－2］。伴隨微電子器件和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，雷電災(zāi)害愈加嚴(yán)重。面對雷電災(zāi)害服務(wù)的社會(huì)需求，發(fā)展雷電災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報(bào)和產(chǎn)品服務(wù)，是社會(huì)和人類生活中雷電災(zāi)害防御系統(tǒng)的重要組成部分，也是雷電監(jiān)測站網(wǎng)發(fā)展所要面臨的難點(diǎn)。雷電發(fā)生前，大氣電場會(huì)有明顯變化，根據(jù)地面大氣電場變化，提前進(jìn)行雷電預(yù)警，減少雷電對社會(huì)造成的危害［3］。秦微等［4］利用多元回歸技術(shù)，提取出與閃電發(fā)生相關(guān)性較高的因子，建立一套預(yù)報(bào)方程及最佳電場預(yù)警參數(shù)；王強(qiáng)等［5］利用電場差值法實(shí)現(xiàn)電場在雷電預(yù)警中的有效分析；李穎等［6］利用傅立葉變換將大氣電場時(shí)間序列轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率特性，研究如何將大氣電場數(shù)據(jù)應(yīng)用于雷電預(yù)警。

本研究利用電場閾值、電場變化相結(jié)合的判斷條件形成新型雷電預(yù)警模型，結(jié)合電場組網(wǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行雷電預(yù)警分析。通過對基于電場閾值預(yù)警及新型雷電預(yù)警模型兩種預(yù)警方法分析，證明新型預(yù)警模型的可行性。

1 方法與實(shí)驗(yàn)

1.1 方法

當(dāng)電場場值超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，大氣電場儀就產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)。由于電場易受周圍環(huán)境及其它因素干擾，因此大氣電場儀會(huì)產(chǎn)生誤警［7－8］。根據(jù)柴瑞等［9］對大氣電場的研究，利用實(shí)際電場場值，同時(shí)結(jié)合單位時(shí)間內(nèi)電場差分，能夠極大提高預(yù)警正確率。

新型雷電預(yù)警模式基于電場閾值及電場變化率作為預(yù)警判斷條件，即當(dāng)前電場場值達(dá)到預(yù)設(shè)等級閾值，并且連續(xù)3 s電場場值兩兩之差大于預(yù)設(shè)變化值，產(chǎn)生相應(yīng)預(yù)警信息。例如：V3－V2＞ΔV，V2－V1＞ΔV，同時(shí)V3和V2大于1級預(yù)警值，則為1級預(yù)警，依次類推，如圖1所示，其中V3、V2、V1分別代表連續(xù)3 s電場場值，ΔV代表預(yù)設(shè)變化值。雷暴發(fā)生時(shí)伴隨著電場場值的正負(fù)交替變化，而電場變化值并不能完全反映正負(fù)交替變化。因此，新型雷電預(yù)警模式融合電場正負(fù)變化，能夠提高預(yù)警正確率。

圖1 電場閾值及變化率的預(yù)警流程示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)

廣東地區(qū)具有多雷電雷暴發(fā)生的特點(diǎn)［10－11］。根據(jù)大氣電場儀探測半徑，在廣東從化行政區(qū)域組網(wǎng)布設(shè)11臺(tái)電場儀，分別是溫泉中學(xué)、呂田東明、呂田連麻、鰲頭丁坑、鰲頭山心、流溪河林場、太平二中、鰲頭下西、呂田新聯(lián)、大嶺山林場、從化區(qū)氣象局。

同時(shí)利用廣東DDW1閃電定位數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證本方案預(yù)警效果。

1.3 儀器介紹

1）閃電定位儀。

閃電定位儀主要測量閃電信號(hào)極性、電磁場強(qiáng)度、電流幅值等各種雷電特征信息［12］。本研究使用廣東省氣象局DDW1型全閃閃電定位數(shù)據(jù)，包括云地閃（Cloud Ground Flash，CG）和云閃（Inter Cloud Flash，IC）數(shù)據(jù)。DDW1型全閃閃電定位儀定位精度低于500 m，云地閃及云閃探測效率分別為100%和50%以上。

2）大氣電場儀。

大氣電場是大氣電學(xué)的基本參數(shù)，在晴天電學(xué)、雷暴電學(xué)和閃電的研究中，以及雷暴和閃電測量監(jiān)測中具有重要作用［13－15］。本研究使用北京華云東方探測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AEFI型大氣電場儀進(jìn)行分析，其探測半徑為20 km，測量范圍為－50～＋50 kV／m，分辨率為10 V／m，測量誤差小于5%。

2 結(jié)果與分析

利用一次雷暴過程介紹新型預(yù)警模型。分別利用電場閾值和新型預(yù)警模型兩種預(yù)警方法對2018年6月—2018年7月電場數(shù)據(jù)預(yù)警統(tǒng)計(jì)分析比對，進(jìn)一步驗(yàn)證新型預(yù)警模型的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 閾值和電場變化結(jié)合的新型預(yù)警模型

正常條件下，大氣電場強(qiáng)度為每米幾百伏，但是暴風(fēng)雨的來臨能夠推進(jìn)大氣電場強(qiáng)度達(dá)到每米幾千伏。由于電場變化過程較為緩慢，大概需要30 min，所以通常利用大氣電場儀了解周圍地區(qū)雷暴的發(fā)展活動(dòng)狀況，進(jìn)行雷電預(yù)警［16－17］。

以2018年8月21日廣州從化地區(qū)一次雷暴過程為例，選擇從化區(qū)氣象局電場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖2），其中圖2a為實(shí)際電場場值，圖2b為電場差值（即變化率），圖2c為電場抖動(dòng)，即電場正負(fù)交替變化情況。

圖2 2018年8月21日從化電場儀電場場值及場變化

由圖2a可以看出，在14：26（北京時(shí)，下同）出現(xiàn)高于預(yù)設(shè)閾值3 kV／m的電場場值。根據(jù)閾值預(yù)警，生成預(yù)警信號(hào)。圖2b中14：13電場變化率高于預(yù)設(shè)閾值；利用電場差值預(yù)警，則在14：13后出現(xiàn)差值超過閾值情況。圖2c中可見統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)場強(qiáng)抖動(dòng)，包括正負(fù)交替，在14：02即出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，隨著場強(qiáng)的變化積累，抖動(dòng)在14：10左右達(dá)到峰值。根據(jù)DDW1閃電定位結(jié)果，在14：19后該臺(tái)站1 km范圍內(nèi)連續(xù)發(fā)生閃電。因此，單獨(dú)利用閾值預(yù)警，則會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)信息。利用新型預(yù)警模式，能夠至少提前10 min產(chǎn)生預(yù)警信息。

2.2 預(yù)警結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

利用閾值預(yù)警方法以及新型預(yù)警模式分析廣州市從化區(qū)氣象局（即11號(hào)站）2018年6—7月電場數(shù)據(jù)，獲得預(yù)警信息。同時(shí)與該臺(tái)站1 km范圍內(nèi)DDW1閃電定位數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，驗(yàn)證預(yù)警時(shí)效性。具體信息如表1所示。

表1 2018年6—7月電場預(yù)警信息與閃電定位數(shù)據(jù)對比

由表1可知，在15個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)中，具有以下幾個(gè)特征：

（1）利用閾值預(yù)警，共有7次成功預(yù)警，其余8次分別存在漏警（有閃電發(fā)生，但是沒有預(yù)警信號(hào)）及虛警（有預(yù)警信息，但是實(shí)際沒有發(fā)生閃電）情況。即正確率：7／15＝47%；錯(cuò)誤率：8／15＝53%。成功預(yù)警平均提前15 min 42 s。

（2）利用新型預(yù)警模式，共有10次成功預(yù)警，其余5次存在錯(cuò)誤預(yù)警。即正確率：10／15＝66.7%；錯(cuò)誤率：5／15＝33.3%。成功預(yù)警平均提前19 min17 s。

（3）相比閾值預(yù)警，新型預(yù)警模式正確率由47%提高到66.7%；錯(cuò)誤率由53%降低到33.3%。

3 結(jié)論

1）雷暴個(gè)例分析證明電場變化與閃電存在相關(guān)性。

2）使用傳統(tǒng)的電場閾值法時(shí)，預(yù)警時(shí)效較好，但是誤報(bào)率較高；

3）通過電場變化進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警成功率高，誤報(bào)率較低；并且能夠?qū)崿F(xiàn)接近20 min的短臨預(yù)警。

通過上述對比分析，基于電場變化的新型預(yù)警模型的預(yù)警效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的閾值預(yù)警效果，包括預(yù)警成功率及預(yù)警時(shí)效。在下一步的工作中，將基于新型預(yù)警模式分析從化組網(wǎng)布設(shè)的電場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域預(yù)警。