呼和浩特地區(qū)大氣電場預警系統(tǒng)預警效果評估

王曼霏，王樂樂，申紫薇，徐燕霞，石茹琳

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)雷電預警防護中心，內(nèi)蒙呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙呼和浩特 010051）

0 引言

雷電災害已成為影響內(nèi)蒙古經(jīng)濟社會發(fā)展的嚴重災害之一。近15年，內(nèi)蒙古自治區(qū)共發(fā)生雷災事故653起，平均每年發(fā)生43.5次。雷擊直接經(jīng)濟損失17 516萬元，每年雷擊損失1 167.8萬元；雷擊人員傷亡的事故136起，傷亡人數(shù)233人，死亡人數(shù)154人[1]。由于雷暴生命周期短、范圍小，而業(yè)務數(shù)值預報模式時空擴展性小以及水平、垂直分辨率較低，因此雷暴預警預報是天氣預報中較困難的工作之一。強對流天氣的發(fā)生、發(fā)展具有突發(fā)性和局地性，所以雷電預警更多地借助于實時監(jiān)測手段[2]。而雷暴過程中云內(nèi)的起、放電不僅僅引發(fā)了閃電的發(fā)生發(fā)展，同時也使得近地面的大氣電場發(fā)生了劇烈變化。因此，大氣電場預警系統(tǒng)有效利用雷暴云通過測站時大氣電場的變化規(guī)律，對雷電活動進行預警[3]。對于雷電預警，其預警信號是否有效及時是用戶最關心的問題，同時也是防災減災的重要依據(jù)，因此對大氣電場預警系統(tǒng)的預警效果的評估，是為今后更好地服務于用戶，改善預警能力提供重要依據(jù)。

1 研究方法

大氣電場預警系統(tǒng)預警級別的劃分主要是依據(jù)電場強度的變化。[4]當電場強度達到2 000 v/m時系統(tǒng)開始發(fā)出預警信號，為一級預警，電場提升至4 000 v/m預警提升至二級；當電場達到6 000 v/m時預警信號提升至三級；當預警信號下降至500 v/m以下并持續(xù)30分鐘時警報解除。而雷電預警檢驗分 3 種指標：TS評分，空報率，漏報率。因此，利用大氣電場的變化特征與檢驗的三個指標擬定評分標準。將2018—2019年大氣電場預警系統(tǒng)于7、8兩月運行期間觀測得到的內(nèi)蒙古呼和浩特市地區(qū)地面電場觀測數(shù)據(jù)根據(jù)預警事件、預警范圍進行統(tǒng)計處理，并計算出用于檢驗預警系統(tǒng)的三個指標。

2 呼和浩特地區(qū)大氣電場預警系統(tǒng)預警評分

大氣電場雷電預警服務系統(tǒng)是根據(jù)大氣電場隨著雷暴云移動時地面大氣電場的變化特征，利用大氣電場儀對大氣電場指標監(jiān)測，從而對重點區(qū)域閃電活動進行雷電預警監(jiān)測的手段之一[5-6]。本文對2019-2019年7月、8月呼和浩特地區(qū)運行的測站的預警數(shù)據(jù)進行匯總與處理，利用TS評分對預警結果進行分析，從多個方面對大氣電場雷電預警服務系統(tǒng)進行了評估，結果較好。

2.1 雷電預警等級的劃分及評估標準

當電場強度達到2 000 v/m時系統(tǒng)開始發(fā)出預警信號，為一級預警，電場提升至4 000 v/m預警提升至二級；當電場達到6 000 v/m時預警信號提升至三級；當預警信號下降至500 v/m以下并持續(xù)30分鐘時警報解除。

雷電預警檢驗分3種指標：TS評分，空報率，漏報率。采用了較嚴格TS評分方法。將雷電預警過程與實況閃電（即閃電定位儀數(shù)據(jù)）作比較。評估準則如下：

為了與真實觀測數(shù)據(jù)對比，將預警范圍劃分為以電場儀站點為中心的5 km范圍、10 km范圍和20 km范圍。在預警中，將首次預警發(fā)出的時間記為一次雷暴過程的開始時間，預警解除后若30分鐘內(nèi)沒有再次發(fā)出預警則將首次預警解除時間記為該過程的結束時間，若30分鐘內(nèi)再次發(fā)出預警信號，則將結束時間順延至第二次預警解除，以此類推，將開始時間到結束時間的整個過程記為以此雷暴事件。

當一次雷暴事件過程中在5 km（或10 km、20 km）范圍內(nèi)有地閃發(fā)生時則將該次事件記為該月的一個正確樣本NA。當一次雷暴事件過程中在5 km（或10 km、20 km）范圍內(nèi)沒有地閃發(fā)生時則將該次事件記為該月的一個空報樣本NB。閃電實際發(fā)生系統(tǒng)卻沒有發(fā)出預警信號的情況為漏報，因此將發(fā)生時間間隔小于30分鐘的一個或幾個閃電記為一次漏報事件，一次漏報事件為該月的一個漏報樣本數(shù)NC。

根據(jù)上述樣本可以得到以下三個指標：

TS評分：Ts=NA/（NA+NB+NC）；

漏報率：PO=NC/（NA+NC）；

空報率：NH=NB/（NA+NB）。

2.2 呼和浩特地區(qū)測站2018—2019年7月、8月大氣電場預警評分

通過對2018年7、8月兩月各個站點的數(shù)據(jù)分析，可以得到預警范圍在10 km以內(nèi)的準確率、漏報率和空警率均值分別為20.2%、49.7% 和68.5%，明顯高于20 km以內(nèi)的18.8%、71.9%和59.1%。其中10 km以內(nèi)范圍準確率可達到32%高于預報中雷電預警水平。內(nèi)蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院站點8月份10 km預警范圍內(nèi)準確率為32%，漏報率為25%，空報率為65%。由該月全部預警事件可知，預警發(fā)生時出現(xiàn)地閃的情況為6次（即正確樣本），未發(fā)生地閃的情況為11個（即空報樣本），還有兩次地閃發(fā)生時沒有預警的時間（即漏報）。其中，正確樣本中，從預警開始到首次地閃發(fā)生的時間（即預警時效）從2分鐘到2小時不等。兩次漏報分別發(fā)生在8月5日14：25：23和8月25日16：33：25。

通過對2019年7、8月兩月各個站點的數(shù)據(jù)分析，可以得到2019年7月預警范圍在5 km以內(nèi)的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.14、30%和85%，預警范圍在10 km以內(nèi)的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.16、49%和80%，而預警范圍在20 km以內(nèi)的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.19、69%和65%。2019年8月預警范圍在5 km以內(nèi)的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.12、46%和81%，預警范圍在10 km以內(nèi)的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.18、56%和74%，而預警范圍在20 km以內(nèi)的TS評分、漏報率和空警率均值分別為0.18、73%和61%。由此可見，無論是7月還是8月，隨著預警范圍不斷增大，閃電TS評分逐漸增高空警率逐漸降低，但范圍的增大導致地閃數(shù)據(jù)增多，因此漏報率也逐漸增高。

2018—2019年7—8月呼和浩特地區(qū)大氣電場預警系統(tǒng)觀測結果如圖1、2所示，漏報率和空警率隨著站點的不同起伏變化較大，值之間成反比。TS評分無論是5 km、10 km、還是20 km均從0.17～0.39不等，但總體趨于0.2，仍然有待提高。其中以10 km范圍預警準確率較高，可達到預報中雷電預警水平32%以上。

空報率偏高主要是由于：一是各個站點的參數(shù)設置中沒有考慮到具體站點之間的差異而進行校準，大氣電場預警的閾值每站也都相同，后期還將繼續(xù)校準訂正，從而提高準確率。二是城區(qū)內(nèi)環(huán)境較為復雜，周圍儀器設備會對大氣電場儀產(chǎn)生干擾，從而使得觀測值增大出現(xiàn)預警。三是在雷暴云通過測站的過程中除了會發(fā)生可以觀測到的地閃，云內(nèi)也會持續(xù)不斷的發(fā)生云閃從而影響地面電場的值，因此在預警過程中也會產(chǎn)生空報，后期還應在與閃電定位資料對比的基礎上與雷達資料進行對比。

3 結語

從2018—2019年7—8月呼和浩特地區(qū)大氣電場預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)TS評分結果來看，無論是7月還是8月，隨著預警范圍不斷增大，閃電TS評分逐漸增高空警率逐漸降低，但范圍的增大導致地閃數(shù)據(jù)增多，因此漏報率也逐漸增高。漏報率和空警率隨著站點的不同起伏變化較大，值之間成反比。TS評分無論是5 km、10 km、還是20 km均從0.17～0.39不等，但總體趨于0.2，仍然有待提高。其中以10 km范圍預警準確率較高，可達到預報中雷電預警水平32%以上，總體來說，預警效果較為符合預期，后期將繼續(xù)研究以更好地提高預警效果。