大氣電場(chǎng)儀輔助觀測(cè)機(jī)場(chǎng)區(qū)域雷暴的方法探析

陳鎮(zhèn) 徐志欽 林士渠 朱弘威

（中國(guó)民用航空廈門(mén)空中交通管理站，福建 廈門(mén) 361000）

雷暴是積雨云強(qiáng)烈垂直發(fā)展所產(chǎn)生的一種天氣現(xiàn)象，夏季對(duì)流旺盛，氣流在不斷上升、下沉中發(fā)生大量的摩擦，積累大量電荷，一旦氣流上升到一定高度，急速冷卻后快速下沉，于是就形成了雷暴。除了帶來(lái)強(qiáng)降水外，往往還可能伴有冰雹、大風(fēng)、下?lián)舯┝?、風(fēng)切變、雷擊等災(zāi)害性天氣，會(huì)給飛行帶來(lái)很大的困難，甚至?xí)痫w機(jī)失去控制、機(jī)上設(shè)備損壞、發(fā)動(dòng)機(jī)失效等，對(duì)飛行安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

雷暴是目前嚴(yán)重威脅航空飛行安全的重要因素。以廈門(mén)高崎機(jī)場(chǎng)為例，雷暴年平均日數(shù)達(dá)29.8 天，最多達(dá)到49 天（1997 年），在飛行保障中，雷暴又是我們保障的重要天氣與難點(diǎn)?，F(xiàn)有的雷暴觀測(cè)，基本依靠觀測(cè)員的目力觀測(cè)，觀測(cè)的精力、經(jīng)驗(yàn)的不足，觀測(cè)的服務(wù)精度、準(zhǔn)確度等難免保證不夠。而大氣電場(chǎng)儀能夠準(zhǔn)確地、不間斷地連續(xù)測(cè)量大氣背景電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和變化狀況，能夠測(cè)量出某一個(gè)地區(qū)是否有存在雷暴活動(dòng)并發(fā)出警報(bào)。如果能夠利用大氣電場(chǎng)儀的探測(cè)資料，結(jié)合雷達(dá)回波、衛(wèi)星云圖等提供服務(wù)，將大大提高服務(wù)質(zhì)量。因此，該文從大氣電場(chǎng)儀的資料輔助雷暴觀測(cè)的方法進(jìn)行探討，期冀能減少雷暴對(duì)飛行安全的影響及危害，為進(jìn)一步提升民航氣象觀測(cè)服務(wù)質(zhì)量、保證飛行安全提供點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn)。

1 大氣電場(chǎng)儀原理簡(jiǎn)介

大氣電場(chǎng)儀是當(dāng)今先進(jìn)的雷電遙感探測(cè)設(shè)備，不僅能實(shí)現(xiàn)大氣電場(chǎng)變化的實(shí)時(shí)觀測(cè)，還可以有效探測(cè)雷電的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程[1]。大氣電場(chǎng)儀是利用導(dǎo)體在電場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理來(lái)測(cè)量電場(chǎng)，積雨云內(nèi)的電荷累計(jì)到一定程度時(shí)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，周?chē)碾妶?chǎng)就會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)攜帶電荷的積雨云形成或在遠(yuǎn)處的時(shí)候，電場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始增大；積雨云逐漸靠近，因?yàn)樵茖诱?fù)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)相互抵消，電場(chǎng)強(qiáng)度減小；當(dāng)攜帶大量電荷的積雨云進(jìn)一步靠近，電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大。地面電場(chǎng)儀上的感應(yīng)電荷強(qiáng)度與云底部附近的電荷成正比，因此地面電場(chǎng)儀可以幫助我們實(shí)時(shí)探測(cè)其周?chē)貐^(qū)的大氣電場(chǎng)信號(hào)[2]，再使用提前設(shè)定好的大氣電場(chǎng)值來(lái)劃分強(qiáng)度等級(jí)，從而達(dá)到雷暴預(yù)警的功能。

2 資料來(lái)源

該文所用的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集于廈門(mén)市氣象局安裝在廈門(mén)高崎機(jī)場(chǎng)氣象觀測(cè)場(chǎng)的大氣電場(chǎng)儀，型號(hào)為ZQZ-TD1，其傳感器性能數(shù)據(jù)如表1 所示。其大氣電場(chǎng)值采樣頻率為每次/秒，該文采用本分鐘秒數(shù)據(jù)的平均值(分鐘平均值)，單位為kV/m。

表1 ZQZ-TD1 型大氣電場(chǎng)儀部分性能數(shù)據(jù)

3 資料特征分析

3.1 雷暴天氣與其它天氣的特征對(duì)比

按照民航氣象觀測(cè)規(guī)定，雷暴天氣現(xiàn)象在民航氣象觀測(cè)中的通報(bào)和記錄尤為特殊，雷暴開(kāi)始和終止時(shí)間的記錄，以第一次聞雷或第一次探測(cè)到機(jī)場(chǎng)范圍有閃電時(shí)（閃電定位儀）為開(kāi)始時(shí)間，最后一次聞雷或探測(cè)到閃電，而且確認(rèn)10分鐘內(nèi)沒(méi)有再聽(tīng)到雷聲或探測(cè)到閃電，就認(rèn)為雷暴已經(jīng)終止或已移出本場(chǎng)[3]。

在天氣晴朗或陰天無(wú)強(qiáng)對(duì)流云系時(shí)，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度通常在-1kV/m 到+1kV/m 范圍內(nèi)，但是攜帶大量電荷的積雨云的發(fā)展能使四周的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到幾千伏/米。在晴朗無(wú)云天氣下，電場(chǎng)強(qiáng)度范圍是：-500V/m 到+500V/m，如圖1 所示。當(dāng)出現(xiàn)雷暴天氣時(shí)，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度隨著積雨云產(chǎn)生的雷電強(qiáng)度的增大而增大，能夠超過(guò)10kV/m，在發(fā)展旺盛的積雨云產(chǎn)生的雷暴甚至能夠超過(guò)20kV/m。

圖1 廈門(mén)機(jī)場(chǎng)某次晴朗天氣大氣電場(chǎng)值變化曲線

因此觀測(cè)員密切監(jiān)視雷達(dá)回波、衛(wèi)星云圖，結(jié)合大氣電場(chǎng)值的變化，有利于掌握雷暴的強(qiáng)度和發(fā)展、移動(dòng)的趨勢(shì)。

3.2 雷暴天氣特征分析

3.2.1 短時(shí)間雷暴特征分析

以2019 年4 月11 日發(fā)生的一次持續(xù)時(shí)間較短的雷暴天氣過(guò)程為例，持續(xù)時(shí)間約1 小時(shí)，其移動(dòng)路徑大致為由機(jī)場(chǎng)西北方向東移至機(jī)場(chǎng)東北方向，大氣電場(chǎng)值隨時(shí)間變化由圖2 所示。

圖2 2019 年4 月11 日雷暴過(guò)程大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

由上圖所示本次雷暴過(guò)程大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的變化過(guò)程較為簡(jiǎn)單，可大致分為以下幾個(gè)時(shí)間階段：第一階段為17:10-17:30，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線由最開(kāi)始穩(wěn)定在-0.5kV/m 到+0.5kV/m 范圍，到逐漸產(chǎn)生快速的波動(dòng)，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值在不斷增大并且在不停波動(dòng)，這表明距離廈門(mén)機(jī)場(chǎng)較遠(yuǎn)的位置有雷電的發(fā)生。從雷達(dá)回波圖3 所示可知，17:19 雷達(dá)回波中心距離廈門(mén)機(jī)場(chǎng)約20 公里，中心強(qiáng)度超過(guò)55dBZ。從大氣電場(chǎng)強(qiáng)度曲線產(chǎn)生的快速波動(dòng)分析，這個(gè)階段大氣電場(chǎng)強(qiáng)度值的波動(dòng)范圍是在零點(diǎn)值附近，其中大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值達(dá)2.7kV/m，說(shuō)明在大氣電場(chǎng)儀的探測(cè)距離范圍所產(chǎn)生的閃電可能為能量不大的云間閃。

第二階段為17:30-17:50，從大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線可知這個(gè)階段的大氣電場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始向負(fù)軸快速增大，表明積雨云的位置向廈門(mén)機(jī)場(chǎng)方向靠近，并在不斷發(fā)展，積雨云所積累的負(fù)電荷也在不斷增加。當(dāng)云層底端和地面之間的電勢(shì)差達(dá)到一定強(qiáng)度，便會(huì)發(fā)生先導(dǎo)閃電，能夠?qū)⒌孛骐妶?chǎng)瞬間倒轉(zhuǎn)[4]，在大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線中表現(xiàn)為指向正軸的快變尖峰。雷達(dá)回波圖3 所示的17:31 雷達(dá)回波圖距離廈門(mén)機(jī)場(chǎng)約10-15 公里，觀測(cè)員此時(shí)第一次聞雷，聞雷方向在機(jī)場(chǎng)西北面。當(dāng)一次放電結(jié)束以后，云層又會(huì)馬上重新聚集電荷，繼續(xù)下一次的放電過(guò)程[4]。17:48 觀測(cè)員聞雷已移至北面，可以看出觀測(cè)員的實(shí)測(cè)聞雷與大氣電場(chǎng)值變化較為一致。這個(gè)階段內(nèi)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度有三次明顯的正負(fù)電場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，三次峰值分別為-27kV/m、+19kV/m 和-18kV/m，大氣電場(chǎng)儀的報(bào)警等級(jí)達(dá)到3 級(jí)。

第三階段為17:50 之后，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度在-5kV/m 到+5kV/m 范圍波動(dòng)，隨后逐漸向零點(diǎn)值靠近，表明雷云回波中心減弱或逐漸遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)范圍。雷達(dá)回波圖3 顯示雷達(dá)回波中心已從主體分離，移動(dòng)機(jī)場(chǎng)東北面。

圖3 2019 年4 月11 日雷達(dá)組合反射率17:19(a)、17:31(b)、17:42(c)、17:55(d)

3.2.2 長(zhǎng)時(shí)間雷暴特征分析

以2019 年4 月22 日發(fā)生的一次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的雷暴天氣過(guò)程為例，持續(xù)時(shí)間約4 個(gè)小時(shí)。其移動(dòng)路徑大致為由機(jī)場(chǎng)西面東移至機(jī)場(chǎng)東面，大氣電場(chǎng)值隨時(shí)間變化由圖4 所示。

圖4 2019 年4 月22 日雷暴過(guò)程大氣電場(chǎng)值變化曲線

第一階段為16:10-16:40，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線由最開(kāi)始穩(wěn)定在-0.5kV/m 到+0.5kV/m 范圍，到逐漸產(chǎn)生快速的波動(dòng)，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值在不斷增大，這表明距離廈門(mén)機(jī)場(chǎng)較遠(yuǎn)的位置有雷電的發(fā)生。雷達(dá)回波圖5 所示的16:31 第一塊雷達(dá)回波中心距離廈門(mén)機(jī)場(chǎng)約25 公里，中心強(qiáng)度超過(guò)60dBZ。

第二階段為16:40-18:10，這段時(shí)間內(nèi)地面電場(chǎng)強(qiáng)度除了有兩次向負(fù)電場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)變，電場(chǎng)強(qiáng)度基本為正，說(shuō)明第一塊回波中心以正電荷為主，多為正閃。雷達(dá)回波圖5 所示的16:53 回波中心距離廈門(mén)機(jī)場(chǎng)約10 公里，此時(shí)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到本階段最大值+13kV/m，隨后在16:56 時(shí)觀測(cè)員此時(shí)第一次在機(jī)場(chǎng)西北面聞雷。17:51 雷達(dá)回波圖顯示第一塊回波中心已逐漸遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)并減弱，第二塊回波中心正接近機(jī)場(chǎng)，位于機(jī)場(chǎng)西面約30 公里。

圖5 2019 年4 月11 日組合反射率16:31(a)、16:53(b)、17:51(c)、18:13(d)、18:36(e)、19:10(f)

第三階段為18:10-20:00，本階段顯示第二塊回波中心以負(fù)電荷為主，多為負(fù)閃。18:13 第二塊回波中心距機(jī)場(chǎng)約15公里，18:36 回波中心接近機(jī)場(chǎng)區(qū)域，19:10 東移至機(jī)場(chǎng)東面20 公里，此時(shí)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度任處于大幅波動(dòng)階段，第四階段為20:00 之后，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的波動(dòng)逐漸趨于平穩(wěn)，并且逐漸向零點(diǎn)值靠近，表明雷云回波中心減弱或逐漸遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)范圍。

3.2.3 雷暴特征與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的變化和雷暴的產(chǎn)生、發(fā)展和移動(dòng)有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)雷暴接近時(shí)，大氣電場(chǎng)值由穩(wěn)定到逐漸增大，云層和地面電勢(shì)差達(dá)到一定強(qiáng)度，放電導(dǎo)致電場(chǎng)瞬間倒轉(zhuǎn)，從其變化曲線可以看出一個(gè)相對(duì)峰值?！睹裼煤娇諝庀蟮孛嬗^測(cè)規(guī)范》中第一百零一條規(guī)定，雷暴開(kāi)始時(shí)間的記錄是以第一次聞雷或第一次探測(cè)到機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)有閃電時(shí)為開(kāi)始時(shí)間，但廈門(mén)高崎機(jī)場(chǎng)未配有閃電定位儀，所以雷暴開(kāi)始時(shí)間以觀測(cè)員第一次聞雷為開(kāi)始時(shí)間。該文通過(guò)統(tǒng)計(jì)20 次雷暴，由圖6 所示，對(duì)比其大氣電場(chǎng)值由穩(wěn)定首次增大到極大值的時(shí)間和觀測(cè)員第一次聞雷時(shí)間，大氣電場(chǎng)值首次達(dá)到極大值的時(shí)間平均提早于觀測(cè)員第一次聞雷時(shí)間約3min，這對(duì)觀測(cè)員觀測(cè)雷暴有著較好的預(yù)警作用。

圖6 大氣電場(chǎng)值與聞雷時(shí)間散點(diǎn)圖

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

通過(guò)以上分析與比對(duì)，可以得到：

4.1.1 利用大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線特征可以掌握不同的天氣情況，對(duì)于觀測(cè)員有一定的指示作用。值班期間觀測(cè)員可多關(guān)注和參考大氣電場(chǎng)儀數(shù)據(jù)。當(dāng)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線由穩(wěn)定逐漸發(fā)生快速波動(dòng)，最大值不斷增大且不斷波動(dòng)時(shí)，說(shuō)明強(qiáng)對(duì)流天氣即將發(fā)生，甚至強(qiáng)回波中心正在接近觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)員應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)巡視工作。

4.1.2 雷暴天氣現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度首次增大達(dá)到極大值，開(kāi)始放電向相反方向變化時(shí)，根據(jù)大氣電場(chǎng)值首次達(dá)到極大值的時(shí)間和觀測(cè)員第一次聞雷時(shí)間有較好的關(guān)聯(lián)性，通常滯后3 分鐘，觀測(cè)員應(yīng)集中精力，做好聞雷的觀測(cè)、記錄和發(fā)布天氣報(bào)告準(zhǔn)備。

4.1.3 當(dāng)雷暴持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，大氣電場(chǎng)值達(dá)到峰值向相反方向變化時(shí)，會(huì)接近或經(jīng)過(guò)零點(diǎn)值，大氣電場(chǎng)儀的報(bào)警等級(jí)可能會(huì)顯示為0，這時(shí)不代表雷暴已經(jīng)遠(yuǎn)離或者消散，強(qiáng)回波中心可能在本場(chǎng)上空，正在為下一次放電重新聚集電荷。因此，觀測(cè)員不可放松警惕，應(yīng)持續(xù)做好觀測(cè)與報(bào)告等工作。

4.2 應(yīng)用展望

4.2.1 組建大氣電場(chǎng)儀區(qū)域聯(lián)合監(jiān)測(cè)：利用多臺(tái)大氣電場(chǎng)儀，在相同時(shí)間，不同的站點(diǎn)的大氣電場(chǎng)儀對(duì)同一雷暴系統(tǒng)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)，能得到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，進(jìn)一步預(yù)測(cè)出雷暴系統(tǒng)中心方位及其移動(dòng)路徑。

4.2.2 大氣電場(chǎng)儀和閃電定位儀結(jié)合監(jiān)測(cè)：大氣電場(chǎng)儀能夠反映雷暴云的電場(chǎng)強(qiáng)度特征和活動(dòng)狀況，閃電定位儀能夠確定閃電發(fā)生的位置，兩者進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，可以組成整個(gè)區(qū)域內(nèi)對(duì)雷暴和雷電活動(dòng)的綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)[5]，可以提升對(duì)雷暴天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)和預(yù)警功能。