一種本地雷暴儀的設計與實現(xiàn)

賴晉科，劉銀鋒，傾鵬程，張東東，黨行通

(1.北京華云東方探測技術有限公司，北京 100081；2.中山市氣象局，中山 528400)

0 引言

雷暴是自然界中的一種強烈放電現(xiàn)象。雷暴常伴有大風、降雨或冰雹等災害天氣現(xiàn)象的出現(xiàn)，給人類帶來災難和巨大的財產(chǎn)損失。因此，雷暴一直都是天氣、氣象學和大氣科學中的重要研究對象[1-5]。

雷暴的觀測形式主要有：人工觀測雷暴；大氣電場儀通過記錄大氣電場的變化確定當前是否有雷暴發(fā)生；閃電定位系統(tǒng)通過組網(wǎng)方式定位數(shù)據(jù)歸閃算法聚類確定雷暴的位置[6]；多普勒天氣雷達觀測云雨回波。各種觀測方式采用的觀測原理和角度不一致，共同組成了全面的雷暴觀測手段。

人工觀測作為一種長期使用的本地觀測方式，有其不可替代的優(yōu)勢。其數(shù)據(jù)直觀、清晰地表達了雷暴在本地的發(fā)展。

1 雷暴的觀測與記錄

根據(jù)地面觀測業(yè)務標準，人工觀測雷暴時白天是借助積雨云存在的方位和移動方向反映雷暴的移動方向；夜間則結合閃電所在的方位判斷雷暴的方位。觀測和記錄中應從雷暴整體判別系統(tǒng)，記錄起止時間和方向。

從觀測手段和記錄方式看，人工觀測存在以下缺點：

1)雷暴發(fā)生時，常伴隨著其他天氣現(xiàn)象，觀測員需要同時記錄多種天氣，容易慌亂。

2)時間和方向主要以人耳聽到雷聲為標準，容易漏測和誤測。由于雷暴持續(xù)時間不確定，經(jīng)常導致記錄的結束時間提前或延遲。

3)人工觀測的數(shù)據(jù)存在主觀差異，數(shù)據(jù)資料一致性差。

4)雷暴觀測業(yè)務上崗前需要專業(yè)技能培訓，對人員素質(zhì)要求較高。

5)資料未電子化，不易保存，查找困難且存在標識不清等問題。

2 雷暴儀系統(tǒng)原理

文章設計的雷暴儀是一款通過探測天空中的大氣靜電場和閃電發(fā)生時的放電脈沖信息來確定當前地點雷暴活動信息的自動化設備。

雷暴儀是利用大氣電場極性發(fā)生翻轉時確定雷暴時間的。雷雨云中的電荷達到一定數(shù)量時，在云與云或云與地面之間就會形成很強的電場，產(chǎn)生放電現(xiàn)象。當天空的電荷量發(fā)生了極性的變化，必然會有雷暴產(chǎn)生。

測向原理是利用正交磁環(huán)天線。地閃的回擊通道可用垂直于地面的電偶極子近似，當假設地面為理想導體時，只激發(fā)橫磁波。如圖1所示，假設L為垂直的地閃通道，A、B分別為垂直放置的一對正交磁環(huán)，軸線OO′與地閃通道L平行。L與兩個平面的夾角分別為θ，Π/2-θ。根據(jù)法拉第電磁感應定律，兩個磁環(huán)上產(chǎn)生的感應電動勢分別為?A=?cosθ，?B=?sinθ。兩者比值求反函數(shù)得θ=arctan(?B/?A)。

圖1 測向原理示意圖

雷暴觀測記錄的具體方法是：記錄大氣電場值發(fā)生極性翻轉的時刻為雷暴的發(fā)生時間，時間精確到分鐘；根據(jù)發(fā)生時間信息找到對應方向數(shù)據(jù)。方向數(shù)據(jù)選取同一時間內(nèi)閃電頻數(shù)最多的方向。如果閃電頻數(shù)一致，則選擇其中輻射強度最大的作為雷暴方向。如果閃電頻數(shù)為0個，則記為方向數(shù)據(jù)空缺。獲得雷暴發(fā)生時間和方向后，等待第2個大氣電場極性發(fā)生改變的時間作為雷暴結束時間，同理獲得方向信息。如果超過15 min無法獲得雷暴結束時間，則起始信息即為結束信息。

3 雷暴儀系統(tǒng)設計

雷暴儀系統(tǒng)由雷暴儀設備、在普通PC運行的上位機軟件和通信系統(tǒng)構成。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 雷暴儀系統(tǒng)框架

控制模塊負責采集數(shù)據(jù)并管理各個模塊，同時實現(xiàn)與上位機的交互；大氣電場傳感器采用的是DDC-W03A型MEMS地面大氣電場傳感器；雷暴方向傳感器采用低頻閃電探測器，工作頻率為1～400 kHz，靈敏度0.1 V/m；授時模塊為整個系統(tǒng)提供時間；存儲模塊數(shù)據(jù)存儲設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和探測數(shù)據(jù)。

雷暴儀頂部為裸露的大氣電場傳感器。桶形保護外殼為設備的核心艙，里面裝有核心的主控模塊等。底部為固定用的基座，設計抗風等級12級。桶形保護殼與基座中間為立柱，用于支撐整個設備，同時保障大氣電場傳感器安裝高度。

4 外場試驗

2020年8月，在北京市南郊觀象臺附近進行了外場測試。根據(jù)雷達回波信息，2020-08-12T15：00—2020-08-12T24：00北京雷暴活動強烈。

通過雷暴儀數(shù)據(jù)可獲得電場變化、電場變化率、閃電頻數(shù)和閃電電場變化情況，如圖3～圖6所示。圖5展示的是時間與大氣電場值的變化。從圖5中可以明顯看出在18：00左右有雷暴活動產(chǎn)生，持續(xù)到24：00左右。圖4展示的是分鐘電場進行差分處理以后的變化情況。圖6是閃電方向模塊接收到的閃電數(shù)據(jù)個數(shù)與時間的關系，閃電頻數(shù)與雷暴活動放電過程數(shù)量有關系。圖3展示的是時間與閃電電場的關系，與雷暴放電劇烈程度有關系。從以上圖中可以明顯看出在雷暴活動期間，數(shù)據(jù)均出現(xiàn)了明顯變化，可作為雷暴預警的依據(jù)。

圖3 閃電電場

圖4 分鐘大氣電場變化率

圖5 大氣電場變化

圖6 閃電頻數(shù)變化

根據(jù)人工觀測雷暴規(guī)則將方向分為北、東北、東、東南、南、西南、西和西北8個方向。通過統(tǒng)計雷暴信息可知，在2020-08-12T15：00—24：00時間段內(nèi)共觀測到13個雷暴信息。

5 結束語

文章依據(jù)本地人工觀測雷暴活動的規(guī)則，研發(fā)了一套記錄本地雷暴活動的自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了一種本地觀測雷暴的記錄方式和方法，解決了本地觀測中的“人工”問題。

該系統(tǒng)結合了大氣電場儀和單站閃電探測器的特點，綜合處理雷電探測數(shù)據(jù)，使其達到了綜合觀測的目的。對比大氣電場儀，系統(tǒng)可提供雷暴的方向數(shù)據(jù)。相較于其他雷暴觀測方式，該系統(tǒng)具有成本低廉、門檻低且產(chǎn)品豐富的優(yōu)點。

該系統(tǒng)在記錄雷暴活動的同時，也可以獲得大氣電場變化和大氣電場變化率等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可進行雷暴預警和進一步深入研究。未來，方向數(shù)據(jù)的時間信息也可以用來組網(wǎng)定位。