低緯高原大氣電場特征及其在預警中的應用*

謝屹然，徐 開，張騰飛，劉雪濤

(1.云南省氣象臺，云南昆明650034;2.云南省氣象科學研究所，云南昆明650034)

低緯高原大氣電場特征及其在預警中的應用*

謝屹然1，徐 開2，張騰飛1，劉雪濤1

(1.云南省氣象臺，云南昆明650034;2.云南省氣象科學研究所，云南昆明650034)

通過對2006年7月－2007年6月云南地閃定位網探測資料和玉溪大氣電場儀資料分析，研究了高原晴天大氣電場和雷暴天氣過程的電場演變特征。結果表明:高原晴天大氣電場具有明顯的日變化和月變化特征。低緯高原地區雷暴云具有偶極性和三極性兩種結構，但大多數雷暴具有偶極性電荷結構，不同電荷結構的雷暴云的放電特征不同，偶極性時主要為負地閃，地閃活動較活躍;三極性時主要是正地閃，地閃活動較少。根據雷暴云近地面電場變化特征，探討了大氣電場儀預警地閃的方法，首次提出極性變化預警法，其命中率和提前預警時間都明顯優于閾值預警法。

大氣電場儀;地閃預警;極性反轉;低緯高原;云南省

閃電作為一種具有大電流、高電壓、強電磁輻射的自然現象，已成為目前最嚴重的自然災害之一，其破壞力和造成的人員傷亡、財產損失是巨大的。在我國，據馬明等統計［1］，1997年至2006年，雷災造成了4 488人死亡，4 320人受傷，估計我國每年每100萬人中大約有0.53人死于雷擊，高于美國、英國。而云南由于地處低緯高原，地形地貌復雜，是亞洲兩大季風系統的交匯處，強對流天氣和閃電活動頻繁，雷災頻發。據不完全統計，2007年僅5－8月，云南共發生雷電災害事故136起，造成58人死亡和58人受傷［2］。

雷暴云電荷結構一直是大氣電學研究的重點。常規的雷暴云一般都具有偶極性電荷結構特征，即在雷暴云的上部為主正電荷區，中部為主負電荷區，在雷暴云的下部是一個尺度和電荷量都較小的正電荷區［3－4］。從2002年至2006年，郄秀書等［5］利用GPS同步的多站閃電快、慢電場變化和平均電場的同步觀測，配合1 ms的高速攝像對我國4個不同高原地區的雷暴地面電場特征的觀測研究發現，高原地區雷暴電荷結構與平原地區雷暴電荷結構只存在一種偶極性結構不同［6］，在高原地區存在兩種不同電荷結構的雷暴云，一種是正常的偶極性結構，另一種是三極性結構，和以上文獻所說三極性不同的是雷暴云的下部存在大范圍的正電荷區，被稱作LPCC［7］。

由于地閃對地面的危害，對地閃的預警一直是雷電預警的重要研究方向。對于地閃的預警，國內外主要是利用多普勒雷達資料，研究雷暴云的各種物理屬性和參數對地閃進行預警。Hondl和Eilts［8］發現在凍結層附近首先探測到10 dBz回波可能是雷暴的初生特征，但預報員實際氣象保障預警業務中發現這個指標并不可靠，最后選用了云頂高度參數作為預報因子［9］;Gremillion和Orville［10］分析了經過美國肯尼迪航天中心的39個雷暴，結果表明當云地閃將要發生時，雷達反射率和預報對象之間存在一個相關關系，對于夏季雷暴，最好的預警指標是在－10℃層高度、在兩個連續的體掃描上都能達到40 dBz的閾值。王飛等［11］利用多普勒雷達資料，結合探空、閃電資料對2005年夏季北京地區的20個單體過程進行綜合分析發現:40 dBz是比較適合該地區雷電預警的一個雷達回波特征參量。但對于利用電場儀對周圍大氣電場環境實時測量來預警地閃的方法研究相對較少，可較小范圍內(例如公園、娛樂場等)的地閃預警大氣電場儀實用性和有效性更強。過去大氣電場儀預警地閃一般通過設定最佳閾值，但閾值取決于雷暴云所帶的電荷量和雷暴云距離測站的遠近，各地預警效果相差較大。取1 kV/m閾值，在美國弗羅里達地區的預警命中率(POD)只能達到34.4%［12］，而在其它地區可以達到更高的命中率［13］。本研究利用2006年7月－2007年6月云南地閃定位網探測資料和玉溪大氣電場儀資料，分析了玉溪晴天大氣電場和雷暴天氣過程的地面電場演變特征，得到該地區可能的雷暴云電荷結構，結合簡單雷暴云電荷結構模式，首次提出一種新的基于大氣電場的地閃預警方法——地面電場極性變化預警法，并對它與基于大氣電場的閾值預警法的預警效果進行了比較。

1 資料和方法

本文所用的地閃資料由云南省地閃定位監測系統提供。云南省地閃定位監測系統由23個探測儀和一個數據處理中心站組成，23個探測儀自北向南依次為:昭通、香格里拉、麗江、東川、瀘水、大理、元謀、曲靖、昆明、施甸、雙柏、瀘西、通海、廣南、瑞麗、元江、景谷、耿馬、文山、金平、江城、孟連、勐臘。每個閃電定位儀探測范圍為300 km，云南省23個點組成的地閃定位監測系統能夠實現對全省絕大部分地區(除滇西北迪慶北部山區)的探測。整個閃電監測系統由中國科學院空間中心研制和布設，系統定位利用多站時差綜合定位法。每個單站都將測到的閃電發生時間、方位、強度和電磁輻射信號實時傳輸給中心站，進行實時定位處理。系統提供的每個信息包括回擊發生的時間、位置(經緯度)、強度、極性等。該閃電探測網的探測精度和探測效率分別為400m和90%～95%。

大氣電場儀安裝在低緯高原中部的玉溪(102°33'E，24°21'N)，海拔1 636.7 m。大氣電場儀測量范圍為方圓15 km，高度1.3 m，精度為10 V/m，響應時間為1s。在研究中以大氣電場儀為中心，半徑為15 km的范圍為警戒區。在討論地面電場變化之前作如下約定:當地面電場受雷暴云內正電荷控制時，地面電場為正;一次閃電中和了負電荷，則對應地面電場正向變化;反之亦然。利用TS評分方法比較了兩種預警方法的預警效果，具體為在警戒區內發生第一個地閃，事先預警準確定義為有效預警(EA);在警戒區內發生地閃，事先沒有預警定義為預警錯誤(FTW);而在警戒區內沒有地閃發生，事先預警有地閃發生，定義為虛警(FA)。則命中率POD和虛警率(FAR)的計算方法如下:

2 晴天大氣電場特征

晴天大氣電場代表的是一個參考狀態，而雷暴的發生實際上是相對于這一正常狀態的偏離，因此對晴天大氣電場特征進行研究，對于更有效地預警雷暴天氣是十分必要的。通過2006年7月－2007年6月玉溪大氣電場儀監測資料的分析發現，在這一年中有225天為晴天或大氣電場沒受到外界和雷暴云電場的影響;玉溪晴天大氣電場的平均值為700 V/m，晴天大氣電場有明顯的日變化和月變化特征。從圖1a可以看出，玉溪晴天大氣電場日變化呈雙峰雙谷型，04－06時和13－15時出現極小值，08－10時和20－21時出現極大值。這個日變化的振幅可達平均值的25%。同時晴天大氣電場還存在月變化，一年中晴天大氣電場最小值為480 V/m，出現在1月，而最大值為816 V/m，出現在8月(圖1b)。這與8月玉溪雷暴活動較頻繁，而1月基本上沒有雷暴活動有關，因為晴天大氣電場起源于雷暴［14］。

圖1 玉溪晴天大氣電場的日變化和月變化

3 雷暴云的大氣電場特征

3.1 簡單雷暴云電荷結構模式

國外多年的研究結果表明［15］，雷暴云的主電荷分布可用一正偶極子模式來描述:上部一正電荷Qp，下部一負電荷QN，在云底附近有時會存在局部的正電荷。云底局部正電荷區的空間尺度很小，存在的時間也很短。如果認為地面為水平的理想導體平面，且在不考慮地面電暈放電的情況下，通過簡單計算，即可求出簡單模式電結構的雷暴云在地面各點產生的電場。圖2是假設雷暴云電荷結構為偶極性(虛線)和三極性(實線)情況下地面的電場分布圖。計算中正、負電荷電量均取40 C，離地面的距離分別是12 km和7 km。由虛線可以看出，正偶極子模式電結構的雷暴較近時，地面電場為負值;雷暴較遠時，地面電場為正值;存在一反號距離，該處地面電場等于零。圖2中實線為上述正偶極子的原參數保持不變，而在負電荷下部再加一正電荷3 C(離地面為2 km)時得到的結果，即為具有三極性結構電荷模式的雷暴云在地面產生的電場。如果具有上述電荷分布模式且電荷基本穩定的雷暴云以一定速度經過某一觀測站，則該站測得的地面電場隨時間的變化曲線與上述電場隨距離的變化曲線相類似(圖3)。

圖2 雷暴云偶極性和三極性電荷模式在地面的電場強度分布

圖3 雷暴過程地面電場波形隨時間的演變

3.2 雷暴電荷結構

在2006年7月－2007年6月這一年中，一共觀測到33次過頂雷暴的過程，從地面電場記錄來看，盡管雷暴過程時常表現出比較復雜的地面電場波形，但總體可分為兩類波形，一類是雷暴過境地面電場主要為負極性，另一類主要為正極性。圖3所示的是這兩種典型波形。其中圖3a是負極性，圖3b是正極性。對33次過境雷暴電場波形的統計表明，正極性波形占1/4，負極性波形占3/4，負極性出現比例較高。圖3a是2006年8月8日一次雷暴過境時的地面電場記錄。根據觀測站實況記錄，15:00雷暴向測站方向移動，地面開始變為負值，15:20雷暴云經過測站上空，地面平均電場達到－12 kV/m;16:10電場變為正值，雷暴遠離測站，整個雷暴過程約持續70 min。從圖可見，雷暴過境時地面電場均為負極性電場，即雷暴中負極性電荷起主導作用。整個過程的地面電場演變和圖2中偶極性電荷結構的曲線是一致的，該雷暴云具有偶極性電荷結構。圖3b所示為2007年2月8日一次雷暴過境時的地面電場記錄。根據觀測站實況記錄，約15:00看到雷暴向觀測站方向移動，地面電場為正;隨后電場迅速增強，表明雷暴中心已到達觀測站上空;15:30中心開始移出觀測站，且逐漸遠去。15:50時基本消散，整個雷暴過程約持續50 min。從圖可見，雷暴過境時地面電場均為正極性電場，即雷暴中正極性電荷起主導作用。平均地面電場強度最大可達32 kV/m。整個過程的地面電場演變和圖2中三極性電荷結構的曲線是一致的，該雷暴云具有三極性電荷結構。但從統計結果來看，所占比例相對較少。因此，玉溪為代表的低緯高原地區雷暴云具有偶極性和三極性兩種結構，但大多數雷暴具有偶極性電荷結構。

3.3 不同電荷結構雷暴云的放電特征

不同電荷結構的雷暴云的放電屬性和強度有顯著差別，可以在地閃預警中區別對待。具有偶極性結構的雷暴云，成熟雷暴云過頂時地面電場極性為負，而具有三極性結構的雷暴云，成熟雷暴云過頂時地面電場極性為正。表1中給出不同極性控制下的雷暴放電特征，從表中可以看出，當地面電場極性為正極性時，每次過程平均有9.2次地閃回擊，正地閃回擊有5次，占54%，雷暴過程放電主要以正地閃為主，平均峰值電流強度達到42.1 kA。當地面為負極性時，每次過程平均有58.7次地閃回擊，而正地閃平均僅有1.4次，有些過程全部為負地閃，沒有正地閃，總地閃活動較為活躍，平均峰值電流強度相對較小，只有29.9 kA。

圖4所示為2007年4月8日一次雷暴過境時的地面電場和對應閃電頻數隨時間的演變。從圖4a可以看出，隨著雷暴往測站移動，地面電場極性變為正，整個雷暴過程所有放電都為正地閃。圖4c和圖4d是2006年7月15日一次雷暴過境時的地面電場和對應閃電頻數隨時間的演變。和上一個過程相反，整個雷暴過程，地面電場極性都為負，地閃活動比較活躍，地閃頻數最大達到19次/5 min，一共146個地閃，正地閃只有2個，整個過程放電以負地閃為主。

表1 不同電場極性控制下的閃電放電特征

圖4 不同電場極性控制下的閃電放電特征對比

4 不同地閃預警方法的預警效果

通過對以上雷暴云在地面電場隨時間的變化曲線分析可以看出，無論是雷暴云電荷結構呈偶極性還是三極性，當雷暴向警戒區靠近時，地面電場變為負，將可能有閃電發生。地面電場極性變化可以作為地閃預警的一種新指標，對警戒區內可能發生的地閃進行預警。

4.1 地面電場閾值預警法

利用大氣電場儀進行地閃預警，通常采用選定一個最佳閾值進行預警。通過玉溪大氣電場儀的晴天大氣電場值計算得到玉溪晴天大氣電場平均值為700 V/m，考慮到大氣電場的日變化，選擇了2 kV/m、3 kV/m、5 kV/m、7 kV/m、9 kV/m作為閾值進行地閃預警，并對預警效果進行評分，TS評分結果如表2所示。

表2 各種地面電場閾值和極性變化預警效果對比

從表2中可以看出，隨著地面電場閾值的變大，命中率降低，而提前預警時間(LT)基本上平均為10 min。對比分析看，采用閾值法對地閃進行預警，地面電場閾值取2 kV/m預警效果較好。

4.2 地面電場極性變化預警法

地面電場極性變化預警具體操作是當地面電場值變為負時，預警警戒區內將可能有地閃發生。通過對同樣30個雷暴過程的分析，得到FAR為7%，POD為81%，Ts評分為0.76，提前預警時間為12 min，見表2。

圖4c所示為2006年7月15日一次雷暴過境時的地面電場記錄，圖4d所示為該雷暴過程每5 min的閃電頻數變化。其中地閃是統計了此次雷暴過程中電場儀方圓15 km之內云南省地閃定位網監測到的地閃。根據實況記錄，14:57地面電場變為負值，而15:21出現了第一次地閃，通過電場極性變化可以提前24 min對警戒區進行預警。通過電場閾值進行預警，設2 kV/m的閾值，15:23地面電場才達到－2.02 kV/m，顯然出現了漏報。

5 結論和討論

利用2006年7月－2007年6月云南地閃定位網探測資料和玉溪大氣電場儀資料，對低緯高原地區的大氣電場演變特征進行了研究，提出一種利用大氣電場儀進行地閃預警的新方法，主要結論如下。

(1)低緯高原中部晴天大氣電場具有明顯的日變化和月變化特征。低緯高原中部晴天大氣電場呈雙峰雙谷型，04－06時和13－15時出現極小值08－10時和20－21時出現極大值。這與青藏高原中部羊八井地區晴天大氣電場日變化呈雙峰雙谷型相同［16］。晴天大氣電場還存在月變化，一年中晴天大氣電場強度1月較弱，而8月最強。這與青藏高原中部羊八井地區冬季天晴天大氣電場強度最強，而春夏季較弱不同［16］。

(2)低緯高原雷暴云具有偶極性和三極性兩種結構，但大多數雷暴具有偶極性電荷結構。這與青藏高原地區雷暴云主要呈三極性結構［17］和我國華南地區雷暴云主要呈偶極性結構不同［6］。

(3)不同極性電場控制下的雷暴放電特征有明顯的差異。具有偶極性結構的雷暴云過頂時地面電場極性為負，地閃活動活躍，而具有三極性結構的雷暴云過頂時地面電場極性為正，地閃活動較弱，這可能是雷暴云低下的正電荷層一般不產生正地閃，而是與負電荷層產生反極性的放電有關［7］。

(4)極性變化地閃預警方法在命中率、虛警率和提前預警時間上都明顯優于閾值預警法，而且設置也相對簡單，值得在以后的雷電預警業務運行中推廣使用。

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Electrical Characteristics of Atmosphere in the Lower Latitude Plateau and Its Application in Lightning W arning

Xie Yiran1，Xu Kai2，Zhang Tengfei1and Liu Xuetao1
(1．Meteorological Observatory of Yunnan Province，Kunming 650034，China;2．Meteorological Science Institute of Yunnan Province，Kunming 650034，China)

The characteristics of atmospheric electric field in fairweather and thunderstorm in Yuxi region are analyzed by using the data obtained from Yunnan Lightning Location System and atmospheric electric fieldmill from July 2006 to June 2007．The results show that there exist diurnal and monthly atmospheric electric field variations in fair weather in the lower latitude plateau．The charge structures of thunderstorm are both dipole and tripole，but most thunderstorms have a dipole charge structure．Thunderstorms of different charge structures are of different characteristics of discharge．The negative polarity of electric field underneath thunderstorm is main negative discharge and the activity of the cloud-to-ground(CG)flash is very active．The positive polarity of electric field underneath thunderstorm ismain positive discharge and the activity of the cloud-to-ground flash is very weak．The methods of the CG lightning warning by the electric field mill are studied based on the variation characteristic of thunderstorm electric field．The polarity change earlywarningmethod is proposed for the first time．Its POD and LT are better than that of the threshold warningmethod．

electric fieldmill;CG lightningwarning;polarity reversal;the lower latitude plateau;Yunnan province

P427.3

A

1000－811X(2012)03－0034－05

2011－12－15

2012－01－29

云南省氣象局2010年預報員專項(YB201002);云南省科技攻關項目(2009CA014);云南省氣象局業務能力建設專項重點項目(YZ200901)

謝屹然(1978－)，男，白族，云南劍川人，碩士，工程師，主要從事大氣電學和災害性天氣監測和預警工作．E-mail:dlxieyr@gmail.com