基于大氣電場與閃電定位資料的哈爾濱地區雷電預警方法研究

張春龍,李鵬飛,李春影,張衛星

（黑龍江省氣象災害防御技術中心，黑龍江哈爾濱150030）

基于大氣電場與閃電定位資料的哈爾濱地區雷電預警方法研究

張春龍,李鵬飛,李春影,張衛星

（黑龍江省氣象災害防御技術中心，黑龍江哈爾濱150030）

利用大氣電場和閃電定位兩種資料相結合，通過統計分析哈爾濱地區32次雷暴過程中的大氣電場強度和雷電發生距離數據，依據大氣電場強度等級和雷電發生距離等級兩個因子建立了哈爾濱地區雷電預警指標分級矩陣，最終將雷電預警等級劃分為黃色、橙色、紅色三個級別，預警等級分值R劃分為三個等級并賦以三種顏色，表示雷電發生風險的三個等級：紅色代表極易發生雷電，R分值為6－9；橙色代表易發生雷電，R分值為3－4；黃色代表可能發生雷電，R分值為1－2。實踐表明兩種探測資料結合建立了預警等級矩陣模型對提高雷電預警的準確率有重要意義。

1 引言

雷電是強對流天氣發生時雷暴云的一種劇烈的放電現象，是聯合國公布的最嚴重的10種自然災害之一[1]。如何做好雷電災害監測預警服務工作，提高雷電災害的防御能力是氣象部門所面臨的難點和挑戰。

雷電的監測手段分為直接監測和間接監測，閃電定位系統可用于直接監測雷電信息，對雷電的監測取得了較好的成果。值得注意的是，閃電定位系統對于尚未發生雷電的云沒有任何監測結果響應，無法探測到閃電形成前云中電活動的演變過程。以往的雷電預警服務大多是借助大氣電場儀，通過測量大氣電場的強度和極性的變化特征實現短時臨近預警。由于大氣電場儀對周圍環境的響應極為靈敏，容易受天氣狀況、電磁場干擾及其它外界因素的影響，進而觸發預警門限而出現空報[2]。

高菊霞等人分析了閃電定位資料和大氣電場資料在陜西省預警業務中的應用，指出了兩種資料的特征在強對流天過程中具有很好的指示作用[3]。為了對可能造成的雷擊危險進行有效識別和預警，本文將閃電定位系統與大氣電場儀進行結合，在此基礎上研制出不同等級的雷電警報閾值，有助于提高區域的綜合雷電監測預警水平。

2 資料來源

本研究所用的大氣電場資料來源于安裝在黑龍江省氣象臺（45°43′27″N,126°43′42″E）的大氣電場儀，數據時段為2014年1月1日－2016年12月30日。電場儀的大氣電場強度探測范圍為±150 kV/m，最大探測距離為20 km，數據采集時間間隔為每秒一個。

本研究所用到的閃電定位數據為2005年建立的ADTD閃電定位系統，該系統主要用來探測云地閃,并且能區分正負極性,在氣象、航天、航空、通訊、林業、電力、建筑等國防和國民經濟的許多領域都有著廣泛的應用。監測網實現了對地閃時間、位置（經度、緯度）、雷電流峰值和極性的自動監測。

3 雷電預警指標的建立

3.1 雷電預警指標的選取

本研究通過對黑龍江省大氣電場資料和閃電定位資料的分析得出，當電場強度曲線增加時，大氣電場儀并不能探測出是云層帶電量的不斷增加，還是因為有強的帶電云團正在靠近電場儀。與大氣電場儀監測方式截然不同的是，閃電定位系統通過大氣中閃電電磁脈沖的特征，可以確定閃電發生的具體位置。

一般情況下，電場強度波動越劇烈、閃電距離中心點越近，那么中心點發生對地閃擊的概率越大，將大氣電場儀和閃電定位系統進行適當的組合，閃電定位數據和大氣電場儀監測數據顯示平臺可以獲取閃電發生距離、大氣電場儀的距離和大氣電場強度的數值，從而更加直觀地監測雷暴活動。因此本研究選取大氣電場強度和閃電發生距大氣電場儀的距離兩個因子分別建立三級預警指標，分別為雷電發生低、中、高三種可能性，將其量化為分之等級，對應分數為1分、2分、3分。

分析了32次雷暴過程本地區大氣電場變化特征和閃電定位數據，經過統計分析后得到大氣電場強度因子三級分別為3 kV/m、6 kV/m、9.5 kV/m，雷電發生距離因子三級分別為10 km、15 km、20 km。本研究的原理是通過不斷將監測值與預先設定的警報閾值相比較，就可以在第一次雷擊產生前，探測到其發生的可能性，并且發出危險信息。雷電預警指標等級分值見表1。

表1 雷電預警指標等級分值

3.2 雷電預警等級分級矩陣的建立

將雷電預警等級分為三個級別，分別為黃色、橙色、紅色。黃色警報代表可能發生雷電；橙色警報代表雷電發生概率較高，易發生雷擊；紅色警報則表明雷電發生概率非常高，極易發生雷擊。

雷電預警等級由大氣電場強度等級和雷電發生距離等級決定。以P代表大氣電場強度等級，以C代表雷電發生距離的等級，以R代表雷電預警等級。R的等級由P和C的乘積決定，見式1。

R=P×C（1）

式中：

R——雷電預警等級分值

P——大氣電場強度等級分值

C——雷電發生距離的等級分值

將雷電預警指標等級劃分為高、中、低三個級別，預警等級分值R劃分為三個等級并賦以三種顏色，表示雷電發生風險的三個等級：紅色代表極易發生雷電，R分值為6－9；橙色代表易發生雷電，R分值為3－4；黃色代表可能發生雷電，R分值為1－2。

將大氣電場強度數值和閃電發生距離兩個因子作為雷電預警等級劃分的判別指標，各自取長補短，就可以組成一個較為完善的對雷暴和雷電活動的進行監測的綜合系統。三個級別的警報閾值的準確率均在75%以上，通過實例檢驗，其黃色警報閾值的準確率達到78%，而紅色警報閾值的準確率超過90%。

4 結論和討論

（1）大氣電場強度三級雷電警報閾值分別為3 kV/m、6 kV/m、9.5 kV/m，閃電發生距離的三級雷電警報閾值分別為10 km、15 km、20 km。兩種探測資料結合對提高雷電預警的準確率有重要意義。

（2）每一次雷暴天氣過程都極其復雜，都是綜合多種因素才形成的,所以想要得到更精確的雷電預警結果，需要進一步綜合天氣雷達回波圖、氣壓、溫度、濕度等氣象資料。這些方法、模式的結合還有待研究。目前哈爾濱地區的雷電監測預警系統正處于完善階段，在未來綜合多種氣象觀測因素對雷電進行預報會更為科學。

[1]馬明，呂偉濤，張義軍,等.我國雷電災害及相關因素分析.地球科學進展，2008,23(8):856-865.

[2]Aranguren D,Montanya J,Sola G,et al.On the lightning hazard warning using electrostatic field:Analysis of summer thunderstorms in Spain[J].Journal of Electrostatics,2009,67(2-3):507-512.

[3]高菊霞，楊碧軒，程永進，等.閃電和大氣電場資料在預警業務中的應用［J］.陜西氣象，2015（S1）：20-24.

1002－252X（2017）02－0034－02

2017－3－1

張春龍（1986－），男，黑龍江省依安縣人，南京信息工程大學，博士生，工程師.