內蒙古地區大氣電場預警系統預警效果檢驗及預警指標優化

王曼霏 王樂樂 東 方

（內蒙古自治區雷電預警防護中心，內蒙古 呼和浩特010051）

大氣電場雷電預警系統是根據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測，從而對重點區域閃電活動進行雷電預警監測的手段之一[1-2]。由于雷暴生命周期短、范圍小，導致雷暴預警預報是天氣預報中較困難的工作之一，而雷暴過程中云內的起、放電不僅僅引發了閃電的發生發展，同時也使得近地面的大氣電場發生了劇烈變化。因此，大氣電場預警系統給雷電活動預警提供了可能[3]。

近年來，大氣電場在國內外很多地區的觀測成為新的雷電預警手段。董文乾等[4]分析雷暴云電荷結構、地面大氣電場曲線波形特征，提出利用地面電場曲線變化特征對雷暴預警的方法。羅琳艷等[5]針對大氣電場儀預警誤報率高等問題提出利用多站組網結合閃電定位系統數據對雷暴預警的方法。雷電預警為防災減災提供重要依據，因此，預警信號是否有效及時準確使用戶最關心的問題。那么，要想要提升預警的準確率，就要對預警指標進行檢驗，并且及時對預警閾值進行訂正。

表2 2018 年預警范圍在20km 以內各站點準確率、漏報率和空警率7、8 月均值

1 研究方法

1.1 雷電預警等級的劃分及檢驗方法

大氣電場預警系統預警級別的劃分主要是依據電場強度的變化[6]。當電場強度達到2000V/m 時系統開始發出預警信號，為一級預警，隨著電場持續升高，預警信號不斷增大，當電場提升至4000V/m 預警提升至二級；當電場達到6000V/m 時預警信號提升至三級；當預警信號下降至500V/m 以下并持續30 分鐘時警報解除。為了將雷電預警過程與實況閃電（即閃電定位儀數據）作比較，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 年大氣電場預警系統于7、8 兩月運行期間觀測得到的內蒙古呼和浩特市地區地面電場觀測數據根據預警事件、預警范圍進行統計處理，并計算出用于檢驗預警系統的三個指標。

為了與真實觀測數據對比，將以電場儀站點為中心的10km 和20km 范圍劃分為兩個標準。當一次雷暴事件過程中在10km（或20km）范圍內有地閃發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10km（或20km）范圍內沒有地閃發生時則將該次事件記為該月的一個空報樣本NB。閃電實際發生系統卻沒有發出預警信號的情況為漏報，因此將發生時間間隔小于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NC。

根據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）

1.2 數值模式

本文采用的三維雷暴云動力- 電耦合數值模式對個例進行模擬，與實際觀測結果對比分析，從而對預警結果進行驗證。三維雷暴云動力- 電耦合數值模式是在孔凡鈾等的三維冰雹云模式基礎上，加入了詳細的起電和放電參數化方案而建立的。本文起電參數化方案考慮了霰粒子和云滴、冰晶及雹粒子和云滴、冰晶的感應碰撞起電機制，霰粒子和冰晶及雹粒子和冰晶的非感應起電機制。感應起電機制采用的是Ziegler 等的參數化方案，非感應起電機制采用的是基于Saunders 等試驗結果的參數化方案[7]。

2 內蒙古地區大氣電場預警系統預警效果檢驗

通過對表1、表2 各個站點的數據分析，總體來看預警效果較好。TS 評分平均值為0.21，隨著預警范圍的縮小，TS 評分逐漸升高且空報率與漏報率均有下降；相同預警范圍內，不同站點的漏報率和空警率有所不同，且相互之間成反比。預警范圍在10km 以內的TS 評分、漏報率和空警率均值分別為0.21、50%和65%，略高于20km 以內的0.20、71%和59%。所有站點中以醫科大學附屬醫院站評分最高，2018 年8 月TS 評分可達到0.32。

圖1 8 月6 日19：40：06 預警事件大氣電場觀測曲線

圖2 模擬大氣電場與閃電結果

3 預警個例數值模擬及對比分析

選取2018 年8 月6 日 19：40：06 至20：37：25 的一次預警事件，預警時長為0：57：19，19：41：36 首次發生閃電，預警時效為0：01：30。本次事件中共于19：41：36、19：48：58 和19：56：06 發生三次閃電。從圖1 中可以看出，雷暴發生時大氣電場起伏變化明顯，在電場達到預警閾值后及時觸發了預警信號，發出有效預警。

本次模擬過程中，采用當日20：00 呼和浩特地區探空資料進行模擬，模擬時長為60 分鐘，與實際預警時間相符。從探空資料中可得，當日對流有效位能較大，適合旺盛對流發展。將模式的模擬區域設置為36 km×36 km×18.5 km，其中水平網格距1 km，垂直網格距0.5 km，將地面電場的觀測點設置在模擬域下層中心，即閃電發生在距離18km 范圍內。對流云采用使模擬域低層中心增加正位溫擾動場的方式啟動，即熱泡擾動方式。其中水平擾動半徑為8 km×8 km，垂直擾動半徑為2 km。模式的時步分離技術中大、小時步分別為10 s 和1 s，最大擾動位溫為4.0℃。

由圖2 可知在實際對流發生過程中，共于19：41：36、19：48：58和19：56：06 發生三次負地閃，電場變化較大時間主要發生在20：00 前后，與閃電發生時間較為吻合。模擬過程中發生正極性云閃37 次，負地閃4 次，閃電發生時間主要集中在30～40 分鐘（即時步180～240 步），即對流旺盛時期，引起的電場變化較大，最大值小于1.5kV/m，由此可以得出閃電發生時地面電場還未達到系統設置的2.0kV/m，大氣電場預警系統發出預警的最小值仍可降低，但不可否認的是，降低閾值也會造成空警率的提升，還有待于進一步研究。

4 結論

從2018 年7-8 月內蒙古呼和浩特地區大氣電場預警系統數據TS 評分結果來看，內蒙古地區大氣電場預警系統在不同站點具有較好的預警效果，給防災減災工作提供了重要依據。選取2018 年8 月6 日預警事件作為個例進行數值模擬發現，實際對流發生過程中共發生三次負地閃，電場變化較大時段與閃電發生時間較為吻合。模擬過程中盡管引起電場較大變化，但最大值小于1.5kV/m，由此可以可見大氣電場預警系統發出預警的最小值2.0 kV/m 仍可下調至1.5 kV/m，給今后預警閾值的選擇作為參考。