大氣電場儀輔助觀測機場區域雷暴的方法探析

陳鎮 徐志欽 林士渠 朱弘威

（中國民用航空廈門空中交通管理站，福建 廈門 361000）

雷暴是積雨云強烈垂直發展所產生的一種天氣現象，夏季對流旺盛，氣流在不斷上升、下沉中發生大量的摩擦，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。除了帶來強降水外，往往還可能伴有冰雹、大風、下擊暴流、風切變、雷擊等災害性天氣，會給飛行帶來很大的困難，甚至會引起飛機失去控制、機上設備損壞、發動機失效等，對飛行安全產生嚴重威脅。

雷暴是目前嚴重威脅航空飛行安全的重要因素。以廈門高崎機場為例，雷暴年平均日數達29.8 天，最多達到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。現有的雷暴觀測，基本依靠觀測員的目力觀測，觀測的精力、經驗的不足，觀測的服務精度、準確度等難免保證不夠。而大氣電場儀能夠準確地、不間斷地連續測量大氣背景電場強度的大小和變化狀況，能夠測量出某一個地區是否有存在雷暴活動并發出警報。如果能夠利用大氣電場儀的探測資料，結合雷達回波、衛星云圖等提供服務，將大大提高服務質量。因此，該文從大氣電場儀的資料輔助雷暴觀測的方法進行探討，期冀能減少雷暴對飛行安全的影響及危害，為進一步提升民航氣象觀測服務質量、保證飛行安全提供點滴經驗。

1 大氣電場儀原理簡介

大氣電場儀是當今先進的雷電遙感探測設備，不僅能實現大氣電場變化的實時觀測，還可以有效探測雷電的發生、發展過程[1]。大氣電場儀是利用導體在電場中產生感應電荷的原理來測量電場，積雨云內的電荷累計到一定程度時產生放電現象，周圍的電場就會發生變化。當攜帶電荷的積雨云形成或在遠處的時候，電場強度開始增大；積雨云逐漸靠近，因為云層正負電荷產生的電場相互抵消，電場強度減小；當攜帶大量電荷的積雨云進一步靠近，電場強度急劇增大。地面電場儀上的感應電荷強度與云底部附近的電荷成正比，因此地面電場儀可以幫助我們實時探測其周圍地區的大氣電場信號[2]，再使用提前設定好的大氣電場值來劃分強度等級，從而達到雷暴預警的功能。

2 資料來源

該文所用的大氣電場數據采集于廈門市氣象局安裝在廈門高崎機場氣象觀測場的大氣電場儀，型號為ZQZ-TD1，其傳感器性能數據如表1 所示。其大氣電場值采樣頻率為每次/秒，該文采用本分鐘秒數據的平均值(分鐘平均值)，單位為kV/m。

表1 ZQZ-TD1 型大氣電場儀部分性能數據

3 資料特征分析

3.1 雷暴天氣與其它天氣的特征對比

按照民航氣象觀測規定，雷暴天氣現象在民航氣象觀測中的通報和記錄尤為特殊，雷暴開始和終止時間的記錄，以第一次聞雷或第一次探測到機場范圍有閃電時（閃電定位儀）為開始時間，最后一次聞雷或探測到閃電，而且確認10分鐘內沒有再聽到雷聲或探測到閃電，就認為雷暴已經終止或已移出本場[3]。

在天氣晴朗或陰天無強對流云系時，大氣電場強度通常在-1kV/m 到+1kV/m 范圍內，但是攜帶大量電荷的積雨云的發展能使四周的大氣電場強度達到幾千伏/米。在晴朗無云天氣下，電場強度范圍是：-500V/m 到+500V/m，如圖1 所示。當出現雷暴天氣時，大氣電場強度隨著積雨云產生的雷電強度的增大而增大，能夠超過10kV/m，在發展旺盛的積雨云產生的雷暴甚至能夠超過20kV/m。

圖1 廈門機場某次晴朗天氣大氣電場值變化曲線

因此觀測員密切監視雷達回波、衛星云圖，結合大氣電場值的變化，有利于掌握雷暴的強度和發展、移動的趨勢。

3.2 雷暴天氣特征分析

3.2.1 短時間雷暴特征分析

以2019 年4 月11 日發生的一次持續時間較短的雷暴天氣過程為例，持續時間約1 小時，其移動路徑大致為由機場西北方向東移至機場東北方向，大氣電場值隨時間變化由圖2 所示。

圖2 2019 年4 月11 日雷暴過程大氣電場強度變化曲線

由上圖所示本次雷暴過程大氣電場強度的變化過程較為簡單，可大致分為以下幾個時間階段：第一階段為17:10-17:30，大氣電場強度變化曲線由最開始穩定在-0.5kV/m 到+0.5kV/m 范圍，到逐漸產生快速的波動，大氣電場強度的最大值在不斷增大并且在不停波動，這表明距離廈門機場較遠的位置有雷電的發生。從雷達回波圖3 所示可知，17:19 雷達回波中心距離廈門機場約20 公里，中心強度超過55dBZ。從大氣電場強度曲線產生的快速波動分析，這個階段大氣電場強度值的波動范圍是在零點值附近，其中大氣電場強度的最大值達2.7kV/m，說明在大氣電場儀的探測距離范圍所產生的閃電可能為能量不大的云間閃。

第二階段為17:30-17:50，從大氣電場強度變化曲線可知這個階段的大氣電場強度開始向負軸快速增大，表明積雨云的位置向廈門機場方向靠近，并在不斷發展，積雨云所積累的負電荷也在不斷增加。當云層底端和地面之間的電勢差達到一定強度，便會發生先導閃電，能夠將地面電場瞬間倒轉[4]，在大氣電場強度變化曲線中表現為指向正軸的快變尖峰。雷達回波圖3 所示的17:31 雷達回波圖距離廈門機場約10-15 公里，觀測員此時第一次聞雷，聞雷方向在機場西北面。當一次放電結束以后，云層又會馬上重新聚集電荷，繼續下一次的放電過程[4]。17:48 觀測員聞雷已移至北面，可以看出觀測員的實測聞雷與大氣電場值變化較為一致。這個階段內大氣電場強度有三次明顯的正負電場的轉變，三次峰值分別為-27kV/m、+19kV/m 和-18kV/m，大氣電場儀的報警等級達到3 級。

第三階段為17:50 之后，大氣電場強度在-5kV/m 到+5kV/m 范圍波動，隨后逐漸向零點值靠近，表明雷云回波中心減弱或逐漸遠離機場范圍。雷達回波圖3 顯示雷達回波中心已從主體分離，移動機場東北面。

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

3.2.2 長時間雷暴特征分析

以2019 年4 月22 日發生的一次持續時間較長的雷暴天氣過程為例，持續時間約4 個小時。其移動路徑大致為由機場西面東移至機場東面，大氣電場值隨時間變化由圖4 所示。

圖4 2019 年4 月22 日雷暴過程大氣電場值變化曲線

第一階段為16:10-16:40，大氣電場強度變化曲線由最開始穩定在-0.5kV/m 到+0.5kV/m 范圍，到逐漸產生快速的波動，大氣電場強度的最大值在不斷增大，這表明距離廈門機場較遠的位置有雷電的發生。雷達回波圖5 所示的16:31 第一塊雷達回波中心距離廈門機場約25 公里，中心強度超過60dBZ。

第二階段為16:40-18:10，這段時間內地面電場強度除了有兩次向負電場方向的轉變，電場強度基本為正，說明第一塊回波中心以正電荷為主，多為正閃。雷達回波圖5 所示的16:53 回波中心距離廈門機場約10 公里，此時大氣電場強度達到本階段最大值+13kV/m，隨后在16:56 時觀測員此時第一次在機場西北面聞雷。17:51 雷達回波圖顯示第一塊回波中心已逐漸遠離機場并減弱，第二塊回波中心正接近機場，位于機場西面約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電荷為主，多為負閃。18:13 第二塊回波中心距機場約15公里，18:36 回波中心接近機場區域，19:10 東移至機場東面20 公里，此時大氣電場強度任處于大幅波動階段，第四階段為20:00 之后，大氣電場強度的波動逐漸趨于平穩，并且逐漸向零點值靠近，表明雷云回波中心減弱或逐漸遠離機場范圍。

3.2.3 雷暴特征與實際觀測結果對比分析

大氣電場強度的變化和雷暴的產生、發展和移動有著較好的對應關系。當雷暴接近時，大氣電場值由穩定到逐漸增大，云層和地面電勢差達到一定強度，放電導致電場瞬間倒轉，從其變化曲線可以看出一個相對峰值。《民用航空氣象地面觀測規范》中第一百零一條規定，雷暴開始時間的記錄是以第一次聞雷或第一次探測到機場范圍內有閃電時為開始時間，但廈門高崎機場未配有閃電定位儀，所以雷暴開始時間以觀測員第一次聞雷為開始時間。該文通過統計20 次雷暴，由圖6 所示，對比其大氣電場值由穩定首次增大到極大值的時間和觀測員第一次聞雷時間，大氣電場值首次達到極大值的時間平均提早于觀測員第一次聞雷時間約3min，這對觀測員觀測雷暴有著較好的預警作用。

圖6 大氣電場值與聞雷時間散點圖

4 總結與展望

4.1 總結

通過以上分析與比對，可以得到：

4.1.1 利用大氣電場強度變化曲線特征可以掌握不同的天氣情況，對于觀測員有一定的指示作用。值班期間觀測員可多關注和參考大氣電場儀數據。當大氣電場強度變化曲線由穩定逐漸發生快速波動，最大值不斷增大且不斷波動時，說明強對流天氣即將發生，甚至強回波中心正在接近觀測點，觀測員應加強觀測巡視工作。

4.1.2 雷暴天氣現象發生時，大氣電場強度首次增大達到極大值，開始放電向相反方向變化時，根據大氣電場值首次達到極大值的時間和觀測員第一次聞雷時間有較好的關聯性，通常滯后3 分鐘，觀測員應集中精力，做好聞雷的觀測、記錄和發布天氣報告準備。

4.1.3 當雷暴持續時間較長時，大氣電場值達到峰值向相反方向變化時，會接近或經過零點值，大氣電場儀的報警等級可能會顯示為0，這時不代表雷暴已經遠離或者消散，強回波中心可能在本場上空，正在為下一次放電重新聚集電荷。因此，觀測員不可放松警惕，應持續做好觀測與報告等工作。

4.2 應用展望

4.2.1 組建大氣電場儀區域聯合監測：利用多臺大氣電場儀，在相同時間，不同的站點的大氣電場儀對同一雷暴系統的聯合監測，能得到監測區域內大氣電場強度的分布，進一步預測出雷暴系統中心方位及其移動路徑。

4.2.2 大氣電場儀和閃電定位儀結合監測：大氣電場儀能夠反映雷暴云的電場強度特征和活動狀況，閃電定位儀能夠確定閃電發生的位置，兩者進行適當的組合，可以組成整個區域內對雷暴和雷電活動的綜合監測網[5]，可以提升對雷暴天氣系統的預報和預警功能。