不同類型大氣電場雷電預警效果研究

朱 彪， 林彬彬， 于 晨， 李 丹

(1.福建省災害天氣重點實驗室，福州 350028； 2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；3.福建省氣象災害防御技術中心，福州 350028)

引 言

雷電由于其強大的電流和猛烈的電磁輻射等物理效應，極易對地面物體及其周邊環境造成嚴重的破壞；雷電還常伴隨強對流天氣過程[1-2]。雷電監測，包括大氣電場、衛星、閃電定位監測[3-10]等，是研究雷電災害的重要手段。基于雷電監測資料開展雷電預警服務，能夠減少雷電災害損失[11-14]。

大氣電場監測設備是利用置于電場中的導體上產生的感應電荷，來測量地面大氣電場強度和方向的，可以對其上空一定半徑范圍內的云層帶電狀況進行監測，直觀監測出監測區域內電場強度的分布情況[15-16]。雷暴云內及雷暴云和大地之間可產生放電，雷暴云頂和低電離層之間也存在大氣放電[17]。大氣電場儀能夠記錄云閃和地閃活動，可以測量地面大氣電場的強度和極性，通過對雷暴云的放電過程進行連續監測，既能夠記錄閃電發生前雷暴中的電活動，又可記錄雷暴過程中發生的閃電[18]。大氣電場儀根據導體在電場中產生感應電荷的原理[19-20]，能夠長時間連續測量大氣電場的強度和極性，完整記錄地面電場的變化情況。

近年來，國內外許多學者基于場磨式設備嘗試設置閾值、比較電場抖動速度和極性反轉等方法判斷雷暴發生的概率，即進行雷電預警。國外，Aranguren等[21]根據大氣電場資料分析西班牙地區的夏季雷暴特征，通過閾值法和極性反轉法來進行雷電預警，雷電預警有效率約為38%。Montanya 等[22]研究得到在雷擊發生前，雷暴云會導致大氣電場產生劇烈變化，可以利用地面大氣電場測量值作為雷電預警的基礎，但由于下墊面的不規則和附近物體都會干擾大氣電場值測量，要根據大氣電場儀的具體布設位置來進行雷電預警，從而提升雷電預警水平。國內，一批研究人員基于大氣電場監測設備進行雷電臨近預警，大氣電場監測設備在雷電預警中發揮重要作用[23-30]。

場磨式和電子式監測設備已投入運行。場磨式監測設備由于采用磨盤結構，涉及機械運轉，需要經常維護和校準；而電子式大氣電場監測設備由于采用封閉式結構，無機械運轉，對維護的需求相對較少。目前，國內外的研究人員已對場磨式監測設備監測資料的應用進行了分析。電子式設備是通過數字芯片采集信息來測量大氣電場強度，采用封閉式結構運轉，在石化行業雷電臨近預警中得到了一定的應用[31-32]。開展大氣電場儀雷電預警效果研究，以雷電監測信息的位置和時間為基礎，建立基于預警時間、區域的雷電預警效果評估模型，對研究不同類型的大氣電場監測設備的雷電預警效果評估具有重要意義。本研究利用福建省氣象局觀測場2019年17個閃電過程的大氣電場資料和福建省閃電定位資料，對雷電預警效果進行對比分析，研究適宜于大氣電場監測設備的雷電預警服務效果評估模型，評估大氣電場監測設備的雷電預警服務能力，為不同類型大氣電場資料的雷電預警應用提供技術參考。

1 資料與方法

1.1 閃電資料

福建省三維閃電監測系統建于2014年，全省共有16個監測站，系統定位誤差小于500 m，云地閃探測效率大于90%。圖1為福建省閃電定位儀和本文研究的大氣電場儀分布圖。

圖1 福建省大氣電場儀和閃電定位儀分布圖

1.2 大氣電場監測及雷電預警

大氣電場監測設備可對雷暴云的起電和放電過程進行連續監測。因此，大氣電場監測設備既能夠記錄閃電發生前雷暴中的電活動，也可以對閃電放電活動進行連續監測。地面大氣電場的強度和極性是其主要監測內容。地面大氣電場觀測[33]是利用置于電場中的導體上產生感應電荷的原理來測量地面大氣電場強度和方向的。大氣電場監測設備電場傳感器中定子上的感應電荷Q(t)為時間的函數，其值與外界電場強度E成正比：

Q(t)=-ε0EA(t)

(1)

式中,ε0為自由空間介電常數，A(t)為定子暴露在電場中的表面積，Q(t)為感應電荷。

地面大氣電場表征的意義是大氣中帶電物質相互作用在地面產生的合成電場。因此，大氣電場值的觀測受安裝環境影響較大。為了保障觀測數據質量，安裝場地應選擇在無遮擋，以及周邊無高大物體的室外空曠地帶。大氣電場測站附近的電磁環境、海拔高度、障礙物情況等因素，都會對電場儀的預警閾值產生影響，尤其是大氣電場儀對周圍電磁環境的變化比較敏感。本文研究的設備安裝于福建省氣象局觀測場，安裝環境能滿足大氣電場數據觀測質量要求。兩類監測設備的有效監測范圍均大于10 km。場磨式監測設備采用磨盤的機械結構，電子式監測設備采用封裝式的結構。研究期間，對兩臺設備均進行了定期維護，保障設備正常運行，設備安裝環境和運維均符合地面大氣電場觀測規范，以保障數據觀測質量。

場磨式監測設備根據大氣電場監測設備的當前電場強度絕對值、電場強度連續滾動平均值的趨勢、電場強度瞬間變化率等指標建立雷電預警模型。雷電發生時，大氣電場波形是高聳的尖波，并伴隨由于電荷中和過程而引起地面電場的反轉，電場反轉也是判斷雷擊發生的主要指標[34]。電子式監測設備通過測量大氣電場的強度和極性的連續變化，實時地監測云層的帶電狀況。設備包含一次電極和二次電極，兩電極間采用高速電子開關，在利用兩次電極的同時，還利用靜電場隨動跟蹤算法，將躍變動電場分離出來進行數據處理并建立模型進行雷電預警，根據大氣電場值、大氣電場變化率、大氣電場變化持續時間等確定雷電預警等級。兩類監測設備分別采用不同的雷電預警模型進行雷電預警，但生成的雷電臨近預警產品均包括3級(黃色、橙色、紅色)。本文基于福建省三維閃電系統資料，提出雷電預警效果評估方法，對不同類型的大氣電場儀雷電預警效果進行評估。

1.3 雷電預警評估方法

兩類不同的大氣電場儀具有三種預警信號，由低到高依次為黃色、橙色和紅色。開展不同類型的大氣電場儀雷電預警效果評估，需要規定評估的幾個條件。為了更加真實體現雷電預警效果，客觀體現不同類型的大氣電場儀雷電預警效果，本研究規定：

(1)評估區域以大氣電場儀為中心，確定10 km為評估區域半徑。

(2)雷電預警信號以黃色預警信號為閾值，連續不中斷的雷電預警信號為1次雷電預警。

(3)預警信號結束時間與最后閃電發生時間間隔超過半小時，增加1次空報。

為了評估雷電預警服務效果，以黃色雷電預警信號為閾值節點，以連續雷電預警信號時間和福建省三維閃電監測系統數據為依據，采用兩種方法對預警服務效果進行評估：一種是根據閃電發生頻次進行效果評估，根據10 km區域的范圍得到閃電總頻次，統計連續預警信號期間閃電發生的數量，從而計算對閃電總頻次的有效預警效率；另一種是對連續預警信號的準確性進行評估，計算出命中率POD、空報率FAR、TS評分三個評估指標，具體見公式(2)-(4)。

(2)

(3)

(4)

式中，NAk為預報正確次數(預警期間區域內發生閃電)，NBk為空報次數(預警期間區域內未發生閃電)，NCk為漏報次數(未發預警信號，區域內發生閃電)。

2 效果分析

本研究選取2019年17個閃電過程的大氣電場資料和福建省三維閃電定位資料(云閃和地閃)，進行雷電預警效果對比分析。根據大氣電場監測設備雷電預警服務效果評估模型，對兩臺大氣電場監測設備雷電預警效果進行分析，分別介紹兩類設備雷電預警結果。

2.1 閃電總頻次評估

由于閃電過程往往伴隨著強對流天氣過程發生，在一定的區域內，短時間內往往發生大量的閃電，兩類大氣電場監測設備均能進行雷電預警并生成雷電預警信號。根據雷電預警信號的時間，并結合三維閃電定位系統數據，進行對比分析。根據對2019年17個閃電過程(編號1-17)的三維閃電定位系統數據查詢，得到觀測場站點10 km范圍內共發生閃電3156次，表1和圖2為17個閃電過程的具體預警和閃電頻次的統計和對比。

對場磨式設備雷電預警信號分析發現，在預警信號生效期間的閃電總頻次為1737次，表明場磨式監測設備對觀測場站10 km范圍內55.04%的閃電進行了有效預警。具體分析17個閃電過程發現，場磨式設備對14個閃電過程進行了預警，對3個閃電過程(過程1、3、5)漏報，無雷電預警信號產生。基于閃電資料的經緯度統計與監測設備的直線距離，得到閃電過程1的閃電發生位置與設備的平均直線距離為6.67 km，閃電過程3的閃電發生位置與設備的平均直線距離為6.06 km，閃電過程5的閃電發生位置與設備的平均直線距離為7.15 km。由于閃電發生位置距離監測設備較遠，因而場磨式監測設備出現了漏報。針對其他14個預警的閃電過程統計分析發現，這14個閃電過程均發生在距離場磨式監測設備較近的位置，雷電預警效果較好。

表1 2019年17個閃電過程的兩類設備閃電總頻次預警效果分析

對電子式設備雷電預警信號分析結果顯示，在預警信號生效期間的閃電總頻次為2369次，表明系統對觀測場站10 km范圍內75.06%的閃電進行了有效預警。電子式設備對17個閃電過程均進行了預警，但是存在預警信號持續時間過長的問題。從閃電頻次分析來看，電子式設備對每一個閃電過程都有較好的預警效果。從場磨式設備漏報3個閃電過程來看，當閃電發生位置距離場磨式監測設備位置較遠，且閃電活動未向場磨式監測設備處移動時，容易出現漏報。從閃電總頻次預警效果分析結果來看，電子式監測設備雷電預警效果更好，對閃電過程預警表現更為均衡。

圖2 2019年17個閃電過程的兩類設備閃電頻次預警效果對比分析

2.2 預警信號評估

根據雷電預警預報服務產品的預報屬性和時空特點，參照天氣預報評分方法，考慮科學性、實用性和可行性，對兩臺設備的雷電預警結果與閃電監測數據進行對比，通過公式(2)-(4)計算出命中率POD、空報率FAR、TS評分三個評估指標，實現對雷電預警信號的準確性評估。表2為兩類監測設備對17個閃電過程雷電預警信號評估情況。針對編號1-17個閃電過程，場磨式設備共發出47次連續雷電預警信號，其中35次雷電預警信號期間目標區域發生了閃電，12次連續雷電預警信號期間內目標區域內未發生閃電，目標區域內也出現了30次漏報的閃電。電子式設備共發出41次連續雷電預警信號，其中25次雷電預警信號期間目標區域發生了閃電，16次連續雷電預警信號期間內目標區域內未發生閃電，空報偏多，且出現24次閃電漏報。結合評估公式統計得到：場磨式設備的平均命中率為53.85%，平均空報率為25.53%，平均TS評分為0.45；電子式設備平均命中率為51.02%，平均空報率為39.02%，平均TS評分為0.38。圖3為兩類設備對17次閃電過程的命中率、空報率和TS評分對比分析結果。對三個指標對比分析可看出，場磨式設備的雷電預警效果要優于電子式設備的預警效果，但場磨式設備對3個閃電過程漏報，對14個閃電過程進行了較好預警，需減少漏報情況。電子式設備對所有閃電過程均發出了雷電預警信號，但同時也出現了空報偏多，且雷電預警信號時間偏長，還需降低靈敏度，優化預警模型，提高雷電預警準確率。通過對閃電過程編號1-17和三維閃電監測數據統計得到，電子式設備對17個閃電過程均發出了雷電預警信號，場磨式設備對其中的14個閃電過程發出了雷電預警信號，對3個閃電過程出現漏報，電子式設備雷電預警表現更為均衡。針對雷電預警信號持續時間分析發現，電子式設備連續雷電預警信號時間往往較長，閃電活動結束后，電子式設備的雷電預警信號往往還持續一段時間。雷電預警信號持續時間長，基于閃電總頻次評估其表現更優異，但是增加了空報。電子式設備需要合理設置閾值，避免雷電預警信號時間過長，進一步降低空報率。在實際應用中，兩套大氣電場儀還需進一步優化雷電預警算法，提高雷電預警準確率，在防雷減災業務中發揮更大作用。

表2 兩類監測設備對17個閃電過程雷電預警信號評估結果

3 結論與討論

本文基于雷電預警時間、雷電預警區域和閃電監測數據，提出了大氣電場雷電預警效果評估方法，并根據福建省氣象局觀測場周邊2019年17個閃電過程資料和福建省三維閃電監測系統數據，對場磨式和電子式設備雷電預警效果進行綜合對比分析，得到以下結論：

(1)閃電總頻次評估。針對編號1-17個閃電過程，在其雷電預警信號生效期間，場磨式設備對55.04%的閃電進行了有效預警，電子式設備對75.06%的閃電進行了有效預警。場磨式設備對3個閃電過程漏報。基于閃電頻次評估對比分析來看，電子式設備的雷電預警效果優于場磨式設備的預警效果。

圖3 兩類監測設備對17個閃電過程雷電預警信號評估對比圖

(2)雷電預警信號評估。針對編號1-17個閃電過程，場磨式設備的雷電預警信號的平均命中率為53.85%，平均空報率為25.53%，平均TS評分為0.45。電子式設備的平均命中率為51.02%，平均空報率為39.02%，平均TS評分為0.38。基于雷電預警信號評估，結合三個指標的綜合效果來看，場磨式設備的雷電預警效果要優于電子式設備的預警效果，電子式設備預警時間較長，空報率更高。

(3)場磨式設備針對距離較遠的閃電過程預警效果較差，容易出現漏報。電子式設備由于更為靈敏，對所有過程均進行了雷電預警，但存在空報率偏高且雷電預警信號持續時間過長的問題。在實際應用中，場磨式監測設備需要減少閃電過程的漏報，提高有效監測范圍區域內的雷電預警水平；電子式監測設備還需進一步減少空報率，避免雷電預警信號持續時間過長的問題。

本文基于雷電臨近預警效果評估分析方法，對不同類型的單一站點大氣電場的雷電預警效果進行分析，兩類監測設備均具備一定的雷電預警服務能力，能夠提升雷電災害防御能力。大氣電場監測設備安裝和維護便捷，在景區、石化等行業得到了廣泛的應用，在防雷減災業務中發揮著重要作用。本研究對于不同類型的大氣電場監測設備選型應用有重要參考意義。后續的研究可以從兩個方面開展研究：一方面可以考慮建立不同區域氣候特征下的單一大氣電場儀器在雷電防護與預警中的應用，逐步建立不同區域與氣候特征條件下的應用方法，提高其預警效率。另外一方面可結合雷暴云結構及放電本身的復雜性，融合氣象雷達、閃電、大氣電場等多源資料，建立雷電預警模型，不斷提高雷電預警準確率。